§ 33. Никель и его сплавы

Никель плавится при 1455°С, обладает гранецентрированной кубической решеткой, при высоких температурах является парамагнитным материалом, ниже 360°С (точка Кюри) становится ферромагнитным. Главная особенность никеля состоит в его высокой стойкости в различных жидких и газовых средах до очень высоких температур. Это определяется как свойствами самого металла, так и защитным действием поверхностной окисной пленки. Особенности электронного строения никеля и отсутствие температурных превращений сделали его незаменимым материалом для сплавов с особыми магнитными свойствами.

Основная масса никеля расходуется на легирование сталей, которым он сообщает повышенную коррозионную стойкость, способность работать на воздухе при высоких температурах. Никель входит в состав сплавов на основе железа, обладающих высокой магнитной проницаемостью (пермендюры), большой магнитной индукцией и энергией (сплавы типа альнико для постоянных магнитов). Ввиду дефицитности и большой цены никеля непрерывно ведутся работы по замене и уменьшению его содержания в сплавах массового производства для того, чтобы высвободить этот металл для тех областей, где он совершенно незаменим.

Наиболее опасные примеси в никеле - кислород, сера и углерод. Диаграммы состояния кислород - никель и сера - никель характеризуются эвтектическими превращениями. И сера, и кислород в значительных количествах (несколько процентов) растворяются в жидком металле. Кристаллизация начинается с выпадения почти чистого никеля, а затем кристаллизуется эвтектика никель - сульфид никеля и никель - окись никеля. Эвтектика никель - сульфид никеля кристаллизуется при 644°С и появляется в структуре уже при 0,05% S. Примесь серы крайне опасна - вызывает "красноломкость" металла, которая делает невозможной горячую обработку давлением. Поэтому содержание серы в никеле не должно превышать 0,03 - 0,04%, а в лучших сортах металла эта примесь ограничена 0,001%. Сера попадает в металл из руды. Кроме того, она может появиться при использовании катодного никеля из-за остатков электролита, содержащего соли серной кислоты. Вредное действие кислорода выражается в охрупчивании металла и при низких температурах. Углерод хорошо растворяется в жидком никеле и при кристаллизации выпадает в виде частиц графита, появляющихся в ходе эвтектической реакции при 1318°С. Растворимость углерода в твердом никеле довольно велика (0,65%) при 1300°С, но она падает при снижении температуры. Поэтому примесь углерода ограничивается 0,1 - 0,25% для металла массового потребления и 0,01% для металла высокого качества. Кобальт, который всегда содержится в никеле, как естественная примесь, в большинстве случаев безвреден, так как входит в твердый раствор, не изменяя его свойств. Содержание кобальта в первичном никеле составляет 0,005 - 0,1% в зависимости от сорта металла.

Из никеля производят все виды деформированных полуфабрикатов. Горячую обработку его ведут при 1150 - 1250°С, отжиг - при 700 - 800°С. В отожженном состоянии никель имеет предел прочности 400 - 500 МПа, относительное удлинение 30 - 40%, НВ (70 - 90), после холодной деформации (70 - 80%) эти свойства составляют, соответственно 700 - 900 МПа, 2 - 4%, НВ (180 - 200).

Одним из наиболее распространенных коррозионно-стойких деформируемых сплавов на основе никеля является монель-металл НМЖМц-2,5-1,5, содержащий медь, железо, марганец в указанных в марке количествах. Монель-металл представляет твердый раствор на основе никеля, поэтому он хорошо поддается пластическому деформированию. Механические свойства монель-металла примерно совпадают со свойствами никеля, так же как и температура отжига, но горячая обработка производится при более низкой температуре (975 - 1150°С). Для работы в кипящих кислотах применяют сплавы никеля типа хастеллой (или нимо), содержащие около 20% Мо с добавками титана, ванадия, вольфрама (по 0,3 - 1,0%). Содержание углерода в этих сплавах ограничено 0,1%. Механические свойства хастеллоев определяются упрочнением твердого раствора на основе никеля и действием частиц промежуточных фаз на основе соединения Ni₃Ti. Закалкой и старением предел прочности этих сплавов можно довести до 1200 МПа при НВ 360.

Термоэлектродные никелевые сплавы хромель и алюмель являются самыми массовыми материалами для изготовления термопар, измеряющих температуру до 1000°С. Хромель НХ9,5 - это двойной сплав никеля с 9,5% Сr, алюмель НМцАК2-2-1 четвертной сплав никеля с 2% Mn, 2% А1, 1% Si. Оба сплава являются твердыми растворами и хорошо обрабатываются на проволоку - основной вид полуфабрикатов. Главная сложность производства этих сплавов заключается в обеспечении равномерного состава по всему объему слитка и однородного структурного состояния в готовом полуфабрикате.

Никель служит основой сплавов для нагревательных элементов электропечей сопротивления. Эти сплавы называют нихромами, они содержат, кроме никеля, хром или хром и железо. Двойной нихром X20H80 (80% Ni, 20% Cr) представляет твердый раствор, его удельное электросопротивление при 20°С равно 1 мкОм·м и при 1000°С - 1,16 мкОм·м. Сплав может длительное время работать при температурах до 1000°С. Столь высокая стойкость объясняется защитным действием окисной пленки. Нихром X15H60 содержит, кроме никеля и хрома, 25% железа, введенного ради экономии никеля. Эти сплавы широко применяются в качестве нагревателей открытых электропечей, работающих без защиты на воздухе. Их выпускают в виде ленты и проволоки.

Нихромы послужили основой для создания высокожаропрочных и жаростойких сплавов. Жаропрочностью называется способность материала выдерживать механические нагрузки при высоких температурах. При этом обязательно учитывается время действия нагрузки, поскольку значение прочности при разном времени до разрушения, например за 10, 100 и 1000 ч могут различаться в несколько раз. Жаростойкостью называют способность материала противостоять физико-химическому действию среды при высокой температуре. Для работы на воздухе жаростойкость совпадает с сопротивлением окислению.

Нихромы обладают хорошей жаростойкостью, но недостаточной жаропрочностью. Так, сплав X20H80 имеет длительную прочность σ⁸⁰⁰₁₀₀ всего 40 МПа. Повышение высокотемпературной длительной прочности достигается введением в сплавы нескольких компонентов, которые входят в твердый раствор и усложняют его. Кроме того, при содержаниях выше определенного предела они образуют химически прочные промежуточные фазы с переменной растворимостью в основном растворе - матрице. Это позволяет проводить закалку и старение сплавов, причем желательно, чтобы температура старения была близка к рабочей температуре, что уменьшает диффузионный массообмен между фазами в процессе работы.

Жаропрочные никелевые сплавы на основе никель- хромового раствора содержат добавки алюминия, титана, молибдена, вольфрама, ниобия, тантала (по 1 - 5%). В некоторые сплавы вводят бор (0,02%), существенно повышающий жаропрочность, по-видимому, в результате замедления диффузии основных компонентов по границам зерен. Разработаны деформируемые и литейные жаропрочные никелевые сплавы. Типичным деформируемым жаропрочным сплавом является ХН77ТЮР (старое обозначение ЭИ437Б), содержащий 77% Ni, 20% Сr, 2,5% Ti, 1% А1, 0,02% В и не более 0,06% С. В равновесном состоянии при 100 - 800°С сплав имеет двухфазную структуру. Матрица представляет твердый раствор всех легирующих элементов в никеле. Включения второй фазы являются твердым раствором двух очень термически устойчивых промежуточных фаз Ni3Ti и Ni3Al, который обозначается Ni₃(Ti, А1). Сплав закаливают с 1060 - 1090°С и подвергают старению при 700°С. После такой термообработки он обладает при 800°С следующими свойствами: предел прочности 550 МПа, удлинение 15%, длительная прочность σ⁸⁰⁰₁₀₀ = 200 МПа. Сплав ХН77ТЮР служит для производства поковок (диски и лопатки турбин). Литейный сплав ЖС6 содержит 12% Сr; 7% W; 5% Мо; 5% А1; 2,5% Ti; 0,15% С; остальное - никель. Он имеет многофазную структуру, состоящую из твердого раствора, сложных промежуточных фаз на основе Ni₃(Ti, А1) и сложных карбидов. Сплав подвергается закалке на воздухе с 1200°С. При 800°С он имеет длительную прочность σ⁸⁰⁰₁₀₀ = 350 МПа. Из сплава ЖС6 литьем по выплавленным моделям изготавливают лопатки газотурбинных авиационных двигателей.

В заключение уместно сказать о жаропрочных кобальтовых сплавах, способных работать при 900 - 1150°С. Эти сплавы очень дороги и используют их в исключительных случаях. Подобным отечественным сплавом является литейный сплав ЛK4, содержащий 28% Сr; 5% Мо; по 3% Fe и Ni; по 1% Si и Мn; 0,3% С; 0,01% В. При 1000°С сплав имеет длительную прочность σ¹⁰⁰⁰₁₀₀ = 60 ÷ 70 МПа.