Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

Чистый никель ввиду очень низкой теплопроводности иногда применяется для изготовления разного рода держателей нагретых предметов, сочетая хорошую теплоизоляцию с высокой прочностью и достаточной электропроводностью. В частности, из никеля делаются держатели и проводники для кварцевых горелок дуговых ртутных ламп.

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

1.3 Сплавы вольфрама и никеля

Сплавы вольфрама и никеля представляют интерес, так как с ними связан один из наиболее ранних методов получения ковкого вольфрама. Сплав, содержавший 8% Ni, можно было протянуть в тончайшие нити для ламп накаливания, причем никель впоследствии улетучивался при нагревании. Этот сплав применялся до тех пор, пока не были разработаны современные методы обработки вольфрама. Никельвольфрамовые сплавы имеют также важное значение, так как являются основой ряда кислотоупорных сплавов. Никельвольфрамовые сплавы могут быть получены прессованием смеси порошкообразных металлов в штабики или в результате восстановления смеси окислов. Однако для того, чтобы получить нормальный сплав, необходимо не только их спекание, но и последующая плавка. Сплав, содержащий 60% Ni, не магнитен в том случае, если штабик только спечен, и магнитен, если он был расплавлен.

Множество исследований было проведено с целью изучения строения сплавов никеля и вольфрама, причем последняя диаграмма (по Эллингеру и Сайксу) показана на рис. 1.

1.4 Исследование диаграммы вольфрам-никель.

От точки плавления никеля кривая ликвидуса поднимается до пологого максимума (1505°) при 35% W, а затем падает до эвтектической температуры (1495°), причем сплав эвтектического состава содержит 45% W. Твердая фаза γ, выпадающая из расплава, является твердым раствором вольфрама в никеле. Максимальная растворимость при эвтектической температуре составляет около 40% W, снижаясь до 38% при 970° и до 32% при 800°. Максимальная растворимость никеля в вольфраме при эвтектической температуре составляет около 0,3%. По охлаждении до 970° протекает перитектическая реакция между α-фазой и богатым вольфрамом твердым раствором у с образованием промежуточной фазы β, содержащей около 43% W. Благодаря отмеченному изменению растворимости твердой фазы с падением температуры сплавы содержащие 32—45% W, показывают твердение, связанное со старением. Старение происходит очень медленно при температурах порядка 600°, но сравнительно быстро при 900°. Сопротивление никеля коррозии в серной кислоте очень сильно возрастает при сплавлении его с вольфрамом. Сплав, содержащий 18% W, показывает минимальное растворение, составляющее менее 1/4 от значения растворимости для чистого никеля.

 

Рис. 1 Диаграмма состояния никель-вольфрам

 

 

 

Рис 2. Кривая охлаждения сплава Внж 7-3

 

1.5 Сплав ВНЖ 7-3

Таблица 1. Химический состав сплава ВНЖ 7-3

Наименование компонентов	Массовая доля, %
Никель	от 6,8 до 7,4
Железо	от 2,8 до 3,4
Вольфрам	остальное

 

Таблица 2. Физико-механические свойства

Наименование параметра	Норма
1) Плотность, г/см3	от 16,6 до 17,35
2) Временное сопротивление  разрыву, кг/мм2, не менее:	70
3) Относительное удлинении при растяжении, % не менее	3
4) Твердость, HRc	от 20-30
5) Разноплотность в пределах одной заготовки цилиндрической формы г/см3, не более	0,7

 

Сплав ВНЖ 7-3 – тяжелый  сплав на основе вольфрама ( хим. состав  представлен в таблице 1). Производство сплава ВНЖ 7-3 относится к порошковой металлургии(физико механические свойства представлены в таблице 2), в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. Исходную смесь, содержащую не менее 95 мас.% вольфрама, остальное - никель и железо с массовым отношением между ними 7:3, измельчают до получения однородной порошковой смеси с размерами частиц порядка 100 нм путем высокоэнергетического помола с обеспечением механической активации частиц. Соотношение массы мелющих шаров и массы исходной порошковой смеси составляет 10:1. Заготовки порошковых изделий формуют прессованием в гидростате при давлении порядка 50 МПа и подвергают электроимпульсному плазменному спеканию в твердой фазе с нагревом в вакууме со скоростью 100-300°С/мин. Полученное изделие имеет предел макроупругости не менее 2000 МПа, предел текучести не менее 2500 МПа, при плотности ~18,0 г/см3, и нанодисперсную структуру с размерами частиц не более 500 нм. Концентрация атомов вольфрама в твердом растворе «никель-железо»зерен γ -фазы на основе никеля, механически легированной вольфрамом, составляет до 20,4 мас.%. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Технология производства относится к нанотехнологии порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама, и может быть использована для улучшения их механических свойств в широкой области применения с повышенными требованиями к прочностным характеристикам изделий.

Назначение порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в значительной степени определяется механическими свойствами указанного конструкционного материала, область использования которых недостаточно широка в связи с ограниченным сочетанием прочностных и пластических свойств тяжелых вольфрамовых сплавов, полученных традиционным методом порошковой металлургии (жидкофазным спеканием).

Так, известно для сплава (W - 93%, Ni - 4,9%, Fe - 2,1%) с плотностью - 17,52 г/см3, полученного методом порошковой металлургии спеканием при 1500°C в течение 30 мин с последующим вакуумным отжигом при 1100°C, следующее сочетание механических свойств: предел прочности - 996 МПа и относительное удлинение - 23% . При этом уровень техники в отношении порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама характеризуется технологическим решением задачи изготовления таких изделий из рассматриваемого сплава либо с высокой плотностью для защиты от гамма-излучения, в качестве мощных электродов и других, либо с приемлемой прочностью для изготовления головок и корпусов боевых снарядов.

Причем во втором случае для увеличения прочности и пластичности тяжелые сплавы на основе вольфрама упрочняют рекристаллизованными вольфрамовыми нитями или проводят другие технологические операции по модифицированию структуры сплавов, что усложняет технологию изготовления изделий из них.

Примером изготовления изделий, относящихся к первой группе, является известный способ изготовления спеченных изделий на основе вольфрама с добавками никеля, в результате прессования гидростатическим давлением 0,2-1,0 ГПа высокодисперсных порошков вольфрама с размерами частиц 0,05-0,5 мкм после добавки к ним никеля, последующего предварительного спекания в водороде при 1000°C в течение 30 мин и окончательного спекания в вакууме при 1300°C в течение 1 ч и получения образцов с плотностью до 18,9 г/см3.

Примером изготовления изделий, относящихся ко второй группе, является известный способ изготовления заготовок из смеси порошков на основе вольфрама, включающей непрерывное послойное спекание с подпрессовыванием каждой порции смеси порошка с частью изготавливаемой длинномерной заготовки путем индукционного нагрева в среде водорода до температуры 1700-2000°C. В результате материал длинномерных заготовок имеет следующие физико-механические свойства: предел прочности ~1020 МПа, относительное удлинение ~27% и плотность ~17,1 г/см3, что определяет область использования заготовок - при изготовлении корпусов бронебойных подкалиберных снарядов, потребность которой в повышении прочностных характеристик материала таких изделий - очевидна и актуальна.

Технический результат использования данной технологии - повышение эффективности улучшения механических свойств порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в результате значительного повышения прочности при приемлемой пластичности за счет задействования предлагаемых особенностей наноструктурного механизма диспергирования и спекания порошковой смеси и при повышении технологичности получения данных изделий и целевых возможностей их использования, вытекающих из получаемого нового сочетания улучшенных механических свойств и высокой плотности указанного перспективного материала для специализированных изделий.

Сплав ВНЖ 7-3 применяется: для изготовления мелких и средних изделий массой до 2,0 кг различных форм, используемых в приборостроении и при производстве оборудования специального назначения для защиты от проникающей радиации и жестких рентгеновских излучений; деталей оборонной промышленности; медицинского рентгеновского оборудования; деталей приборов прикладной, экспериментальной и ядерной физики; балансиров и гирокомпасов в приборах для ориентации в пространстве.

1.6 Термическая обработка  вольфрамоникелевых сплавов.

Термообработка вольфрамовых сплавов  мало изучена. . Вольфрам обжатый при прессовании на 60-75%, отжигается при температуре 1200-1400 °С. Продолжительность отжига определяется заданной температурой а так же размерами заготовки. Считается, что заготовки из вольфрамоникелевых сплавов охрупчиваются в рекристаллизованном состоянии. Рекристаллизационная хрупкость не является природным свойством этих металлов, а связана с перераспределением примесей при рекристаллизационном отжиге. Рекристаллизационный отжиг вольфрама высокой частоты по примесям внедрения должен приводить не к охрупчиванию а к увеличению пластичности, как это наблюдается у всех остальных металлов. Рекристаллизационный отжиг вольфрамовых сплавов заключаеться в нагреве до температуры рекристаллизации, выдержке и медленном охлаждении отжиг производиться в атмосфере водорода.

Анализ диаграмм состояния показывает, что имеется значительная температурная зависимость предельной растворимости многих металлов м  примесей внедрения в вольфраме ,в твердом состоянии. Это обстоятельство создает возможность изменения механических свойств сплавов путем закалки и старения.

При отжиг проволоки из сплава ВНЖ 7-3, с увеличением температуры отжига повышается температура перехода вольфрама в хрупкое состояние. Доказано, что резкая закалка вольфрама из области твердого раствора (с 2500° в жидком азоте) на много повышает пластичность и снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние на 200—300° вследствие перевода неметаллических примесей в твердый раствор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №2.

Сравнить свойства нихромовых сплавов с разным химическим составом, и выбрать сплав обладающий наибольшей электропроводностью.

2.1 Нихро́м — общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55—78 % никеля, 15—23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия.

Физический свойства

Плотность нихрома, г/	8,4
Температура плавления, °С	1400
Удельное сопротивление нихрома, Ом·м	1,09±0,05
Твердость НВ, Мпа	140-150
Удельная теплоемкость, кДж/кг·К при 25°С	0,44
Предел прочности на разрыв Н/мм	686-736
Максимальная температура продолжительной работы, °С	1200

 

2.2Применение

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05—1,4 Ом·мм²/м), имеет минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Он имеет повышенную жаропрочность, крипоустойчивость, пластичность, хорошо держит форму. Нихром — дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Основная продукция (заготовки), сфера применения

Основной сортамент заготовок из нихрома – это нить, проволока, лента и полоса.

Проволока и лента являются очень востребованными изделиями для электротехнических работ. Полоса и нить из нихрома имеют высокую пластичность и применяются в приборостроении, автоматике и других областях техники. Нихромовая проволока и нихромовая лента применяются в основном в качестве химически стойкого и жаропрочного сплава при создании различных нагревательных и резисторных элементов. Проволока представляет собой изделие, имеющее круглое поперечное сечение. Диаметры нихромовой проволоки лежат в интервале от 0,01 до 12 мм. Мелкие размеры, от 0,01 до 0,1 мм часто называются микронными. Как правило, проволоки изготавливаются и транспортируются намотанными на катушки или свернутыми в бухты. Проволока изготавливается с применением прокатки, прессования или волочения в точном соответствии с требованиями ГОСТ 25501-82 „Заготовки и полуфабрикаты из цветных металлов и сплавов. Термины и определения. Лента представляет собой изделие, имеющее толщину примерно от 0,1 мм до 4 мм. Более тонкие ленты — фольга. Поставляется в рулонах. Изготавливается лента/полоса с применением прокатки или специальным электролитическим способом с точным соблюдением требований ГОСТ 25501-82. Полоса представляет собой изделие, которое имеет прямоугольное сечение. Конечная длина 2-3 м или более. Толщина изделия может составлять от 0,1 мм. Изготавливают полосу, используя метод прокатки или разрезки листов по ГОСТ 25501-82. Нихромовая лента и нихромовая проволока успешно применяется в настоящее время в запайщиках пакетов и в качестве нагревательного и режущего элемента в термоножах, при производстве промышленных и бытовых электроприборов, в частности бытовых водо- и воздухонагревательных систем. Благодаря высокой пластичности нихром можно успешно использовать при „холодных“ методах обработки. Стоимость нихрома высока, и это, пожалуй, единственный его существенный недостаток. Однако, учитывая обилие полезных свойств, затраты на изготовление и приобретение изделий из нихрома окупаются сторицей. При производстве нихрома применяются самые последние достижения науки, которые значительно улучшают технико – эксплуатационные свойства проволоки, ее прочности и надежности. Сплавы нихрома обычно получают методом смешивания ингредиентов в расплавленном состоянии и последующего охлаждения. В том случае, когда расплавленные компоненты не взаиморастворимы, применяется способ их смешивания в порошкообразном состоянии и последующего спекания. Высокое удельное сопротивление нихромов (r = 1,08-1,13 мкОм•м) в сочетании с небольшим значением температурного коэффициента электрического сопротивления — 1,3•10-4 [1/°C], а также повышенная стойкость к коррозии и возможность работать в различных температурных интервалах – все это вместе взятое позволяет использовать нихром для создания широкого спектра изделий, которые могут работать в различных средах, вплоть до применения в газотурбинной авиации. За счет повышенной пластичности нихрома этот материал применяют также для сварочных и штамповочных работ. Благодаря высокой жаропрочности и хорошим показателям пластичности, возможности придания соответствующей формы, нихром часто применяется для создания различных нагревательных элементов, которые входят в состав специальных высокотемпературных муфельных электропечей. Высокое же электрическое сопротивление и возможность использования в условиях высоких температур позволяет применять нихром для изготовления различных резисторных элементов, в качестве подслоя и покрытия при газотермическом напылении.