Стали и сплавы с особыми свойствами. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов – это сплавы системы «железо – хром – алюминий»

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов – это сплавы системы «железо – хром – алюминий», имеющие структуру твердого раствора, что позволяет деформировать их с большим обжатием и получать тонкую ленту и проволоку. Количество углерода в них строго ограничено – не более 0,06 – 0,12 %. Кроме высокого электросопротивления стали и сплавы должны обладать окалиностойкостью и достаточной проч-ностью при нагреве для сохранения формы нагревателей в процессе работы. Это стали ферритного класса марок Х13Ю4 – фехраль; 0Х23Ю5, 0Х27Ю5А – хромель. Чем выше в сплавах содержание хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента.

Другую группу сплавов с высоким омическим сопротивлением составляют твердые растворы на основе никеля с хромом – нихромы. Марка нихрома – Х20Н80, рабочая температура – 1125°С. Для удешевления нихрома часть никеля заменяют железом – ферронихромы Х15Н60 и ХН20ЮС (20 % никеля) с рабочей температурой до 875°С. Высоколегированный ферронихром ХН60Ю3 (60 % никеля) может применяться до температуры 1125°С и заменять нихром Х20Н80.

Сплавы с заданным коэффициентом линейного теплового расширения. Детали машин и приборов, которые должны сохранять постоянство размеров при нагреве до 100°С и охлаждении до –100°С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов), изготавливают из сплава марки Н36 (0,05 % углерода и 36 % – никеля, остальное – железо), получившего название инвар. Коэффициент линейного расширения инвара в восемь раз меньше, чем у железа. В результате замены части никеля кобальтом получается сплав суперинвар, его марка – Н31К6, с еще меньшим коэффициентом теплового линейного расширения, чем инвар.

Сплав Н48 (48 % никеля) имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у стекла и платины, и его применяют для спаев со стеклом, он получил название платинит. Для спайки с молибденовыми стеклами применяют сплав 29НК (29 % никеля, 18 – кобальта), называемый коваром.

Сплавы с заданными упругими свойствами (сплавы с постоянным модулем упругости). В ряде случаев требуется металл с постоянными, не изменяющимися с температурой, модулем упругости (Гука – Е, Юнга – G). Такие сплавы применяются для изготовления пружин различных точных приборов, камертонов и т. п. Их называют элинварами, в их состав входят никель, хром и железо.

Элинвар марки Н35ХМВ (1,2 % углерода, никеля – 35, хрома – 9, молибдена – 2, вольфрама – 3 %) обеспечивает температурную погрешность хода часов порядка 0,5 с на 1°С в сутки. Сплав марки 42НХТЮ (0,05 % углерода, никеля – 42, хрома – 5,5 %) высокопрочный и применяется для упругих элементов, работающих до температуры 100°С.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали (типа 45Х14Н14С2М, 40Х10С2М) должны обладать высокой стойкостью против коррозии при температуре выше 550°С. Чтобы пленка окислов Cr₂O₃ защищала металл от кислорода и печных газов при температуре 1000°С, необходимо содержание хрома в стали не менее 25 %. Положительное влияние на сопротивление коррозии при высокой температуре оказывают алюминий и кремний, они образуют защитные пленки Al₂O₃ и SiO₂. Стали 15Х25Т, ХН32Т (0,05 % углерода, хрома – 20, никеля – 32 %) выпускаются в виде прутков, листов, труб, а сталь марки 15Х25Н19С2Л используется для отливок.

Жаропрочные стали и сплавы способны работать в нагруженном сос-тоянии при высокой температуре в течение определенного времени и обладают при этом достаточной жаростойкостью.

Металлы обладают свойством медленно и непрерывно деформироваться при статическом нагружении, особенно при высокой температуре. Это свойство называется ползучестью, она характеризуется пределом ползучести – напряжением, вызывающим деформацию заданной величины за определенный промежуток времени при заданной температуре. Кроме того, жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности – напряжением, вызывающим разрушение при данной температуре за данный интервал времени.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку – температуре эксплуатации. Так, для работы при температуре 400 – 550°С применяют стали 15ХМ, 12Х1МФ (трубы паропроводов и пароперегревателей), 40Х9С2 – для клапанов двигателей внутреннего сгорания, а при температуре 800 – 1200°С – сплавы на никелевой основе (например, ХН55ВМТФКЮ) для лопаток газовых турбин и т. п.

2. твердые и сверхтвердые инструментальные материалы