Особенности сплава железа и никеля

Ежедневно человеку приходится сталкиваться с изделиями из металлов, которые отливают на металлургических предприятиях. Практически все они состоят из разнообразных соединений, которые имеют в составе не менее двух элементов. Получают их благодаря плавлению или гальваническим методом. Сплав железа и никеля был получен с помощью второго метода.

История открытия

Железоникелевый сплав был открыт в конце 19 века французским ученым физиком, которого звали Шарль Гийом. В результате поиска способа получения дешевого металла для эталона длины и веса, он смог создать соединение двух элементов, которое до этого не удавалось получить. До его разработок такие детали изготавливали из дорогих сплавов из платины и иридия. Сейчас в состав материала входит 64% железа и 36% никеля. За это достижение в 1920 году ученый был удостоен премии Альберта Нобеля.

Распространенное соединение данных металлов называется «инвар», в переводе с латыни значит неизменимый. Он имеет постоянный коэффициент теплового расширения при вариации рабочей среды от -80°С до 100°С. Соединение имеет и другие наименования: суперинвар и нержавеющий инвар. Отличаются они процентным содержанием легирующих добавок. Инвар применяется в приборостроении.

Состав и структура

В процессе плавления внутренняя структура соединения представляет собой растворенное твердое железо в никелевой основе. Благодаря такому соединению температура структурной устойчивости увеличивается на 200°С. Процесс проникновения никеля в железо начинается при 500°С, ускорение происходит лишь при 800°С.

Составляющая FeNi₃ считается основной структурной составляющей, в результате никель приобретает соотношение до 55%. Данный эффект определяет температурный показатель обработки материала. Наибольшее содержание Ni в сплаве не превышает 60%.

Следует помнить, что присутствие одного железа в материале не даст требуемых характеристик сплава. Для их улучшения в состав соединения добавляют такие элементы, как хром, вольфрам, молибден, марганец и кремний. Чтобы получить необходимую структуру сплава, следует применять механизм дисперсионного затвердевания. Термическая обработка используется лишь для того чтобы увеличить структурные размеры зерен и понизить внутренние напряжения в материале, которые будут возникать при замещении в кристаллической решетке железа никелем.

Наличие внутреннего магнетизма у данных металлов поспособствовало тому, что удалось изготовить магнитный сплав железа с никелем. Его применяют в электротехнике при производстве сердечников электрооборудования, магнитов и электромагнитов, а также приборов измерения, основанных на данном эффекте.

Характеристики и свойства сплава

Кроме железа и никеля в сплавах применяют такие металлы, как хром, алюминий, вольфрам, титан, молибден и алюминий. В результате добавления данных элементов добиваются следующих физико-механических свойств:

• механическая прочность, в зависимости от температуры среды применения — от 150 до 860 Мпа;
• коэффициент проводимости тепла при нормальной температуре имеет значение от 17,5 Вт/м²*К до 24,5 Вт/м²*К;
• стойкость к действию температуры до 1350°С;
• выносливость при постоянной нагрузке до 190 Мпа;
• модуль Юнга при нормальной температуре — от 2 Гпа до 19 Гпа;
• окислительная интенсивность — 170 г/м²*ч;
• средняя плотность — 8130 кг/м³.

Сплав железа с никелем обладает высокой жаропрочностью и поддается обработке после плавления, в результате чего поверхность защищают от действий коррозии. Их можно обрабатывать различными видами сварки, материал обладает пластичностью и стойкостью к окислениям агрессивных сред.

Изготовление

Сплав железа и никеля изготавливают гальваническим методом. Ученые при сравнении характеристик двух металлов пришли к выводу, что создать материал легко. Однако при протекании реакции железо из двухвалентного переходило в состояние трехвалентного, такой эффект стал побочным, чем показал практические трудности изготовления инвара.

Протекание негативных процессов снижает выход материала, при этом понижаются его физические свойства. Данные отрицательные явления решили применением комплекса специальных добавок, в которые входят органические соединения, кислоты и амины. При добавлении веществ удалось добиться соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, в результате чего характеристики материала улучшились. Для того чтобы убрать разброс осадка производители используют метод эффективной диффузии электролитического раствора.

В состав раствора входят такие вещества, как железо сернокислое, кислота борная, сахарин, никель сернокислый и сульфат натрия. При использовании пластин никеля и железа следует ориентироваться на размеры пластины. Иногда соединения выплавляются в электропечах.

Применение сплава

Сплав железа и никеля изначально изготавливают в виде проволоки, а иногда в виде ленты малой толщины. Иногда сплав производят на заводах в форме листов небольших размеров, круглых прутков и ленты повышенной толщины. Свойства улучшают с помощью специальных технологий:

• плавления;
• термической обработки металла после плавки;
• деформирования поверхности;
• финишной обработки.

Материал широко применяется в приборостроении, где необходимо соблюдение условия, при котором детали не меняют своих характеристик при изменении температуры окружающей среды. Из сплава производят элементы датчиков и часть биметаллических конструкций, а также эталоны длины и массы благодаря улучшенным характеристикам.

Соединение нашло свое применение в бытовой электронике, а также некоторых элементах маятниковых часов. Сложность изготовления материала требует аккуратного обращения с аппаратурой, в которой оно используется.

Достоинства и недостатки

Железоникелевые соединения имеют следующие преимущества:

• повышенная механическая прочность, которая позволяет применять сплав в механизмах, работающих при повышенных нагрузках;
• устойчивость к воздействию высоких температур;
• высокая внутренняя магнитная проницаемость элементов, изготавливаемых из данного сплава;
• постоянный КТР, что дает возможность использовать соединение в приборах и датчиках;
• сохранение характеристик при эксплуатации в агрессивных средах;
• стойкость к коррозии;
• пластичность.

Железоникелевые соединения имеют однофазную внутреннюю структуру, высокую плотность и практически нулевой коэффициент теплового расширения. Такие свойства позволяют применять сплав в ответственных соединениях и узлах.