Железоникелевые сплавы. Свойства и назначения

Введение

Для определенных назначений в технике связи и для измерительных трансформаторов, т.е. там, где рабочие токи очень малы, важно иметь материалы, обладающие лучшими магнитными характеристиками уже в очень слабых полях, а именно в области начальной проницаемости, причем при дальнейшем намагничении не имеет существенного назначения.
Чистый никель, хотя и имеет достаточную механическую прочность, в технике используется редко, из-за своей дефицитности сложностей при пластической и механической обработке. Гораздо большее практическое применение находят сплавы никеля с железом, так называемые железоникелевые сплавы.
Железо с никелем образует непрерывный ряд твердых растворов. На технологические свойства никелевых сплавов железо отрицательного влияния не оказывает. Под влиянием железа значительно облегчается технологический процесс обработки сплавов, но при этом заметно снижается их жаростойкость. 
Такие железоникелевые сплавы имеют высокую магнитную проницаемость, которая резко уменьшается при больших напряженностях поля и при высоких частотах. Кроме того, такие сплавы сильно зависят от механических напряжений.
Следовательно, рассматривая железоникелевые сплавы, мы можем наблюдать их значимость и назначение в любом техническом или физико-механическом процессе.

Понятие железоникелевых сплавов.

К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (сумма никеля и железа 65% при приблизительном отношении никеля к железу 1-1,5).
В зависимости от легирования эти сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в сильно - агрессивных средах, намагничиванию, способностью к упрочнению, и обладают особыми физико-механическими свойствами.
Теоретически совместное электро-осаждение никеля и железа не представляет большого труда, поскольку их потенциалы близки по значению, но практически осуществить осаждение сплава оказывается достаточно сложно ввиду того, что в ходе электролиза железо из 2-х валентного переходит в 3-х валентное, вызывая снижение выхода по току, что приводит к образованию губчатого осадка.

Свойства сплавов из железа и никеля.
Железоникелевые сплавы имеют целый ряд важных физических свойств, которые используются в разных областях, например уникальные магнитные характеристики сплавов, содержащих около 35, 50 и 80% никеля, или необычно низкий коэффициент теплового расширения при содержании 36— 50% никеля. Хотя железоникелевые сплавы не используют как специальные коррозионностойкие материалы, их высокая стойкость к воздействию многих часто встречающихся сред играет важную роль в тех областях применения, для которых эти сплавы предназначены.
По жаропрочным свойствам железоникелевые сплавы примерно равноценны сплавам на основе пикеля. Однако такие сплавы мало пластичны, склонны к образованию трещин и других дефектов.
Принципиальная технологическая схема изготовления магнит проводов из железоникелевых сплавов подобна для электротехнических сталей. Все железоникелевые сплавы поставляют только в не отожжённом виде. Режимы термообработки сплавов, протекающей при температуре 1000—1200°С, только при их строгом соблюдении могут быть получены гарантированные магнитные свойства.
Все эти свойства влияют на состав железоникелевых сплавов, что, в свою очередь, приводит к определению методов использования соответствующих сплавов.

Особенности состава.
Зависимость характеристик механических свойств железоникелевого сплава определяют от температуры. В результате выплавки структура сплавов представляет собой твёрдый раствор железа в никелевой основе. В результате такого растворения температура стабильности микроструктуры повышается на 150…2000С

. При этом до 5000С диффузия никеля в железе происходит весьма медленно, и активизируется лишь при достижении температур 700…8000С.
Основной структурной составляющей является интерметаллидное соединение FeNi3, в котором содержание никеля, в зависимости от температуры, составляет 55…75%. Это предопределяет температурный диапазон, в котором производится термическая обработка таких сплавов. Наибольшее процентное содержание никеля в стабильно существующих сплавах не превышает 60…65%. Эффект введения никеля в основную структуру сплава обусловлен тем, что железо резко увеличивает термическую прочность.
Однако наличие одного железа не особо способствует повышению эксплуатационных характеристик железоникелевых сплавов, особенно тех, для которых требуется длительная стойкость при повышенных температурах. Поэтому в состав структуры железоникелевых сплавов вводят также хром, вольфрам, молибден, марганец и  — в незначительных количествах — кремний.
Таким образом, основными способами получения требуемой структуры железоникелевых сплавов считается механизм дисперсионного твердения, с последующей термической обработкой. Она производится для того, чтобы несколько повысить размеры зёрен в структуре, и снять внутренние напряжения, неизбежные при замещении в кристаллической решётке некоторых атомов железа атомами никеля.
Классификация железоникелевых сплавов.
По особенностям состава и свойств железоникелевые сплавы можно классифицировать по следующим показателям:
По жаропрочности. Преобладающее количество рассматриваемых сплавов обладает повышенной механической прочностью и стойкостью при высоких температурах и внешних нагрузках.
По магнитным характеристикам. Некоторые сплавы никеля с железом обладают увеличенными значениями своей магнитной проницаемости.
По способности сохранять свои  постоянные габаритные характеристики и упругость, в результате чего коэффициент расширения сплавов имеет стабильные значения.
По антикоррозионной стойкости, что используется в деталях, длительно работающих в агрессивных средах.
Кроме того, отдельно следует упомянуть, что никелем легируются некоторые марки чугунов, что повышает стойкость деталей, изготовленных из такого материала (так, валки крупных прокатных станов выполняются именно из чугуна, содержащего до 3…4% никеля).
В дальнейшем, при сравнительном анализе эксплуатационных характеристик сплавов железа и никеля, в расчёт принимаются только такие сплавы, в которых процент никеля не будет менее 15…20%.
Значительное количество марок железоникелевых сплавов производится по отраслевым показателям. Однако, наряду с жаропрочными и жаростойкими сталями в отдельную группу выведены также и сплавы железа с никелем.  При этом суммарное процентное содержание этих элементов должно быть не менее 65%, а соотношение никеля к железу установлено в рамках 2:3.
Все марки железоникелевых сплавов разделены на 4 группы:
1. Нелегированные низконикелевые сплавы с содержанием 45% и 50% никеля соответственно.
2. Низконикелевый сплав, легированный хромом (X) и кремнием (С).
3. Сплавы, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса с содержанием никеля 50, 65 и 34% соответственно.
4. Высоко никелевые сплавы, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью.
Железоникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью.
Исследования последнего десятилетия показали, что железоникелевые сплавы с 35-90% никеля особенно отличаются от технического свойства железа значительно повышенными величинами начальной и максимальной проницаемости и с этим очень узкой петлей гистерезиса, в то время как их насыщение равно лишь 2/3-3/4 насыщения железа