Обоснование выбора материала для измерительных приборов

1.4 Термическая (химико-термическая) обработка материала

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагревания и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты. Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при температуре 20 -- 25 °С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25°С.

В сплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить структурно-чувствительные физические или химические свойства: увеличить удельное электрическое сопротивление или коэрцитивную силу, повысить коррозионную стойкость и др. Отпуск и старение -- термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

1 - Закалка, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор.

2 - Средний отпуск в течение 1 часа приводит к выделению мелкодисперсных фаз.

3 - Старение в течение 48 часов снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента б.

Углерод в процессе термической обработки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации, выделяясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента а. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента а у инвара достигается после закалки от 830 °С, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 °С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95°С в течение 48 ч снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента а.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа, называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента а.

2.Магнитно-твёрдые материалы

Магнитно-твердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях H > 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию В_r = 0,5 ? 1 и коэрцитивную силу H_c ? 560 кА/м.

Важной характеристикой магнитно-твердых материалов является максимальная удельная магнитная мощность max, которая в лучших материалах достигает значений. Удельная магнитная мощность при размагничивании изменяется от 0 до , как это показано на рис. 15.16, и соответствует половине произведения определенных на кривой размагничивания значений индукции Bx и напряженности Hx. Более выпуклая форма кривой размагничивания соответствует большей магнитной мощности. Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещением доменной стенки и вращением векторов намагничивания. Необратимость этих процессов приводит к несовпадению кривых намагничивания и размагничивания, а при перемагничивании к появлению петли гистерезиса. Существующие теории необратимость процессов намагничивания связывают либо со смещением доменной стенки, либо с вращением векторов. В последнем случае даются количественные закономерности, определяющие Нс. При различном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия каждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитно-твердых материалов основным процессом при размагничивании, видимо, является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет величины Нс, Вr и max . Для однодоменных кристаллов размагничивание идет только в результате вращения векторов намагничивания. Размер однодоменных кристаллов определяется формой кристалла, параметром кристаллической решетки и магнитными характеристиками (точкой Кюри , константой анизотропии К и намагниченностью насыщения Мs). Для железа диаметр однодоменного кристалла равен 0,05 мкм. Для однодоменных частиц значения Нс определяются различными видами анизотропии (табл.2). Значения Нс зависят от константы кристаллографической анизотропии К и намагниченности насыщения Мs. Наибольшее значение К и Нс среди рассматриваемых металлов имеет кобальт, а наименьшее - никель, поэтому кобальт используется в большинстве магнитно-твердых материалов. Влияние анизотропии формы на Нс велико для всех ферромагнетиков, и оно более сильное, чем влияние остальных видов анизотропии. Анизотропия формы вызывает появление размагничивающего поля Нр, так как магнитная система не замкнута. Такое противоположно направленное поле Hр уменьшает намагничивающее поле и тем самым увеличивает Нс. Величина Нр анизотропна, а поэтому для однодоменного неравноосного кристалла значение Нс зависит от отношения осей кристалла.

Таблица 2. Значения Н_с однодоменных кристаллов для различных видов анизотропии

Все описанное позволяет сформулировать требования к составу и структуре магнитно-твердых материалов. Преимущественное применение имеют сплавы, а не чистые металлы. Можно использовать однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов либо многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений. Для ферромагнитных включений желательна однодоменная неравноосная форма кристаллов; для неферромагнитных включений важны их количество и размер; ферромагнитная основа должна иметь различного рода искажения: структура - предпочтительно неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения; желательны остаточные внутренние напряжения. Перечисленные условия обеспечивают высокие значения Нс, Вr и max.

Свойства магнитно-твердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами и вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность при нагреве ограничивает применение магнитно-твердых материалов с неравновесной структурой.

Свойства магнитно-твердого материала определяют на образцах-кольцах. Полученные значения В_r и _max предельные, так как при иной форме магнита на незамкнутых концах возникает размагничивающее поле Н_р и свойства будут занижены.

2.3 Технология получения

Магнитно-твердые материалы для постоянных магнитов классифицируют по способу изготовления на литые, порошковые, деформируемые. Магнитно-твердые литые материалы.

Ими являются сплавы Fе-Ni-Аl на основе железа. Сплавы при 20 °С в своей структуре содержат ферромагнитную фазу в1 с большим содержанием железа, вкрапленную в слабоферромагнитную фазу в2. При термической обработке высокотемпературная фаза в испытывает превращение в в1 +в2, в результате чего удается получить однодоменные кристаллы ферромагнитной фазы в1 пластинчатой формы, которая обеспечивает большие значения Нс, Вr и max.Закалка включает нагрев до температур 1200-1280 °С (в зависимости от состава) и охлаждение с определенной критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающей наибольшую диспермность выделений фазы в1. При последующем отпуске (590-650 °С) происходит дораспад фаз и дополнительное улучшение магнитных свойств. Сплавы Fе-Ni-А1 содержат 12-35% Ni, 6,5-16% А1. Применяют сплавы, дополнительно легированные Си, Со, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава. Маркируют эти сплавы так же, как и стали. Магнитные свойства некоторых промышленных сплавов приведены в табл. 3.

Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитном поле (H > 120 кА/м). В таком случае пластинки в результате магнито-стрикционных напряжений растут вдоль поля и векторы намагничивания ориентируются в том же направлении. Материал после термической обработки приобретает магнитную анизотропию, что значительно увеличивает Нс и max. Наибольший эффект от такой термомагнитной обработки (80%) получен на сплавах с повышенным содержанием кобальта.

Таблица 3. Магнитные свойства литых сплавов Fе -- Ni -- А1 для изготовления магнитов (ГОСТ 17809-72)

К недостаткам литых сплавов Fе- Ni-А1 относятся их повышенная хрупкость и высокая твердость, что исключает все виды обработки, кроме шлифования. Этих недостатков лишены спеченные сплавы Fе-Ni-А1.

Порошковые магнитно-твердые материалы

Сплавы Fе-Ni-Al получают спеканием порошков металлов при 1300°С в атмосфере аргона или иной защитной атмосфере. Для обеспечения высоких значений Вr и max сплавы не должны быть пористыми. Порошки используют мелкодисперсные и желательно неравноосные. Магнитные свойства спеченных сплавов (после тех же видов термической и термомагнитной обработки, которые применяют и для литых сплавов) приведены в табл. 4.

Таблица 4. Магнитные свойства . спеченных сплавов Fе - Ni -А1 для изготовления магнитов (ГОСТ 13596-68)

Такие сплавы используют для мелких и точных по размеру магнитов. По составу спеченные сплавы близки к литым, но по магнитным свойствам несколько уступают им. Цифра в марках сплавов является порядковым номе ром, буквы ММК обозначают: магнит металлокерамический.

Магнитно-твердые ферриты также получают спеканием порошков оксидов Fе, Ba и Со. По своим магнитным свойствам (_max и особенно В_r) они уступают литым сплавам Fе-Ni-А1. Однако, будучи диэлектриками, они могут использоваться как постоянные магниты в высокочастотных магнитных полях без тепловых потерь. Значение Н_с у ферритов значительно выше, чем у литых сплавов. Это связано с наличием в структуре однодоменных неравноосных порошков оксидов.

Магниты из РЗМ изготовляют из кристаллов промежуточных фаз редкоземельных металлов с кобальтом, состав которых отвечает формулам RСо₅ и R₂,Co₁₇, где R - редкоземельный металл. В их числе самарий Sm, празеодим Рr, иттрий Y.

В производстве магнитов из РЗМ наибольшее распространение получил метод жидкофазного спекания тонких порошков с размером частиц ~ 10мкм. Для получения большой плотности к порошкам из фаз, указанных в табл. 5 добавляют сплавы этих элементов. Температура плавления таких сплавов должна быть ниже температуры спекания порошков. В процессе спекания сплав расплавляется и заполняет микропоры. Например, к порошкам SmСо₅, в которых 37,5% Sm, добавляют сплав состава 60% Sm и 40% Co. Для получения анизотропии порошки прессуют в магнитном поле.

Таблица 5. Магнитные характеристики соединений РЗМ

В табл. 5 приведены значения константы анизотропии К, намагниченности насыщения М_s при 20 °С четные значения коэрцитивной силы Н_сМ. Значение К у таких фаз на два порядка больше, чем у железа. Это даёт основание считать, что процесс размагничивания идет в результате вращения векторов намагничивания и Н_сМ с определяется кристаллографической анизотропией.

Названные соединения РЗМ с кобальтом имеют кристаллические решётки с малой симметрией (гесагональная или тетрагональная), что и определяет большие значения К и Н_сМ.

Деформируемые магнитно-твердые сплавы.

Сплавы на основе пластичных металлов Fе, Со, Сu, их марки и магнитные свойства приведены в табл. 6 Сплавы подвергают обработке давлением, что позволяет использовать их как магниты в виде тонких лент и проволоки. Хорошие магнитные свойства получают после закалки и старения, что объясняется получением мелкодисперсных ферромагнитных фаз в немагнитной основной фазе. В процессе пластической деформации в хромко, кунифе и викаллое возможно формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплав кобальта с платиной характеризуется высоким значением H_с, его магнитная мощность _max близка по значению к _max литых сплавов Fе-Ni-А1. Единственный недостаток сплава - содержание драгоценного металла, что ограничивает его применение.

Таблица 6. Магнитные свойства деформируемых сплавов для изготовления магнитов

Высокоуглеродистые стали с содержанием > 1 % С имеют структуру мартенсита с мелкодисперсными неферромагнитными включениями цементита после закалки и низкого отпуска, что обеспечивает хорошие магнитные свойства. Относительно высокое значение Н_с определяется наличием анизотропии формы мелких кристаллов мартенсита (пластинок) и большим количеством неферромагнитной фазы Fе₃С. Образование больших упругих напряжений в результате получения пересыщенного твердого раствора, каким является мартенсит, создает дополнительно магнитно-упругую анизотропию. Большим достоинством сталей для постоянных магнитов является их низкая стоимость и технологичность в отношении горячей обработки давлением и резанием. В связи с этим они успешно используются в магнитах больших размеров. Для увеличения прокаливаемости сталь легируют хромом. Дополнительное легирование кобальтом и молибденом улучшает магнитные свойства, однако магнитная мощность остается невысокой (_max< 2,4 кДж/м³,табл. 7). Стали склонны к магнитному и в особенности, к структурному старению. В марках буква Е указывает, что сталь магнитно-твердая. Остальные буквы обозначают легирующий элемент и его содержание в процентах.

Таблица 7. Магнитные свойства сталей для изготовления магнитов (ГОСТ 6862-71)

2.4 Область применения

Магнитно-твердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Свойства магнитно-твердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами и вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность при нагреве ограничивает применение магнитно-твердых материалов с неравновесной структурой.

Заключение

Для выполнения данной работы использовались справочные материалы о конструкционных и магнитно-твёрдых материалах.

При решении задачи о выборе конструкционного материала, был принят сплав 36Н (инвар), так как он наиболее полно удовлетворяет предъявленным требованиям. Также в работе приведено полное описание выбранных материалов, технология их получения, обработка и свойства, присущие тому или иному образцу.

Литература

1. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидоров, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. И доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с., ил.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - 3-е изд, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528с.

3. Материалы в приборостроении и автоматике. Под ред. Пятина Ю. М.

4. Фиргер И.В. Термическая обработка сплавав: справочник. - Л.: Машиностроение, 1982. - 304с.

5. Кадыкова Г.М. и др. Материалы для производства изделий электронной техники. - М: Высшая школа, 1987.

Размещено на Allbest.ru