содержанием никеля. Однако такого обогащения никелем недостаточно для

реализации элинварных свойств. Очевидно, важную роль в существенном

снижении ТКМУ играет второй процесс, связанный с растворением выделившихся

интерме-таллидов и дополнительным обогащением аустенита никелем. После

старения сплава Н23ТМ в интервале 450—500 оС выделяются частицы Ni Ti,

равномерно распределенные по объему мартенсита, в том числе и вблизи границ

кристаллов. Первые тонкие прослойки аустенита образуются на границах

кристаллов у-фазы, характеризующихся дефектностью и пониженной энергией

зарождения. Повышение температуры старения до 550 — 575 °С сопровождается

ростом толщины пластин и последовательным поглощением ранее выделившихся

вблизи границ высокодис-персных частиц интерметаллида< Следует отметить,

что размер пластин (50 — 200 им) существенно превышает размер частиц

(5—20 нм). Обнаружено, что частицы отсутствуют в этих пластинах, т.е.

растворены в у-фазе. Можно предположить, что на начальных стадиях

образования аустенита происходит частичное растворение фазы Ni Тi

(обогащенной никелем) , что приводит к появлению концентрационных

неоднородностей и локальному увеличению содержания никеля. Старение при

температурах выше 600 оС вызывает более полное растворение частиц интерме-

таллидов в аустените, выравнивание состава по никелю и, как следствие, к

увеличению значения ТКМУ.

Таким образом, элинварные свойства мартенситно-аустенитных сплавов типа

Н23ТМ являются следствием образования стабилизированного аустенита при

старении и обеспечиваются различием ТКМУ мартенсита и аустенита, примерно

одинаковых по абсолютной величине, но противоположных по знаку. Повышение

ТКМУ (-фазы связано с двумя причинами: обогащением ее по никелю в

соответствии с диаграммой состояния (на ранних стадиях а - Y-превращения) и

дополнительным локальным увеличением содержания никеля при неполном

растворении никельсодержащих интерметаллидов. Характерно, что наиболее

высокие элинварные свойства сплава Н23ТМ реализуются после старения при

525—560 °С 2 ч, обеспечивающего получение 40—50 % ферромагнитного аустенита

и неполное растворение интерметаллвда Ni Ti (аустенит этого сплава,

состаренного при 550 "С 2 ч, имеет точку Кюри

T=165 С).

Следует отметить, что в работе оценивали ТКМУ и количество (-

фазы двойных Fe—Ni-сплавов в различных температурных интервалах. После

закалки , обработки холодом сплавы Fe—(21—25) % Ni

имеют мартенситную структуру. Нагрев сплавов в интервале 500—650 °С

приводит к образованию 20— 60 % аустенита. Однако значения ТКМУ изменяются

M, после старения в указанном температурном интервале. Следовательно,

двойные железоникелевые сплавы, содержащие 21—25 % Ni, практически не

обладают элинварными свойствами. Содержание такого количества никеля в

сплаве является необходимым, но недостаточным условием для реализации

элинварности. Для существенного снижения ТКМУ сплавы Fe—(21—25) % Ni должны

дополнительно легироваться элементами, образующими никельсодержащие

интерметаллидные фазы при старении, которые будут растворяться при

последующем нагреве и обеспечивать локальное повышение содержания Ni в

аустените.

В связи с тем, что элинварные свойства обнаружены в настоящей работе в

сплавах типа Н23ТМ, а также ранее в сплаве 21НКМТ [3], можно отметить

следующее. Упрочнение указанных сплавов сопровождается выделением

интерметаллвда Ni Т1. Низкий ТКМУ обусловлен растворением этой никельсо-

держащей фазы и локальным обогащением аустенита по никелю. Известные

мартенситно-стареющие сплавы на основе Fe—Ni могут быть предположительно

разделены на две группы. Очевидно, элинварными свойствами будут обладать

сплавы I группы на основе Fe—Ni, легарованные одним из элементов Та, Nb, V,

Si, A1, упрочнение которых связано с формированием никельсодержащих

интерметаллидных фаз, а именно Ni Nb; Ni Та; NiV; NiAl [5, 7, 8]. Высокими

термоупругими свойствами, по-видимому, будут обладать сплавы, имеющие

комбинацию этих и других интерметаллидов. Для сплавов Я группы, в которых

при старении выделяются только фазы, не содержащие никель, типа Fe Mo, Fe W

[5] и др., а также для двойных нестареющих сплавов Fe—(21—25) % Ni

вероятность проявления элинварных свойств весьма низка.

Выводы. 1. Экономнолегированные бескобальтовые сплавы на основе

Fe—(23—25) % Ni обладают элинварными свойствами после нагрева в двухфазной

мартенситно-аустенитной области.

2. Высокий уровень прочности и упругости сплавов Н23ТМ, Н25Т2М обусловлен

выделением при старении в мартенсите дисперсных частиц интерметаллидной

фазы Ni Т1, а элинварные свойства связаны с образованием 40—55 %

стабилизированного аустенита.

3. Низкий температурный коэффициент модуля упругости сплавов на основе

Fe—Ni—Ti является результатом компенсации больших отрицательных значений

ТКМУ мартенсита и больших положительных значений ТКМУ аустенита. Высокие

показатели ТКМУ аустенита обусловлены повышенным содержанием никеля в нем

на ранних стадиях к - у-превра-щения и локальным обогащением у-фазы при

неполном растворении никельсодержащего интерметалли-да Ni Ti.

4. На бескобальтовом сплаве Н23ТМ после закалки и старения (без

деформации) получен следующий комплекс свойств

(= 1000-1100 Н/мм2, ТКМУ = -(10-30)- 10 -6 К. После предварительной

холодной деформации (30 %) механические свойства сплава Н23ТМ повышаются

(без изменения ТКМУ) Указанные свойства достигаются (как в деформированном,

так и в недеформированном состоянии) на прутках крупных сечений диаметром

20—100 мм.

5. Исследованный сплав существенно превосходит известные аустенитные

сплавы типа 44НХТЮ (Н44Х5Т2Ю) по уровню прочностных и упругих свойств, но

содержит никеля на 20 % меньше.

Магнитострикционные сплавы на основе никеля

При разработке нового магнитострикционного сплава необходимо выполнение

следующих условии:

достижение высоких магнитострикционных характеристик, повышение

механических свойств и электросопротивления, снижение скорости звука по

сравнению с аналогичными характеристиками никеля и Ni -4%Со-сплава. Из

магнитострикционных характеристик наибольшее значение имеют два параметра:

магнито-стрикция насыщения (т.е. предельно достижимое относительное

изменение размеров образца при статическом намагничивании) \, и

динамический коэффициент электромеханической связи k, определяющий степень

преобразования энергии переменного электрического токав механическую.

Магнитострикция насыщения X, характеризует предельно достижимую мощность

излучающего преобразователя, коэффициент электромеханической связи k -

электроакустический КПД. Предельная мощность преобразователя зависит также

от механической прочности материала, а КПД -от его электросопротивления.

Требования к магнито-стрикционным сплавам конечно не ограничиваются

перечисленными параметрами. Они включают также магнитную восприимчивость,

технологичность при штамповке, сопротивление усталости, коррозионную

стойкость в рабочих средах и др.

При введении 4-4,5 % Со в Ni коэффициент k заметно увеличивается за счет

резкого уменьшения энергии магнитной кристаллической анизотропии Е при 20

°С: от -5 мДж/см3 до 0. При этом магнитострик-ция А.,, согласно ряду

публикаций [1, 2], снижается от - (35-37)-10 -6 ( для чистого никеля) до

-(28-33)-10-6 Относительно небольшая магнитострикция "компенсируется"

увеличением коэффициента k от 0,25 до 0,44 соответственно. Двойной сплав Ni

- 4 % Со имеет невысокие прочность (на уровне чистого никеля) и

электросопротивление, что вызвало необходимость разработки более сложных

сплавов на основе этой системы [1, 3, 4]. Один из известных сплавов такого

рода - сплав "никоей", содержащий 2,5 % Со и 2 % Si -нашел применение в

гидроакустике [4]. Следует отметить, что хотя введение третьих компонентов

(Si, Cr) и

повышает прочность и электросопротивление, но приводит к снижению

магнитострикции.

Кардинальное повышение магнитострикции возможно за счет использования ее

кристаллографической анизотропии. Так, у чистого никеля магнитострикция

максимальна в направлении <100> и минимальна в направлении <111> (( = -55-

10 -6 и -27-10 -6 соответственно). Ранее уже предлагалось использовать для

изготовления магнитострикционных преобразователей никелевую ленту с

кубической текстурой [5], однако в то время не удалось создать промышленную

технологию ее производства. Проводятся также работы по усовершенствованию

альфера: повышение его пластичности путем специального легирования,

совершенствование технологии и увеличение магнитострикции за счет создания

оптимальной текстуры [б].

В последние годы институт "Гипроцветметобработка" при участии

Акустического института им. Н.Н. Андреева разработал сплавы на основе

системы Ni - 4 % Со, а также технологию получения из них

магнитострикционной ленты с сильной кубической текстурой. Влияние отдельных

легирующих добавок на магнитные и механические свойства подробно изучены

нами ранее [7, 8]. Исходя из данных [7, 8] с учетом приведенных выше

требований были выбраны две системы для создания магнитострикционных

сплавов:

Ni-Co-W и Ni-Co-Mn. Добавки марганца и вольфрама обеспечивают упрочнение

твердого раствора и рост электросопротивления при сравнительно небольшом

снижении магнитострикции. Одновременно оба компонента стабилизируют

текстуру {100} <001>, что позволяет получить максимальную магнитострикцию в

направлении прокатки ленты.

В настоящей работе' оптимизировали состав магнитострикционных сплавов.

Основная задача исследования - определение области составов, где энергия

анизотропии E = 0. Все эксперименты проводили при комнатной температуре.

Энергию анизотропии Е измеряли методом вращающегося феррозонда по

величине магнитомеханическо-го момента М [9] при одновременном контроле

текстуры. Из кривой М =(( a) при вращении зонда над поверхностью ленты на

угол от 0 до 2( с помощью электронного гармонического анализатора выделяли

вторую и четвертую гармоники Аг и А4. По данным [10], при кубической

текстуре .

Выплавляли ряд двойных и тройных сплавов системы Ni-Co-Mn, у которых

варьировали содержание Со и Мn в пределах 0-6 % с шагом 2 %. Это

соответствует схеме факторного эксперимента. Слитки массой 2 кг получали в

вакуумной индукционной печи. После горячей и холодной прокатки с

последующим отжигом из этих слитков получали ленты с сильной и острой

текстурой {100} <001> в отожженном состоянии, рассеяние не превышало 5°

(0,1). Амплитуду гармоник А4 калибровали по ленте чистого никеля с сильной

кубической текстурой и энергией анизотропии Е= -5

мДж/см3.

Для трехкомпонентной системы Ni-Co-Mn результаты измерения Е (Дж/см3) в

зависимости от концентрации компонентов аппроксимированы уравнением второго

порядка.

Из уравнения (1) получали формулы погрешностей, связанных со случайными

колебаниями состава:

dE/d[Co} » 16,7 - 2,5[Mn] - 2,2[Со];

dE/d[Mn] » 14,6 - 2.5[Со] - 2.6[Mn].

По этим уравнениям для ряда составов были вычислены значения энергии

магнитной кристаллической анизотропии Е и ее производных по изменению

концентраций компонентов сплава

Е характеризует "устойчивость" Е по отношению к колебаниям химического

состава сплава. Вычисления выполнены с шагом по концентрации Со и Мп 0,25-1

%. Кроме того, рассчитывали величину ( исходя из линейной зависимости от

концентрации компонентов.

Переходя к практическому выбору сплава, мы приняли, что сплав должен

удовлетворять условиям:

T.e. магнитострикция должна быть достаточно велика, а магнитная анизотропия

по крайней мере на порядок меньше, чем у чистого никеля. В то же время

желательно повысить устойчивость E т.е. добиться возможного уменьшения Е.

Как видно в изученной области составов изменяется в 4-6 раз. Минимальные

значения Е находятся в стороне от линии наименьшей анизотропии, однако

достаточно малую величину Е можно обеспечить и при Е = 0. Приведенные выше

условия выполняются у сплава НКоМц4-1, содержащего 3,5 % Со;

1 % Мп, остальное - Ni. Такой сплав имеет E = 0,7 мДж/cм3-%) (здесь

предполагается "усредненный" процент добавки).

Колебания концентрации кобальта, вызываемые угаром и ликвацией,

значительно меньше, чем марганца. С другой стороны, Ec, > Е'm, так что в

целом колебания содержания обеих добавок дают априори близкий эффект.

Аналогичное рассмотрение устойчивости магнитострикции по отношению к

составу приводит к тривиальному результату: поскольку концентрационная

зависимость магнитострикции линейна, ее производные во всей области

составов постоянны, следовательно нет оснований предпочесть по такому

Страницы: 1, 2, 3