прецизионные сплавы

прецизио́нные спла́вы

(от франц. précision — точность), металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или с редким сочетанием свойств, обусловленных точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки. Применяются главным образом для изготовления точных приборов, а также в бытовой технике (телевизорах, часах и т. д.).

* * *

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ

ПРЕЦИЗИО́ННЫЕ СПЛА́ВЫ (от франц. precision — точность), металлические сплавы (см. СПЛАВЫ) с заданными физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или с редким сочетанием свойств, обусловленным точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки.
При разработке новых прецизионных сплавов изучаются диаграммы состояния (см. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ) состав – свойство. При этом, если необходимо получить целый комплекс свойств, осуществляется оптимизация сплавов по целому ряду параметров. Другим эффективным методом при разработке сплавов с заданными свойствами является физический прогноз, в основе которого заложено изучение физических закономерностей формирования свойств в сплавах различных систем.
Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni, Со, Cu, Nb. Прецизионные сплавы обладают широчайшим спектром свойств. В ряде случаев необходимо, чтобы в сплавах наблюдалось очень малое изменение физических параметров при изменении температуры, магнитного и электрического полей, механических нагрузок (такими свойствами обладают, например, инвар (см. ИНВАР), элинвар (см. ЭЛИНВАР), манганин (см. МАНГАНИН), константан (см. КОНСТАНТАН), перминвар (см. ПЕРМИНВАР)). В других случаях необходимо получить существенное изменение физических параметров сплава при изменении внешних условий (такие свойства проявляют пермаллой (см. ПЕРМАЛЛОЙ), алюмель (см. АЛЮМЕЛЬ), хромель (см. ХРОМЕЛЬ), копель (см. КОПЕЛЬ), магнитострикционные материалы (см. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ), пружинные сплавы, термобиметаллы).
К прецизионным сплавам относятся и сплавы, обладающие сверхпроводимостью (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ), сплавы с заданным значением физических параметров (например, ковар (см. КОВАР), платинит (см. ПЛАТИНИТ), фернико), в том числе сплавы с разнообразным сочетанием свойств и сплавы, сохраняющие требуемые свойства в условиях агрессивных сред, вибрации, электрического разряда, радиации, глубокого вакуума и т. д.
Сплавы с тепловыми аномалиями

Промышленные сплавы с аномалиями тепловых свойств главным образом разработаны на основе инварного эффекта в системе Fe – Ni.
В сплавах системы Fe – Ni в области концентраций от 32 до 50% Ni наблюдаются характерные аномалии, связанные с инварным эффектом. Инвар (сплав с 36% Ni ) обладает минимальным температурным коэффициентом линейного расширения . Аномалия свойств, связанная с инварным эффектом, используется в промышленности для создания сплавов с заданным значением . Легирование инвара небольшими добавками, за исключением кобальта, приводит к повышению . Сплавы инварного состава обладают сильной зависимостью свойств, в частности теплового расширения, от структурного состояния. Поэтому путем пластической деформации и термической обработки можно управлять значением .
Сплавы с упругими аномалиями

В большинстве неферромагнитных металлов при повышении температуры модуль упругости понижается. Но в ферромагнитных металлах и сплавах на их основе во многих случаях имеет место возрастание модуля упругости при повышении температуры. Ряд сплавов обладает положительным температурным коэффициентом модуля упругости, слабо или совсем независящим от магнитного поля. К ним относятся ферромагнитные сплавы инварного класса на основе Fe — Ni, Co — Fe — Cr, Co — Ni — Fe — Cr, Fe — Pt; антиферромагнитные двойные сплавы элинварного класса Mn — Cu, Mn — Ni, Fe — Rh и тройные сплавы Fe — Cu, легированные Cr, Fe, Co, Mo и др. В антиферромагнитных сплавах на основе марганца в зависимости от состава наблюдается понижение модуля упругости, аномалия модуля упругости наблюдается и в сплавах на основе ниобия. В сплавах Nb — Ti, Nb — Zr, Nb — W и др. при определенных концентрациях составляющих его компонентов и соответствующих температурных обработках достигается близкий к нулевому значению температурный коэффициент модуля упругости.
Модуль упругости сплавов Fe — Ni изменяется в зависимости от содержания элементов по кривой с минимумом. Рост модуля упругости с повышением температуры является одной из интереснейших аномалий в сплавах с инварным эффектом. Это явление используется в промышленности для создания сплавов с низким температурным коэффициентом модуля упругости.
Прецизионные сплавы для криогенной техники

Необходимость в разработке двух групп прецизионных сплавов — прецизионных сверхпроводящих материалов и прецизионных криогенных конструкционных материалов возникла в связи с проблемой создания мощных и крупногабаритных сверхпроводящих устройств. Применение прецизионных сверхпроводящих материалов связано с эксплуатацией сверхпроводящих систем. Чтобы следить и управлять режимом работы таких систем, необходимы различные датчики (температур, поля, давления, расхода жидкого гелия и пр.), чувствительные элементы которых изготавливаются из прецизионных сверхпроводящих материалов.
В группу прецизионных сверхпроводящих материалов входят сверхпроводящие сплавы и соединения с заданным значением сверхпроводящих и нормальных параметров. Если для сильноточных сверхпроводящих материалов рабочими параметрами являются критическая плотность тока в определенном поперечном магнитном поле, критическое магнитное поле и температура сверхпроводящего перехода, то для прецизионных сплавов наряду с этими характеристиками рабочими параметрами могут быть электросопротивление, температурный коэффициент электросопротивления, теплопроводность, модуль упругости и другие свойства.
В группу прецизионных криогенных конструкционных материалов входят конструкционные материалы с заданным значением механических и физических параметров.
Магнитные прецизионные сплавы

К магнитным прецизионным сплавам относятся магнитомягкие (см. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ) и деформируемые магнитотвердые (см. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ) сплавы.
Магнитомягкие сплавы — ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса (см. ГИСТЕРЕЗИС) и малой коэрцитивной силой (см. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА). Магнитные свойства магнитомягких сплавов в постоянном поле определяются химическим составом, структурой и текстурой сплава после окончательной термообработки. Структурно-чувствительные свойства зависят также и от химического состава, типа, дисперсности и количества неметаллических включений, температуры испытаний, кристаллической структуры, анизотропии, дефектов кристаллической решетки и напряжений. Поэтому в процессе изготовления магнитомягких материалов можно путем технологических операций оказывать направленной воздействие на структуру, анизотропию, тип и количество примесей и другие факторы, достигая требуемое сочетание свойств и уровень магнитных свойств. В качестве примеров таких сплавов можно привести сплав системы Fe — Si — Al, обладающий высокой твердостью и износостойкостью, а также молибденовый пермаллой с повышенным коэффициентом прямоугольной петли гистерезиса и дифференциальной проницаемостью.
Деформируемые магнитотвердые сплавы делятся на 4 группы: сплавы для постоянных магнитов, сплавы для активной части роторов гистерезисных электродвигателей, для носителей магнитной записи и для элементов памяти. Для большинства применений форма петли магнитного гистерезиса сплавов должна быть как можно ближе к прямоугольной. Повышение магнитных и механических свойств сплавов в результате деформации происходит благодаря тому, что по всему объему происходит равномерное распределение ферромагнитной фазы. Повышенная однородность и мелкозернистая структура сплава, например, в системе Fe — Co — Ni — Al, получаемая при высоких степенях деформации, способствует улучшению механической обрабатываемости сплава и ряда других свойств. Деформированные сплавы могут проявлять аномально высокие характеристики в определенных температурных интервалах, которые используются при изготовлении изделий
Аморфные прецизионные сплавы

Основным достоинством аморфных прецизионных сплавов является простота их изготовления. Лента может быть вытянута из расплава, минуя сложные процессы технологического передела слитка: ковку, прокатку, промежуточные высокотемпературные отжиги и пр. В ряде случаев аморфные прецизионные сплавы превосходят по сочетанию свойств кристаллические прецизионные сплавы. Аморфные прецизионные сплавы, например, на основе Co — Fe — Si — B. обладают высоким электросопротивлением и уникальным сочетанием магнитных и механических свойств – высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и высокой механической жесткостью. Эти свойства определяют их преимущество при использовании в качестве магнитных экранов, сердечников, высокочастотных трансформаторов и др.
Среди других свойств аморфных прецизионных сплавов следует отметить высокое электросопротивления, низкий и отрицательный температурный коэффициент электросопротивления, высокие магнитострикционные свойства, коррозионную стойкость. Основным недостатком таких сплавов является метастабильность структуры и наличие последовательных состояний, отделенных друг от друга невысокими энергетическими барьерами, что может привести к переходам между этими состояниями под действием различных внешних факторов.
Приведенный перечень прецизионных сплавов далеко не полный. Создание новых прецизионных сплавов становится возможным, если в какой-либо системе обнаруживаются аномалия физических свойств. Возможные требования к прецизионным сплавам вытекают из особенностей их применения. Основные требования: миниатюризация с целью достижения заданных физических параметров сплава в микрообъемах, повышение энергоотдачи единицы объема (или массы) материала, повышение надежности, т.е. стабильность физических свойств во времени и при воздействии сложных условий эксплуатации, увеличение числа нормируемых параметров сплавов и развитие многофункциональности материалов, сращивание функций металла и функциональных узлов приборов.