Сплав железа с никелем: свойства инвара

СОДЕРЖАНИЕ

• Общая характеристика основных составляющих сплава
• История открытия инвара
• Свойства железоникелевого сплава
• Способы получения инвара
• Образующаяся на выходе структура сплава
• Преимущества инвара
• Сферы применения сплава

Общая характеристика основных составляющих сплава

Чистое железо — пластичный и ковкий серебристо-серый металл. В виде самородков, которые встречаются в природе, обладает большой твердостью и ярким блеском. Также этот металл характеризуется отличной электропроводностью, передавая ток посредством свободных электронов. Тугоплавкость железа средняя, оно становится мягким и утрачивает ферромагнитные свойства при температуре 1539 °C.

Этот элемент химически активен: легко вступает в реакцию при обычной температуре, а при нагревании — еще быстрее. Находясь на воздухе, железо покрывается слоем оксидной пленки, которая препятствует реакциям взаимодействия, однако во влажной среде быстро образуется ржавчина и развивается коррозия. Несмотря на эти недостатки железо и сплавы на его основе широко используются в промышленности.

Никель в виде самородных слитков присутствует в железных метеоритах. В природе встречается в комбинации с другими химическими элементами. Основное сырье для добычи никеля — сульфидные и медно-никелевые руды, содержащие мышьяк:

• гарниерит — силикатная порода с включениями магния;
• хлоантит — белый колчедан, имеющий в составе железо и кобальт;
• магнитный колчедан — комбинация серы с медью и железом;
• пентландит — руда, содержащая серу, железо и никель;
• герсдорфит — мышьяково-никелевая порода;
• никелин — мышьяковистое соединение.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Металл из руд извлекают с применением технологий, выбор которых зависит от типа сырья. В некоторых случаях никель представляет собой побочный продукт обогащения породы.

История открытия инвара

Cплав, состоящий из никеля и железа, получил название «инвар» (от латинского invariabilis — «неизменный»). Его создали в 1896 г., однако применение уникальным свойствам нашли гораздо позднее. За открытие инвара Шарль Гийом удостоился Нобелевской премии по физике. Этот сплав обладает качествами, которые оказались полезными при создании различных измерительных приборов.

Инвар характеризуется постоянным коэффициентом теплового расширения в диапазоне температур -82…+100 °C, поэтому сплав назвали именно так, но есть у него и другие наименования, например нило-аллой, вакодил, нилвар, радиометалл.

Читайте также: «Сварочная ванна»

Также инвар является торговой маркой французской компании Imphy Alloys, которая когда-то начала промышленное производство этого сплава. Полное название выпускаемого продукта — Invar 36.

Свойства железоникелевого сплава

Как правило, при воздействии высоких температур металлы увеличиваются в объеме, а при охлаждении — уменьшаются. Инвар в определенном диапазоне температур за счет эффекта инварианта и ферромагнитных свойств имеет очень низкий коэффициент расширения (иногда нулевой или даже отрицательный).

В Российской Федерации производство инвара осуществляется по государственному стандарту. Наиболее широко и разнообразно используется сплав инвар 36Н.

Ниже перечислены физические свойства инвара:

1. Низкий коэффициент теплового расширения, значение варьирует в диапазоне температур -80…+100 °C
2. Температура плавления составляет +1430 °C.
3. Механическая прочность — 49 кгс/мм2.
4. Показатель плотности — 8130 кг/м3.

Все эти характеристики присущи сплаву железа с никелем благодаря его химическим свойствам. Он имеет выраженную однофазную структуру. Низкий коэффициент теплового расширения обусловлен тем, что по мере повышения температуры материала вместо расширения происходит магнитострикционное уменьшение объема.

Читайте также: «Медные сплавы»

В сплавы, помимо железа и никеля, добавляют присадочные металлы, такие как хром, титан, молибден, вольфрам, алюминий. Эти составляющие влияют на физико-механические свойства будущего сплава, а именно:

• на механическую прочность, которая зависит от температуры среды применения и составляет 150–860 МПа;
• выносливость при постоянной нагрузке — до 190 МПа;
• коэффициент проводимости теплоты — при нормальной температуре он составляет 17,5–24,5 Вт/м2·К;
• модуль Юнга, который при нормальной температуре может иметь значения 2–19 ГПа;
• окислительную интенсивность — 170 г/м2·ч.

Чтобы усилить эти свойства и получить уникальный сплав, его обрабатывают различными механическими способами. Например, благодаря особой полировке материал приобретает коррозионную стойкость. Прочностные характеристики инвара можно повысить с помощью холодной пластической деформации, а затем — термообработки при относительно низких температурах.

Читайте также: «Охлаждение металла»

Стойкость к агрессивным факторам внешней среды обеспечивается за счет нанесения специальных защитных покрытий. Таким образом, получают два типа улучшенных сплавов — нержавеющий инвар и суперинвар.

Способы получения инвара

Инвар — востребованный материал, в связи с чем возникла необходимость найти доступный способ его изготовления. Железоникелевый сплав получают гальваническим методом. Ученые при сравнении термодинамических характеристик обоих металлов предположили, что создать сплав будет просто.

Однако процесс оказался сложнее: химическая реакция сопровождается побочным процессом окисления — железо из двухвалентного становилось трехвалентным. Такое превращение отрицательно сказывается на свойствах сплава, вплоть до полной потери ценных качеств.

Эту проблему удалось устранить, добавляя в электролит комплекс, включающий органические кислоты и амины и формирующий малорастворимые соединения трехвалентного железа. Эта манипуляция позволяет повысить эластичность осадка. Чтобы выровнять его толщину, электролит перемешивают.

Для получения сплава железа с никелем применяют сульфатный электролит, в который входят (концентрация в г/л):

• сернокислое железо – 2;
• сернокислый никель – 60;
• кислота борная –25;
• сахарин – 0,8;
• лаурилсульфат натрия – 0,4.

Электролит работает при следующем режиме: кислотность — pH 1,8–2, температура — 40–50 °C, катодная плотность тока — 3–7 А/дм2.

Читайте также: «Брызги металла при сварке»

Анодами могут служить пластины, изготовленные из железа и никеля, либо металлургические сплавы этих металлов. При использовании пластин нужно соблюдать соотношение их площадей: железная пластина должна быть в 3 раза меньше никелевой.

Также используют солянокислый электролит следующего состава (концентрация в г/л):

• хлористое железо – 150–160;
• хлористый никель – 2–4;
• соляная кислота – 2–4.

Электролит работает при следующем режиме: температура — 50 °C, катодная плотность тока — 10 А/дм2.

Данный электролит имеет недостаток — при превышении показаний тока в процессе электролиза сплав насыщается водородом, в итоге изделия получаются более хрупкими.

Читайте также: «Сплавы железа»

Ученые разработали и другие технологии производства инвара, например применение фторборатного и сульфаматного электролитов. Благодаря им осадок выпадает быстро, имеет высокую эластичность и небольшие внутренние напряжения. Однако электролиты сложны по составу и дорого стоят, поэтому их использование в промышленности ограничено.

Как правило, сплав железа с никелем выпускают в виде проволоки или тонкой ленты.

На некоторых заводах из сплава формируют небольшие листы, толстые ленты или прутки круглого сечения.

Образующаяся на выходе структура сплава

Во время плавления твердое железо постепенно растворяется в никелевой основе. При этом структурная устойчивость повышается на 200 °C. Никель начинает проникать в железо при температуре 500 °C, ускоряется этот процесс при 800 °C.

Основным веществом, составляющим структуру сплава, является FeNi3. Содержание в нем никеля достигает 55 %, что и определяет температуру обработки сплава. Максимальное содержание никеля в инваре — 60 %.

Необходимые характеристики материала обеспечиваются не только за счет железа в его составе. В сплав обязательно включают углерод для обеспечения стабильности сплава. Допустимо добавление в инвар некоторых других элементов: хрома, кобальта, магния, марганца, алюминия, титана, циркония, кремния, серы, фосфора.

Точная концентрация указанных веществ может быть различной в зависимости от назначения материала и способа производства. Например, в сплаве ковар процентное соотношение железо : никель : кобальт — 54:29:17. Модификация суперинвар имеет в составе 5 % кобальта, при этом содержание никеля снижено на эту же величину.

Преимущества инвара

Железоникелевые сплавы обладают многими достоинствами:

1. высокой устойчивостью к термическому воздействию;
2. значительной механической прочностью, благодаря которой можно использовать сплав в механизмах, работающих в условиях высоких нагрузок;
3. большим значением внутренней магнитной проницаемости деталей, изготавливаемых из сплава железа с никелем;
4. возможностью эксплуатации в агрессивной среде;
5. постоянным коэффициентом теплового расширения, позволяющим применять инвар в приборах и датчиках;
6. стойкостью к коррозии;
7. пластичностью.

Сплавы, состоящие из никеля и железа, обладают большой плотностью, однофазной внутренней структурой, незначительным коэффициентом теплового расширения, поэтому находят применение при монтаже ответственных конструкций.

Сферы применения сплава

Малый коэффициент теплового расширения — ключевой момент при выборе инвара для производства:

• несущих конструкций лазерных установок;
• проволоки и лент для геодезических работ;
• деталей часовых механизмов, хронометров, маятников;
• различного проката: холоднокатаной ленты, горячекатаного листа и прутка, кованых прутков, бесшовных труб;
• элементов контрольно-измерительных приборов.

Многим приборам необходимо сохранять свои линейные размеры в большом диапазоне температур, поэтому инвар при их изготовлении незаменим. Например, его используют в производстве мембранных танк-контейнеров, в которых транспортируют сжиженный газ; в переходах «стекло — металл»; при изготовлении цветных телевизоров (создание теневых масок для приемных трубок), корпусов лазерных приборов, волноводов, измерительной техники, применяемой в астрономии и сейсмологии.

Благодаря совершенствованию технологии сварки инвара появилась возможность сделать более широким его использование. Например, в геодезии проволока из этого материала применяется для создания прецизионных нивелирных реек. Незаменима она и для высокоточных измерений небольших расстояний (примерно до 20 м) при возведении плотин и туннелей. Также из инвара изготавливают формы для ламинирования пластиковых деталей, армированных углеродным волокном.

Читайте также: «Сварка при низкой температуре»

Подавляющее большинство используемых в промышленности металлов представляют собой различные сплавы. Они обладают лучшими характеристиками, поскольку сочетают в себе ценные свойства компонентов, входящих в их состав. Например, при добавлении разнообразных присадок получают сплавы, отличающиеся повышенной твердостью, прочностью, пластичностью или упругостью. Сплавы железа с никелем обладают еще и магнитными свойствами, которые можно дополнительно усилить с помощью легирования.