Металлы и их сплавы: никель, цинк, свинец, олово

9

Никель и его сплавы

Никель - ферромагнитный металл, имеющий гранецентрированную кубическую решетку, не испытывающий аллотропических превращений до температуры плавления (1453 єС). При температуре 354 єС никель испытывает магнитное превращение. При комнатной температуре никель ферромагнитен, выше 354 єС - 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 єС. 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 єС) 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 єС происходит упорядочение с образованием ромбической решетки, близкой по параметрам к кубической исходной решетке. При нагреве выше 600 єС 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 ' 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 єС на воздухе и старении при температуре 700 єС в течение 16 часов.

В этом случае зафиксированный при закалке пересыщенный твердый раствор распадается при старении с выделением упрочняющей ' фазы по механизму, аналогичному процессу старения алюминиевых сплавов. '-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 єС.

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.

Цинк и его сплавы

Цинк - синевато-белый металл. Температура плавления цинка 419,5 єС, удельный вес 7,13 г/см³.

Цинк имеет гексагональную решетку от комнатной температуры до температуры плавления. Аллотропических превращений цинк не испытывает. Чистый цинк при комнатной температуре очень хрупок, при температуре 100-150 єС пластичен, хорошо поддается прокатке и прессованию. Чистый цинк при обычных условиях на сухом воздухе устойчив против коррозии. Во влажной атмосфере или в воде покрывается плотной пленкой углекислой соли, предохраняющей от дальнейшего окисления. При высоких температурах оказывается весьма активным.

Основное количество цинка (до 50% производимого в промышленности) используется для защиты железа и стали от атмосферной коррозии. Цинк и его сплавы широко применяется в полиграфической промышленности для изготовления шрифтов и клише, используются в качестве сплавов для литья под давлением, а также, в некоторых случаях, как проводниковые материалы вместо меди. Его электропроводность составляет 30% от электропроводности меди.

В качестве примесей в цинке могут быть свинец, олово и железо. Примеси свинца очень сильно влияют на коррозионную стойкость цинка, поскольку электрохимический потенциал свинца значительно отличается от потенциала цинка. Благодаря контактным явлениям на границе между Pb и Zn возникает гальваническая пара, которая активно работает во влажной атмосфере и, особенно, в разбавленных кислотных растворах по механизму электрохимического растворения цинка.

Олово даже при содержании сотых долей процента образует с цинком легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 198 єС. Еще более легкоплавкая эвтектика образуется при одновременном наличии олова и свинца. Температура плавления тройной эвтектики 150 єС. Поэтому наличие в цинке и его сплавах примесей олова и свинца резко затрудняет обработку давлением, поскольку уже при 150 єС под действием даже небольших напряжений происходит межзеренное нарушение.

Примеси железа приводят к образованию хрупких интерметаллидов FeZn₇ и Fe₃Zn₁₀, охрупчивающих сплавы, в связи с чем содержание железа в цинковых сплавах ограничивается 0,1%.

Одними из основных сплавов цинка являются уже рассмотренные нами латуни, в которых содержится до 40% Zn.

Сплавами на основе Zn в основном являются сплавы, содержащие в качестве легирующих элементов алюминий и медь. В связи с высокой жидкотекучестью и легкоплавкостью, цинковые сплавы широко применяют для литья под давлением. Литейные цинковые сплавы содержат до 4,5% Al и до 5% Cu. Структура литейных сплавов представляет собой смесь избыточных дендритных кристаллов фазы и сильно травящегося эвтектоида (₁ + ) _э. При ускоренном охлаждении эвтектоидный распад можно подавить, зафиксировав при комнатной температуре переохлажденную ₂ фазу. В процессе хранения может протекать распад ₂ фазы, т.е. процесс старения, сопровождающийся упрочнением. Однако это приводит к короблению деталей. В связи с этим для увеличения устойчивости ₂-фазы в сплав вводят до 0,1% Mg. Литейные цинковые сплавы в литом состоянии имеют сравнительно высокие механические свойства _в = 36 кг/мм², = 2,5%. Для защиты от коррозии их никелируют или создают иное антикоррозионное или декоративное покрытие.

Деформируемые цинковые сплавы также легируется алюминием (до 15%), медью (до 5%) и магнием (0,03-0,05%). Эти сплавы хорошо прокатываются в листы, обрабатываются глубокой вытяжкой. Сплавы обладают высокой прочностью при удовлетворительной пластичности _в = 360 МПа, = 6%, КСU20 Дж/см².

Наиболее прочным цинковым сплавом является сплав с 32% Al и 3% Cu. Этот сплав в горячепрессованном виде имеет _в = 500 МПа, около 10%.

Подшипниковые сплавы на основе Zn применяются сравнительно мало. Это связано с тем, что хотя цинковые сплавы имеют большую прочность по сравнению с подшипниковыми сплавами на основе олова, но они очень быстро разрушаются в связи с низкой коррозионной стойкостью.

Цинковые сплавы применяются в качестве припоев для пойки алюминия и магния. Эти сплавы построены на основе системы Zn-Cd. Наиболее широко применяемым припоем является сплав цинка с кадмием с содержанием 40% Cd. Этот сплав соответствует эвтектическому составу с температурой плавления 266 єС.

Олово, свинец и их сплавы