Прецизионные сплавы: описание, виды, обработка

По мере роста распространенности инновационных технологий возникает все более серьезная необходимость в использовании чистых сплавов, что означает, что требуется организация производства, которое будет позволять создавать чистые сплавы с конкретными физическими свойствами. Одними из основных параметров, которым должны соответствовать подобные сплавы, являются: проводимость, ковкость, устойчивость к агрессивным средам и резким перепадам температурного режима.

Прецизионные сплавы – результат подобных разработок, поскольку они позволили создавать продукты, которые будут подходить для различных технологических отраслей и направлений, к примеру, нанотехнологиям, отрасли бытовой техники, оптических систем. При этом область использования прецизионных изделий ничем не ограничивается. Основным местом производства подобных сплавов является завод прецизионных сплавов.

Прецизионная обработка подразумевает, что конечный продукт получит конкретные эксплуатационные свойства, для достижения которых требуется строго соблюдение технологического процесса. Также требуется обеспечить полную очистку от любых сторонних примесей и чужеродных включений, которые могли бы ухудшить качество сплава. В современной промышленности конкретные характеристики разнообразных прецизионных сплавов содержатся в соответствующих ГОСТ-ах, также там приводится расшифровка основных используемых маркировок.

В реалиях развития современного мира функционирование отрасли высоких технологий невозможно без использования прецизионной обработки металлов, поскольку для работы высокоточных автоматических устройств, вакуумной аппаратуры, а также электронно-измерительной техники требуется использование сплавов с заданными физическими и химическими свойствами.

Особенности прецизионной точности

ГОСТ 10994-74 определяет все марки существующих прецизионных металлов. В рамках этого нормативно-правового документа описываются все основные группы соединений, в которых четко описываются пропорции содержания разнообразных химических элементов. Этот стандарт рассматривается в качестве справочного материала, на основе которого базируются работы высокотехнологичных отраслей. Главная особенность заключается в том, что для функционирования этих компонентов требуется четкое совпадение пропорций элементов с табличными значениями.

Основные разновидности сплавов:

• Сплавы с высокой магнитной проницаемостью (50НХС, 50Н, 64Н);
• Сплавы с мощной магнитной энергией (27КХ, 35КХ6Ф, 52К12Ф);
• Сплавы с определенным коэффициентом температуры расширения (ХН 20ЮС, ХН70Ю, Х15Н60-Н);
• Сплавы с высокой степенью упругости (36НХТЮ, 17ХГНТ, 40КХНМ);
• Композитные сплавы с определенными электрическими свойствами;
• Сплавы, характеризующиеся сверхпроводимостью;
• Аморфные сплавы (19НХ, 20НГ, 24НХ, НД).

Сущность прецизионных сплавов

Современный уровень развития промышленности требует новых, химически чистых сплавов, с определенными физико-химическими и технологическими свойствами: ковкостью, электропроводностью, прочностью, упругостью, намагниченностью и другими параметрами. Чтобы получить такие металлические композиции, необходимо добиваться точного процентного соотношения используемых элементов. Французское слово precision обозначает «точность» – отсюда пошло название сплавов.  

Формы выпуска

Единого алгоритма выпуска прецизионных сплавов не существует, поскольку все определяется конечными целями и результатами деятельности. Все способы изготовления подобных сплавов подразумевают соблюдение определенной прецизионной точности, которая позволит сформировать у конечного продукта необходимый набор качеств и характеристик. Достаточно часто требуется выполнение следующего распространенного технологического процесса:

• Выбор конкретной шихты;
• Создание условий для работы в конкретной среде;
• Использование специфических видов переплава.

Прецизионное литье выдвигает значительные требования к чистоте помещения, поскольку попадание загрязняющих веществ из окружающей среды может негативно сказаться на функционировании устройства. Стоит отметить, что технология прецизионного литья считается одной из высокоточных технологий производства деталей. Она подразумевает использование разнообразных методик, среди которых можно отметить следующие:

• Центробежное литье;
• Получение тугоплавких отливок;
• Использование силикатных литейных форм.

Результатом подобного процесса являются прецизионные изделия конкретных необходимых геометрических очертаний и габаритных параметров.

Разумеется, проведение прецизионных работ требует привлечение соответствующего высококвалифицированного персонала, который знаком с особенностями проведения всех этапов работ, а также обладает достаточным арсеналом практических навыков для их выполнения.

Сплавы, полученные за счет использования подобной технологии, обладают определенными недостатками. Существуют несколько видов разрушения, характерные только для этого класса сплавов. Самой главной проблемой является окисление продукции в связи с коррозией. Коррозия – причина постепенного ухудшения эксплуатационных характеристик сплава, что со временем приводит к тому, что все они приходят в негодность.

Таким образом, изготовление материалов с особыми физическими свойствами требует дополнительных мер, позволяющих сдерживать развитие подобной проблемы. Подобной технологией является горячая обработка выплавляемых отливок в среде вакуума или инертных газов. Термическая обработка – одно из обязательных условий получения идеального сочетания необходимых свойств.

Стоит отметить, что прецизионными бывают не только сплавы, но и разновидности проката. К примеру, в современной промышленности все большей востребованностью пользуются прецизионные трубы. Еще одной распространенной вариацией конечной формы сплава является проволока. Прецизионные сплавы могут быть крайне важны при ее изготовлении, чтобы обеспечить ей строгий необходимый набор характеристик для будущего функционирования системы.

Роль и место в металлургии

Без прецизионных материалов невозможно существование высокотехнологических отраслей экономики. Если 50 лет назад потребности производства удовлетворялись сплавами с 5-6 заданными характеристиками, то теперь уже эти параметры исчисляются десятками. Выдвигаются строгие требования не только к точности показателей, но и к химической чистоте. 

Прецизионные сплавы требуют тщательного подбора компонентов, строгого соблюдения технологии, поэтому металлургическая отрасль постоянно совершенствуется. Создаются прогрессивные способы обработки металлов, литья, новые сплавы с особыми свойствами. 

Маркировка

Согласно ГОСТу 10994 74, в марках прецизионных сплавов присутствуют цифры и русские буквы, которые обозначают названия химических элементов.  

 

На 1-м месте в маркировке стоит 2-значное число, которое отображает процентное содержание, округленное до целого, основного металла (он обозначается первой буквой). Последующие литеры также обозначают названия компонентов, по убыванию процентного содержания, причем железо не маркируется. Вторая цифра – процент легирующей добавки. Например, марка 34 НКМ расшифровывается так: в сплаве содержится 34% никеля, К – кобальт, М – молибден. Или 35КХ4Ф: 35% Co + Cr + 4% V.   

В прецизионных сплавах после цифры стоит буква Н или К. Магнитотвердые сплавы обозначаются буквой К или Е после числа.

В некоторых маркировках отображается способ выплавки (он ставится через дефис после букв). 30НКД-ВИ означает, что сплав получен путем вакуумно-индукционной переплавки. ВД – вакуумно-дуговая, ЭЛ – электронно-дуговая, П – плазменно-дуговая, Ш – электрошлаковая плавка.  

Классификация

Прецизионные сплавы классифицируют по их свойствам. Различают 6 групп: 

• Магнитно-мягкие – самая многочисленная группа. Это соединения на основе никеля и железа, иногда и кобальта. Легирующие элементы: марганец, хром, молибден, углерод, кремний, сера. Марки: 81НМА, 40НКМ, 50НХС, 40НКМП, 79Н3М, 49К2Ф и др. Соединения Fe-Ni называют пермаллоями, Fe-Co – пермендюрами.  
• Магнитно-твердые материалы. Сюда отнесены сплавы на основе кобальта и железа. Легирующие добавки: кремний, углерод, марганец, сера, хром, ванадий, молибден. Разновидности: магнико, ални, викаллой, соединения кобальта с редкоземельными химическими элементами. В зависимости от свойств данные композиции делятся на 3 группы. Марки сплавов: 52К10Ф, ЕХ3, 35КХ4Ф, ЕХ9К15М2, 52К12Ф и др.  
• Сплавы с высокой степенью упругости. Основные металлы – никель и железо. Легирующие компоненты: сера, медь, алюминий, марганец, кремний, углерод. Марки: 36НХТЮ, 97НЛ, 42НХТЮА, 40КХНМ и др. 
• С заданным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), или инварные сплавы. Основные элементы – железо и никель. Марки сплавов: 32НК, 30НКД, 35НГ, 33НК-ВИ и др.  
• Сверхпроводящие сплавы. Различают сверхпроводники I и II рода. Марки: 35БТ (титан-ниобий), 25БТ, 65БТ; 70ТМ-ВД (титан-молибден), БТЦ-ВД (ниобий).      
• Термобиметаллы. Изготавливаются обычно из 2-х видов сталей, с разным линейным расширением. Материалы, в зависимости от их свойств, делятся на 6 групп. Марки сплавов: 19НХ, 20НГ, 75ГНД и др. 

Термобиметаллы маркируются в соответствии с ГОСТ 10533-86.  

Технология и формы выпуска

Для изготовления прецизионных материалов нет единой технологии. Это связано с необходимостью получения сплавов в точном соответствии с заданными эксплуатационными характеристиками. Для каждого материала индивидуально подбирается шихта, своя рабочая среда, способ плавки.  

В ГОСТе 10994-74 указаны методы прецизионного литья, с помощью которых изготавливаются высокоточные детали: 

• Центробежное литье. Металлы заливают во вращающуюся плиту, где они под действием центробежной силы перемешиваются в однородную массу, затем по специальным желобам равномерно заполняют отливочную форму.  

• Использование силикатных литейных форм. 

• Получение отливок из форм, изготовленных из очищенного песка и тугоплавких смол. 

Для улучшения рабочих характеристик изделия проходят термическую обработку в вакууме, магнитном поле или инертных газах.  

Из прецизионных материалов выпускаются различные формы изделий:  

• проволока; 
• нить; 
• прутки;  
• ленты;  
• полосы; 
• фольга; 
• фасонный прокат; 
• трубы.  

Последние особенно востребованы. Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам, трубы после окончания номинального эксплуатационного срока используются в качестве материала по другому назначению.   

Свойства и области применения

Металлоизделия, изготовленные из прецизионных сплавов, используются во всех высокотехнологичных отраслях промышленности, в медицине, при изготовлении бытовой техники, часов, электронагревательных приборов.  

Магнитомягкие сплавы

У пермаллоев и пермендюров высокая магнитная проницаемость, даже в слабых магнитных полях, а коэрцитивная сила не превышает 1000-1200 А/м. Для них характерно быстрое намагничивание и такая же незамедлительная потеря свойств при исчезновении магнитного поля. В зависимости от петли гистерезиса, степени магнитно-электрической проницаемости и других свойств их делят на 8 групп. 

Применение: 

• сердечники для всех видов трансформаторов, дросселей, электромагнитов; 
• детали для магнитных цепей; 
• магнитные элементы радиотехнических и измерительных приборов; 
• магнитопроводы систем управления  

Из магнитомягких сплавов изготавливаются полуфабрикаты в виде листов, лент и прутков. 

Магнитотвердые сплавы

Эти сплавы «работают» в магнитных полях с высокой напряженностью – десятки тысяч А/м. Для них характерна высокая остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила, магнитная энергия при размагничивании. 

Области применения: 

• носители магнитной записи информации; 
• элементы памяти в электронных приборах; 
• постоянные магниты; 
• роторы гистерезисных двигателей различной мощности. 

Магнитно-твердые материалы изготавливаются в виде плоского и круглого проката. 

Сверхпроводящие сплавы

Из сверхпроводящих сплавов, в зависимости от их свойств, изготавливают: 

• обмотки генераторов и магнитов большой мощности (например, для поездов на магнитной подушке); 
• туннельные диоды для электронных устройств; 
• магнитные насосы; 
• медицинские томографы; 
• сердечники соленоидов; 
• устройства для формирования магнитного поля; 
• детекторы адронного коллайдера; 
• детали криогенных конструкций; 
• тепловые ключи. 

Сверхпроводящие прецизионные материалы выпускаются во всех формах, в том числе фасонный прокат. 

Термобиметаллы

Это термочувствительные материалы. Пластина единичной толщины изгибается при изменении температуры на 1°К. Материалы используются для изготовления такой продукции: 

• элементы термометров, терморегуляторов; 
• защитные автоматы для электросетей; 
• термоэлементы тепловых и токовых реле; 
• термокомпенсаторы. 

Термобиметаллы выпускаются в виде ленты. 

Инварные сплавы

Инвары отличаются тем, что заранее можно рассчитать изменение размеров в запрограммированном диапазоне температур. Для них характерна высокая прочность, пластичность, минимальный коэффициент расширения и отсутствие ферромагнетизма.  

Области применения:  

• При значениях ТКЛР близких к нулю: эталоны длины, измерительные инструменты, газовые лазеры, криогенное оборудование, электровакуумные, метрологические и геодезические приборы. 
• Низкие и средние ТКЛР: детали приемо-усилительных ламп, клистронов, магнетронов, телевизионных трубок, полупроводниковых приборов. 

Инварные сплавы выпускаются в виде плоского и круглого проката. 

Сплавы с заданными показателями упругости

Такие композиции обладают высоким пределом прочности, устойчивостью к пластической деформации при статических и циклических нагрузках. Исходя из этой способности, материал используется для изготовления пружинных элементов для точных измерительных приборов и мощных пружин для крупной техники. Кроме того, сплавы устойчивы к воздействию физиологических растворов, поэтому широко используются в медицине: кардиостимуляторы, иглы, противотромбозные фильтры, медицинские инструменты.   

Выпускается продукция в виде листового и круглого проката.  

Перспективы развития отрасли

На текущий момент в связи со сложной геополитической обстановкой все более важным компонентом развития государства становится развитие собственной промышленности и отрасли научно-технологических инноваций, которые позволят быть независимыми от внешних поставок различных комплектующих и деталей.

Крайне высокие темпы развития промышленной отрасли формируют высокую потребность в постоянном усложнении используемых прецизионных сплавов, поскольку выдвигаются все новые и новые требования к их эксплуатационным характеристикам. Более того, происходит постоянное расширение их функциональных возможностей. К примеру, если взять 80-е годы 20-го века, то на тот момент к прецизионным сплавам выдвигались требования по 5-6 пунктам, в то же время в наши дни к некоторым разновидностям сплава выдвигаются требования по более чем сотне параметров. В связи с этим должно происходить постепенное усложнение технологического процесса, который также должен соответствовать требованиям и критериям целесообразности и экономности.

На текущий момент требования промышленного сектора не могут быть удовлетворены сплавами лишь на основе железа, кобальта и никеля, требуется внедрение новых металлов с их особыми свойствами. На текущий момент активное применение получили такие металлы как ниобий, тантал, хром. Однако несмотря на достаточно высокий уровень развития данной отрасли требуется продолжение ведения научно-технических исследований, направленных на определение потенциальных возможностей по использованию различных сплавов и их форм, чтобы выявить совершенно новые полезные свойства существующих прецизионных сплавов.