Никель и его сплавы

Никель – ферромагнитный металл, имеющий гранецентрированную кубическую решетку, не испытывающий аллотропических превращений до температуры плавления (1453 ºС). При температуре 354 ºС никель испытывает магнитное превращение. При комнатной температуре никель ферромагнитен, выше 354 ºС – теряет ферромагнитные свойства.

Основными характерными свойствами никеля является его большая химическая стойкость, тугоплавкость, ферромагнитность, наличие ярко выраженного магнитострикционного эффекта, высокая прочность в сочетании со значительной пластичностью, высокое значение модуля упругости (210000 МПа, т.е. почти как у железа).

Чистый никель применяют в электровакуумной технике, т.к. его пары обладают малой упругостью и он не испаряется при высоком вакууме. Наиболее чистым от примесей никелем является электролитический никель и карбонильный никель.

В технически чистом никеле могут содержаться: углерод (до 0,3%), железо (до 0,7%), кобальт – до 1,0%, кремний – до 0,2%, медь – до 0,6%, сера и кислород – до сотых долей процента. Такие элементы, как Fe, Co, Si и Cu, в указанных количествах оказываются растворенными в твердом растворе и практически не оказывают влияния на свойства никеля. Углерод также находится в твердом растворе, но при больших количествах может выделяться в виде графита. Графит ухудшает технологические свойства никеля, затрудняя прокатку.

Наличие кислорода приводит к образованию хрупкой эвтектики (Ni + NiO)_э. Раскислителями является марганец и магний. Наличие в никеле серы приводит к образованию легкоплавкой эвтектики (Ni + Ni₃S₂)_э, вызывающей красноломкость. Некоторое обезвреживание серы приводится легированием никеля марганцем или магнием, при этом вместо Ni₃S₂ образуются более тугоплавкие соединения MnS и MgS.

Жидкий никель хорошо растворяет водород и окись углерода, которые при кристаллизации выделяются в виде пузырей. Дегазатором никеля является также марганец. Таким образом, добавки марганца к чистому никелю являются весьма полезными, поскольку одновременно раскисляют металл, способствуют уменьшению вредного действия серы и дегазируют никель. Избыток марганца не ухудшает свойств никеля, поскольку он входит в твердый раствор, улучшая также механические свойства никеля.

Никель с небольшими добавками Mn от 2,3% до 5,4% обозначается НМц 2,5 или НМц 5 и применяется, в основном, в радиовакуумной технике для изготовления радиоламп.

Для работы в агрессивных средах: газовой, растворах солей, щелочей, органических веществах и т.д. применяют сплав содержащий 28% Cu, 1,5-2,5% Fe и 1-2% Mn, называемый монель-металл, который, наряду с хорошей коррозионной стойкостью, обладает высокой прочностью и вязкостью. В литом состоянии имеет дендритную структуру. После пластической деформации и последующего отжига обладает однофазной, сравнительно равноосной, полиэдрической структурой с наличием двойников.

Этот же сплав, но в литом состоянии с наличием значительной дендритной ликвации применяется в приборостроении, поскольку его магнитная индукция почти линейно убывает с изменением температуры. Такой сплав называется калмаллой.

Сплав этой же системы (Ni – Cu), содержащий – 40% Ni и 1,5% Mn, остальное - медь, называется константан. Этот сплав обладает большим удельным электрическим сопротивлением (в 5 раз большим, чем у Ni или Fe) и очень низким температурным коэффициентом электрического сопротивления (в 1000 раз меньшим, чем у Ni). Таким образом, константан обладает важным свойством постоянства удельного электросопротивления в условиях повышенных температур до 400 ºС. Это позволяет его использовать в качестве материала для изготовления сопротивлений и катушек электроприборов.

В случае необходимости применения материалов с низкой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, в качестве материалов для элементов электроприборов применяют сплавы никелин (32% Ni, 1% Mn и 67% Cu) или манганин (4% Ni, 12% Mn, 84% Cu). Однако эти сплавы обладают меньшей стабильностью удельного электросопротивления при изменении температуры. Как никелин, так и манганин являются однофазными сплавами.

Наиболее распространенными сплавами, обладающими высоким электросопротивлением для работы при высоких температурах (до 1100 ºС) являются нихромы; по составу они могут быть двух типов: 80% Ni, 20% Cr и 60% Ni, 15% Cr, 25% Fe. Наиболее стойким при высоких температурах является первый тип нихромов. Эти сплавы однофазны, однако в них идет фазовое превращение, обусловленное упорядочением с образованием фазы состава, соответствующей формуле Ni₂Cr (33,3% ат. Cr). При длительном отжиге при температуре 450 - 480 ºС происходит упорядочение с образованием ромбической решетки, близкой по параметрам к кубической исходной решетке. При нагреве выше 600 ºС нарушается упорядочение решетки. При упорядочении сплава Ni₂Cr его электросопротивление уменьшается, модуль упругости возрастает, растет плотность, увеличивается твердость. Все это говорит об усилении межатомной связи при упорядочении.

Если в сплаве менее 33% ат. Cr, то в процессе упорядочения удельное электросопротивление не уменьшается, а растет. При этом все остальные свойства изменяются обычным порядком. Как установлено это изменение свойств также объясняется упорядочением, однако характер упорядоченного состояния оказывается несколько другой, чем в сплаве с содержанием 33,3% Cr. Поэтому упорядоченное состояние в сплавах, отличающихся от 33,3% Cr называют особым термином, а именно К-состоянием.

Это состояние до последнего времени сравнительно мало исследовано и нуждается в дополнительном изучении.

Если в сплав типа нихром ввести 0,7-2% Al и 1,5-3% Ti, то получается сплав, называемый нимоником. Он оказывается термически упрочняемым в связи с тем, что Al и Ti совместно с Ni образуют упрочняющую фазу Ni₃(Ti, Al), так называемую a' фазу, растворимость которой в твердом растворе на основе никеля увеличивается с повышением температуры. Следовательно, сплав становится дисперсионно-твердеющим при старении после закалки.

Режим термической обработки нимоника Х20Н80Т3 заключается в закалке с температуры 1080 ºС на воздухе и старении при температуре 700 ºС в течение 16 часов.

В этом случае зафиксированный при закалке пересыщенный твердый раствор распадается при старении с выделением упрочняющей a’ фазы по механизму, аналогичному процессу старения алюминиевых сплавов. a’-фаза, имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба, т.е. такую же, как и твердый раствор, когерентно с ним связана и очень медленно коагулирует, что позволяет использовать эти сплавы в качестве материалов, от которых требуется очень высокая жаропрочность.

Никелевые сплавы с большим содержанием кобальта называемые виталиум, например, сплавы с содержанием 20-25% Cr, до 20% Ni, до 50-60% Co, до 5% Mo, W, Nb могут работать при температурах до 1100-1200 ºС.

Сплавы системы Ni-Fe с содержанием железа от 15 до 50% (пермаллои) обладают высокой магнитной проницаемостью. Высокая магнитная проницаемость в этих сплавах достигается при осуществлении специальной термической обработки, приводящей к образованию упорядоченного К-состояния, аналогичного получаемому в нихромах.

Широкое применение находят никелевые сплавы: инвар и элинвар. Инвар (состав 36% Ni и 64% Fe) обладает малым коэффициентом линейного расширения – в 10 раз меньше, чем у железа или никеля. Элинвар (состав: 0,7-0,8% C, 2-3% Mn, 33-35% Ni, 7-9% Cr, 2-4% W, ост.Fe) обладает слабой температурной зависимостью модуля упругости. Инвар используется в радиовакуумной аппаратуре для арматуры, впаиваемой в стекло, поскольку коэффициент линейного расширения стекла и инвара оказывается – одинаковым, что уменьшает внутренние напряжения в месте пайки, увеличивает срок службы ламп. Элинвар применяется, в основном, для пружин, которые должны обладать постоянством рабочим усилием при изменении температуры.