Микроструктурный анализ сплавов на основе никеля

 

 

Никель – прочный и пластичный металл, широко распространен как легирующий элемент в сплавах на основе Fe, Cu, Al, Ti и других металлов, а также как основа никелевых сплавов. Характер взаимодействия никеля с различными элементами определяется диаграммами состояния.

На структуру и свойства никеля существенное влияние оказывают находящиеся в нем примеси. Наиболее часто встречающимися примесями в никеле являются Co, Fe, Si, C, O₂, S, Cu. Примеси кобальта, железа, кремния и меди, образующие с никелем твердые растворы, оказывают незначительное влияние на его механические свойства и несколько повышают электрическое сопротивление. Углерод обычно используется в качестве раскислителя никеля. Однако при содержании более 0,1 % С никель становится хладноломким вследствие выделения углерода по границам зерен в форме графита при отжиге.

Вредной примесью в Ni и никелевых сплавах является сера, вызывающая красноломкость. Сера образует соединение Ni₃S₂, которое вместе с Ni дает легкоплавкую эвтектику (Ni+Ni₃S₂), плавящуюся при 644°С. Эвтектика появляется при весьма незначительном содержании S, т.к. сульфид Ni₃S₂ практически нерастворим в твердом Ni. Эта эвтектика, выделяясь по границам зерен, делает Ni непластичным. Макроструктура Ni, содержащего S, в деформированном и отожженном состоянии характеризуется искривленными границами зерен.

Пластичность серосодержащего никеля может быть восстановлена при десульфации его магнием, который при введении в жидкий никель, связывает серу в тугоплавкое химическое соединение MgS. Обладая высокой температурой плавления, сульфиды магния выделяются в первую очередь из расплава при затвердевании и являются центрами кристаллизации. Поэтому в твердом никеле включения сульфида магния располагаются внутри зерен. Десульфированный магнием никель имеет мелкозернистую структуру и двойники. Кислород в никеле находится в виде закиси Ni и располагается как по границам, так и внутри зерен. Наличие в Ni до 0,24 % O₂мало отражается на его пластичности.

Никель является одним из наиболее коррозионно-стойких в атмосферных условиях технических металлов и поэтому широко используется для покрытий. Высокая коррозионная стойкость никеля на воздухе объясняется образованием на его поверхности очень тонкой и прочной окисной пленки, защищающей его от разрушения. Никель практически не корродирует в дисциллированной и пресной воде. Он также достаточно устойчив в морской и рудничных водах.

Присутствующие в воде в большой концентрации ионы хлора и углекислого газа могут вызывать на никеле точечную коррозию.

Все сплавы никеля по их применению в технике условно разделяют на четыре основные группы:конструкционные, электротехнические, сплавы с особыми физическими свойствами и жаропрочныесплавы.

К конструкционным сплавам относят технический никель и монель. В техническом никеле содержатся небольшие добавки Mn, Si, C и Mg, которые обычно вводятся как раскислители и десульфаторы. Технический никель наряду с высокой коррозионной стойкостью обладает повышенными механическими свойствами, что обеспечивает ему широкое распространение в различных отраслях техники. Для работы в агрессивных средах, таких как водные растворы солей и щелочей, пар, органические соединения и др., применяют сплав монель (основа – никель, 28 % Cu, 2,5 % Fe и 1,5 % Mn). Он не только стоек против коррозии, но и обладает высокой прочность и пластичностью. Дендритная ликвация, протекающая в нем при затвердевании, почти полностью устраняется при отжиге после горячей и холодной обработки давлением. Монель с полиэдрической структурой применяют в химическом машиностроении. Монель с дендритной структурой используют в приборостроении как сплав, магнитная индукция которого почти линейно убывает с повышением температуры. Такой сплав называют калмаллой. По своей структуре монель относятся к сплавам типа твердых растворов. Небольшие добавки железа и марганца, так же как и медь, находятся в растворе и самостоятельных фаз не образуют. Микроструктура сплава подобна чистому никелю. Добавки Mn и Fe, входящие в твердый раствор, дополнительно повышают прочность и улучшают его другие физико-химические свойства.

К электротехническим сплавам относят марганцевый никель, нихром, хромель, алюмель, копель, константан и ряд других сплавов. Марганцевый никель обладает повышенной жаростойкостью, износоустойчивостью и хорошей пластичностью. По своей структуре сплавы никеля с марганцем являются твердыми растворами. Из марганцевого никеля изготавливают главным образом проволоку для запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Для измерительных реостатов и деталей приборов используют сплав системы Ni – Cu, содержащий примерно 40 % Ni и 1,5 % Mn, который называется константан. Наряду с высоким удельным электрическим сопротивлением, в пять раз большим, чем у никеля и железа, константан обладает очень низким температурным коэффициентом этого свойства – в 1000 раз меньшим, чем у чистого никеля. Он может работать при температурах до 400°С и его сопротивление почти не изменяется. Благодаря этому рабочая характеристика электрической цепи прибора не зависит от температуры. Сплав, содержащий 32 % Ni (1 % Mn, 67 % Cu), также однофазный, называемый никелин, из-за повышенной оксиляемости может работать при температурах только до 200°С. Его электросопротивление несколько ниже, а температурный коэффициент сопротивления значительно выше, чем у константана (но в 30 раз меньше, чем у никеля). Преимущество никелина в том, что термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) в паре с медью у него в два раза меньше, чем у константана. Следовательно, при подключении его к медным контактам в приборе возникнут меньшие паразитные термотоки, чем при подключении константана. В тех случаях, когда желают возможно полнее избавиться от таких термотоков, применяют сплав манганин (4 % Ni, 12 % Mn, 84 % Cu), т.э.д.с. которого в паре с медью в 15 раз меньше, чем у никелина. Температурный коэффициент также меньше в 10 раз, чем у никелина, при одинаковых значениях удельного электросопротивления. Наиболее распространенными сплавами сопротивления для высоких температур (до 1100°С) являются так называемые нихромы. Их электрическое сопротивление в 10 раз больше, чем технического железа. По составу различают две разновидности сплавов: 80 % Ni, 20 % Cr и 60 % Ni, 15 % Cr и 25 % Fe. Первый из них работает без окисления при более высоких температурах, Защитой от окисления является плотно прилегающая к металлу пленка Cr₂O₃. Нихромы имеют, как и никель, гранецентрированную кубическую решетку. В процессе длительного отжига при 450-480°С происходит упорядочение решетки, которое приводит к изменению свойств сплавов. Нихромы обладают не только высокой стойкостью против окисления при температурах до 1000-1100°С; они сохраняют также достаточно большую прочность при нагреве их до высоких температур. Поэтому нихромы являются основой большинства современных жаропрочных сплавов. Простейший из них (ХН77ТЮ), кроме Ni и Cr (15-20 %), содержит также 0,7 % Al и 2,5 % Ti. Алюминий и титан вместе с никелем образуют упрочняющую фазу Ni₃(Ti,Al), так называемую g¢-фазу, имеющую такую же пространственную решетку, как и основной твердый раствор Ni – Cr. Растворимость упрочняющей фазы в этом растворе растет с температурой, благодаря чему сплав является дисперсионно твердеющим и в производственных условиях подвергается старению. На основе Ni – Cr имеется много жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах – до 1000°С. Их легируют, кроме титана и алюминия, вольфрамом, молибденом и другими элементами. Молибден, в частности, растворяется преимущественно в g-фазе, упрочняя ее. В состоянии упрочнения после обычно применяемой термической обработки выделения g¢-фазы так мелки, что разглядеть их можно только с помощью электронного микроскопа.

К третьей группе (сплавы с особыми физическими свойствами) относят сплавы: пермаллой, инвар, элинвар, платинит и др. Обладая особыми свойствами, эти сплавы применяются для изготовления постоянных магнитов, деталей, не подвергающихся намагничиванию, для производства деталей приборов с постоянными линейными размерами и т.д. Сплав, содержащий 35-37 % Ni, около 0,3 % С, остальное Fe, называется инвар. Этот сплав практически не расширяется при повышении температуры до 100°С и применяется для деталей, которые должны иметь постоянные размеры с изменением температуры. Введение в инвар 8-12 % Cr придает сплаву способность сохранять не только постоянство размеров, но и постоянные упругие свойства при нагревании до 100°С. Этот сплав, названный элинвар (35-37 % Ni, 8-12 % C, остальное Fe), находит широкое применение в приборостроении (маятники хронометров, часовые пружины, камертоны и т.д.). Сплавы типа инвар обладают малым коэффициентом термического расширения – в 10 раз меньшим, чем у Fe или Ni, а сплавы типа элинвар – слабой температурной зависимостью модулей упругости. Инварные свойства обусловлены ферромагнитным взаимодействием. Меняя содержание Ni от 30 до 50 %, можно получать сплавы с различными коэффициентами расширения. Так, например, при содержании 42-48 % Ni, 0,3 % C (остальное – Fe), получаем сплав с коэффициентом расширения таким же, как для платины и стекла. Этот сплав, названный платинитом, служит заменителем Pt в изделиях, где соединения стекла с металлом требуют одинакового расширения при нагревании (например, вводы в лампах накаливания). При содержании Ni около 80 % магнитная проницаемость железоникелевых сплавов резко возрастает. Сплав такого состава, содержащий 78,5 % Ni и 21,5 % Fe, называется пермаллоем. Высокие магнитные свойства сплав приобретает после специальной термической обработки – гомогенизации при 1200°С в атмосфере водорода, вторичного нагрева до 600°С с последующим охлаждением со строго определенной скоростью. Этот сплав применяется для деталей приборов, которые должны сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (в приборах слаботочной промышленности). Для постоянных магнитов с большим остаточным намагничиванием и большой коэрцитивной силой получили распространение сплавы системы Ni – Al – Fe (альни) и Ni – Al – Fe – Co (альнико). Высокие магнитные свойства этих сплавов достигаются в результате специальной термической обработки (закалки и отпуска, нормализации). В процессе отпуска из закаленных сплавов выделяются частицы различных интерметаллидов (Ni₃Al, Fe₃Al и др.), повышающих механические свойства и увеличивающих коэрцитивную силу. За последние годы в химическим аппаратостроении в качестве коррозионностойких материалов получили применение никелевые сплавы с Si и Cu. Состав этих сплавов, известных под названием хастелой, 10-12 % Si, 0,7-4 % Cu, остальное – Ni+Co.

К четвертой группе (жаропрочные сплавы) относятся сплавы, предназначенные для объектов, работающих при высоких нагрузках и температурах (турбины, реактивные двигатели и др.). Жаропрочные сплавы на никелевой основе называют нимониками. Они обеспечивают надежную работу деталей газовых турбин при температурах до 750°С и весьма длительных сроках эксплуатации – 10000-25000 час. Благодаря высокой прочности никелевых сплавов удалось повысить экономичность газовых турбин, так как она находится в прямой зависимости от температуры газов. Жаропрочные никелевые сплавы типа нимоник при температуре 1000°С и выше являются однофазными твердыми растворами сложного состава. При понижении температуры (до 800°С и ниже) происходит распад твердого раствора, который сопровождается выделением мелкодисперсных частиц интерметаллидных соединений Ni₃Al, TiAl₃ и др. Сплавы типа нимоник применяются в термообработанном состоянии (закалка – 1000-1100°С и отпуск – 700-750°С) и могут работать более 100 часов при 750°С под напряжением 250-300 МПа, а при 800°С – под напряжением 100-170 МПа.

Никелевые жаропрочные и жаростойкие сплавы содержат 60-80 % Ni. Для повышения жаропрочности в него вводят W и Mo, которые упрочняют твердый раствор. Титан и алюминий образуют интерметаллидные химические соединения с никелем и другими легирующими элементами. Мелкодисперсные включения этих соединений, а также зоны с повышенной концентрацией Al и Ti, которые предшествуют образованию химических соединений, препятствуют перемещению дислокаций и тормозят таким образом пластическую деформацию. Это приводит к упрочнению сплава.

Иногда применяют никелевые сплавы, содержащие кобальт, который повышает стабильность структуры и обеспечивает малые изменения механических свойств в процессе эксплуатации при высоких температурах. Кобальт находится частично в твердом растворе, частично входит состав интерметаллидных соединений с титаном и алюминием, а также сложных карбидов. Сплавы с Co вследствие их низкой пластичности применяются преимущественно в литом виде. Эти сплавы при 100 часовой работе при 700°С выдерживают напряжение до 750 МПа, при 800°С – 180-200 МПа, а при 900°С – около 100 МПа.

Многие жаропрочные сплавы на никелевой основе содержат бор. Вредное влияние на жаропрочность сплавов на никелевой основе оказывают очень небольшие примеси свинца, олова или сурьмы. Они располагаются преимущественно по границам зерен и ослабляют силы сцепления между ними при высоких температурах. При изготовлении никелевых жаропрочных сплавов используют очень чистые шихтовые материалы, а также часто применяют выплавку и разливку в вакууме. Большое значение для обеспечения высокой работоспособности никелевых сплавов имеет однородность структуры. Наличие одновременно крупных и мелких зерен приводит к резкому сокращению срока службы деталей из-за снижения жаропрочности.

 

Порядок проведения работы

1. Просмотреть шлифы, определить фазы и структурные составляющие.

2. Представить в отчете зарисовки микроструктур всех образцов, под каждой микроструктурой подписать марку сплава, химический состав, состояние, увеличение микроскопа и указать структурные составляющие (или фазы).

3. Рядом с микроструктурами начертить соответствующие диаграммы состояния, необходимые для анализа структуры сплавов.

Приложение

 

Применение сплавов на основе цветных металлов

 

Вид материала	Область применения
Бронзы литейные оловянные: Бр03Ц12С5; Бр05Ц5С5; Бр01ОФ1 и др.	Венцы червячных колес, втулки подшипников, корпуса насосов
Бронзы литейные безоловянные: БрА9ЖЗЛ; БрА10Мц2Л; БрА10ЖЗМц2 и др.	Фасонное литье, трубы, корпуса Венцы небольших червячных колес
Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением: БрАЖ9-4; БрБ2; БрКМц3-1; БрМц5 и др.	Детали с антифрикционными свойствами: гайки ходовых винтов, втулки, шайбы
Латуни литейные: ЛЦ40С; ЛЦ30АЗ; ЛЦ40Мц1,5 и др.	Корпуса кранов, тройники, втулки
Латуни, обрабатываемые давлением: Л68; Л63; ЛМц58-2 и др.	Шпиндели, втулки кранов, гайки, коррозионно-стойкие детали
Медь: М0; М1; М2 и др.	Детали, обладающие высокой электропроводностью: гайки, болты, контакты
Сплавы алюминиевые литейные: АК7; АМ5 и др.	Корпуса приборов, детали карбюраторов и арматура двигателей. Высоконагруженные детали, воспринимающие вибрационные нагрузки
Сплавы алюминиевые, обрабатываемые давлением: АК4; АМг6 и др.	Лопатки компрессоров, крыльчатки, детали двигателей. Трубопроводы, емкости для жидкости
Сплавы титановые: ВТ5; ВТ6; ВТ9 и др.	Детали, обладающие антикоррозионной стойкостью. Детали, работающие в широком температурном диапазоне. Детали, применяемые в авиастроении и космической технике
Сплавы магниевые литейные: МЛ5; МЛ9; МЛ15 и др.	Несиловые детали: несущие корпуса, крышки
Сплавы магниевые деформируемые: МА1; МА2; МА5 и др.	Детали, подвергающиеся высоким центробежным нагрузкам при умеренных температурах

 

Варианты задания

 

№	Задание
	АМц; АК7; Д1; Л96; ЛЦ16К4; БрОФ6,5-0,4; БрО17Ц4С4; МЛ3; МА18; ВТ9; ВТ1Л; Б88; ЦАМ9-1,5
	АМг0,5; АК9; Д6; Л90; ЛЦ14К3С3; БрОФ6,5-0,15; БрО8Н4Ц2; МЛ4; МА1; ОТ4; ВТ5Л; Б83; ЦАМ10-5
	АМг1; АК12; Д16; Л85; ЛЦ23А6Ж3Мц2; БрОФ7-0,2; БрО6Ц6С3; МЛ5; МА2; ОТ4-1; ВТ6Л; Б83С; ЦАМ9-1,5
	АМг1,5; АК5М2; Д18; Л80; ЛЦ30А3; БрОФ8-0,3; БрО8Ц4; МЛ6; МА5; ВТ3-1; ВТ3-1Л; Б16; ЦАМ10-5
	АМг2; АК7М2; Д19; Л75; ЛЦ40АЖ; БрОФ4-0,25; БрО3,5Ц7С5; МЛ8; МА8; ВТ5; ВТ9Л; БН; ЦАМ9-1,5
	АМг2,5; АК7Ц9; Д1; Л70; ЛЦ38Мц2С2; БрОЦ4-3; БрО5Ц5С5; МЛ9; МА11; ВТ5-1; ВТ14Л; БС6; ЦАМ10-5
	АМг3; АК7; Д6; Л68; ЛЦ35Н2ЖА; БрОЦС4-4-2,5; БрО4Ц4С17; МЛ10; МА12; ВТ6; ВТ20Л; БКА; ЦАМ9-1,5
	АМг3,5; АК9; Д16; Л66; ЛЦ40С; БрОЦС4-4-4; БрО16С5; МЛ21; МА14; ВТ8; ВТ1Л; БК2; БК2ГШ; ЦАМ10-5
	АМг4; АК12; Д18; Л63; ЛЦ36Мц2О2С2; БрОС10-15; БрС30; МЛ12; МА15; ВТ14; ВТ5Л; Б88; ЦАМ9-1,5
	АМг4,5; АК5М2; Д19; Л60; ЛЦ40Мц1,5; БрАЖ9-4; БрО3Ц12С5; МЛ15; МА19; ВТ15; ВТ6Л; Б83; ЦАМ10-5
	АМг5; АК7М2; Д1; Л96; ЛЦ25С2; БрАЖМц10-3-1,5; БрО3Ц7С5Н; МЛ19; МА21; ВТ16; ВТ9Л; Б83С; ЦАМ9-1,5
	АМг6; АК7; Д1; Л96; ЛЦ16К4; БрАЖН10-4-4; БрО10Ф; МЛ15; МА4; ВТ20; ВТ1Л; Б88; ЦАМ9-1,5
	АМц; АК9; Д6; Л90; ЛЦ14К3С3; БрКМц3-1; БрО10Ц2; МЛ16; МА17; ВТ22; ВТ5Л; Б83; ЦАМ10-5
	АМг0,5; АК12; Д16; Л85; ЛЦ40Мц3Ж; БрКН1-3; БрО5С25; МЛ19; МА1; ВТ9; ВТ3-1Л; Б88; ЦАМ9-1,5
	АМг1; АК5М2; Д18; Л80; ЛЦ40Мц3А; БрАМц9-2; БрО10С12Н3; МЛ12; МА2; ВТ5; ВТ9Л; Б83; ЦАМ10-5
	АМц; АК7; Д1; Л96; ЛЦ16К4; БрОФ6,5-0,4; БрО17Ц4С4; МЛ3; МА18; ВТ9; ВТ1Л; Б88; ЦАМ9-1,5
	АМг0,5; АК9; Д6; Л90; ЛЦ14К3С3; БрОФ6,5-0,15; БрО8Н4Ц2; МЛ4; МА1; ОТ4; ВТ5Л; Б83; ЦАМ10-5
	АМг1; АК12; Д16; Л85; ЛЦ23А6Ж3Мц2; БрОФ7-0,2; БрО6Ц6С3; МЛ5; МА2; ОТ4-1; ВТ6Л; Б83С; ЦАМ9-1,5
	АМг1,5; АК5М2; Д18; Л80; ЛЦ30А3; БрОФ8-0,3; БрО8Ц4; МЛ6; МА5; ВТ3-1; ВТ3-1Л; Б16; ЦАМ10-5
	АМг2; АК7М2; Д19; Л75; ЛЦ40АЖ; БрОФ4-0,25; БрО3,5Ц7С5; МЛ8; МА8; ВТ5; ВТ9Л; БН; ЦАМ9-1,5