Магнитные и электротехнические стали и сплавы.

В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд переходных металлов (Be, Cu, Ag, Pb).

Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, A1, а также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.

Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре (железо, кобальт, никель и гадолиний) обладают высокими ферромагнитными свойствами.

В зависимости от  значений основных магнитных характеристик различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы. Магнитотвердые материалы должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, а также одновременно несколькими  элементами.

Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

Обозначают магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).

Высокими магнитными свойствами обладают сплавы системы Fe-Ni-Co. Их называют сплавами типа альнико или ЮНДК. Недостатком сплавов альнико является их высокая твёрдость, хрупкость и плохая обрабатываемость. Поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием. Очень хорошие, но дорогие магниты изготавливают из сплавов с высоким содержанием кобальта B5-50 %). Эти сплавы - пермендюр 50 % Fe, 50 % Co) и перминвар (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками молибдена, ванадия или хрома. Недавно разработаны новые сплавы - гиперко 5-HS (2 % V, 48,5 % Со, остальное - железо) и кровак (Fe-Cr-Co), а также сплавы с применением редкоземельных металлов самария (Sm) и неодима (Nd).

   Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

Состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов типа альнико для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)

Магнитомягкие материалы. Основные требования к магнитомягким материалам: низкие значения коэрцетивной силы, высокая магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании на вихревые токи. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и неметаллических включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклёпом.

В качестве магнитомягкого материала применяют технически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными. Содержание углерода не должно превышать 0,025 %. Для устранения наклёпа и получения крупного зерна листовой металл подвергают высокотемпературному отжигу в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления реле, сердечников, электромагнитов постоянного тока. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. По химическому составу промышленно применяемые магнитномягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

· низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;

· сплавы железа с никелем.

Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные кремнием в количестве 0,8 - 4,8 %. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Однако при содержании кремния около 4 % происходит охрупчивание стали, что затрудняет производство тонколистового металла.   

В России принята цифровая маркировка электротехнической стали. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с кристаллической структурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 - < 0,4 %; 1 - 0,4-0,8 %; 2- 0,8-1,8 %; 3 - 1,8-2,8 %; 4 - 2,8-3,8 %; 5 - 3,8-4,8 %. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери при определённом значении В и f. Например, при третьей цифре 1 удельные потери стали 1311 при В=1,5 Тл и частоте тока f = 50 Гц составляют PJj5/5o = 6,1 Вт/кг. Четвёртая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем больше цифра, тем меньше удельные потери Pi,5/so.

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение сплавов со строго регламентированными значениями в определённых температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКРЛ) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве. Подбор определённого химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически, не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Область использования: измерительные приборы, геодезические измерительные ленты, регуляторы расширения, компенсационные элементы, компоненты термобиметаллов. Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является сплав 36Н - инвар. Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малыми добавками меди позволяет дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

 Сплавы с особыми упругими свойствами.

По способу упрочнения и физико-механическим свойствам пружинные сплавы можно разделить на следующие группы:

- аустенитные дисперсионно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- аустенитные деформационно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- сплавы с низким и постоянным коэффициентом модуля упругости

(элинвары).

Дисперсионно-твердеющие сплавы. Сплавы этой группы обладают высокими упругими свойствами, сохраняющимися при нагреве до 550 °С, малыми упругими несовершенствами (гистерезис, упругое последействие), прямолинейным изменением модуля упругости в интервале температур 20- 600°С, немагнитностью, коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, в условиях морского и тропического климата.          Дисперсионно-твердеющие сплавы производят на основе систем: Fe- Ni-Cr,Ni-Cr,Co-Ni,Nb-Ti.

Сплавы на основе системы Fe-Ni-Cr. Среди сплавов на основе системы Fe-Ni-Cr наиболее широкое применение нашли сплавы типа 36НХТЮ (Ni - 35-37 %, Сг - 11,5-13,0 %, Ti - 2,7-3,2 %, А1 - 0,9-1,2 %, С < 0,05 %, ГОСТ 10994-74). Химический состав этих сплавов выбран с учётом обеспечения аустенитной структуры, повышенной коррозионной стойкости и значительного упрочнения. Первое условие выполняется благодаря содержанию никеля и хрома. Коррозионная стойкость обеспечивается введением около 13 % хрома. Сплав 36НХТЮ применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры 250 °С, сплав 36НХТЮ5М - до 350 °С, сплав 36НХТЮ8М-до 400°С.

Сплав на основе системы Ni-Cr. Сплав 47ХНМ отличается от сплава типа 36НХТЮ значительно более высокой коррозионной стойкостью (в 10 и более раз) в окислительных средах на основе азотной кислоты. Максимальные значения прочности и твёрдости сплава получают после закалки от 1200-1250 °С (охлаждение в воде) и старения при 700-725 °С в течение 5 часов. Модуль упругости в интервале температур 20-500 °С прямолинейно уменьшается от 237000 до 194000 МПа. Сплав применяется для изготовления упругих и упруго-чувствительных элементов, а также как коррозионно-стойкий материал. Другой сплав этой группы 40ХНЮ-ВИ после закалки с 1150 °С, в результате чего получается аустенитная структура, и старения при 500-550 °С в течение 5 часов обладает твёрдостью HRC 64-67, модулем упругости при 20 °С 228000 МПа, а при 500 °С - 201500 МПа, высокой коррозионной стойкостью во влажной среде и в условиях тропического и морского климата. Из сплава изготавливают приборные подшипники, режущие инструменты, детали передаточных механизмов, керны приборов.

Сплав на основе системы Co-Ni. Сплав 67КН5Б в закалённом от 1000-1050 °С состоянии имеет аустенитную структуру, обладает высокой пластичностью E = 35-40 %).  Из сплава 67КН5Б можно получать проволоку и ленту микронных размеров, допускается холодная деформация с обжатием до 90 %. В деформированном состоянии возможна штамповка и навивка пружин. Сплав обладает низким электросопротивлением, высокой релаксационной стойкостью при 400-450°С, коррозионной стойкостью, хорошо смачивается ртутью. Сплав применяют для токоведущих упругих элементов, контактных пружин, в частности для электромагнитных и ртутных реле.

Сплав на основе системы Nb-Ti. Сплав 55БТЮ предназначен для пружин ответственного назначения, которые наряду с высокими упругими свойствами, теплостойкостью и коррозионной стойкостью должны обладать сочетанием немагнитности и малого изменения модуля упругости при нагреве.

Деформационно-твердеющие сплавы. Сплавы этой группы обладают высокими упругими и прочностными характеристиками (ơв до3000 МПа), усталостной прочностью, твёрдостью, сопротивлением износу, немагнитностью и коррозионной стойкостью во многих средах. Из деформационно- стареющих сплавов изготавливают упругие элементы преимущественно малого сечения - заводные пружины, керны, растяжки, приборные подшипники, торсионы, пишущие элементы, измерительные пружины и другие детали из холоднодеформированной проволоки и плющенки.

Химический состав деформационно-твердеющих сплавов приведён в таблице.