Сплав железа с никелем: Сплав железа с никелем: его свойства и особенности
alexxlab | 01.06.2023 | 0 | Разное
Сплав железа с никелем: его свойства и особенности
Из этого материала вы узнаете:
- Понятие прецизионных сплавов
- Краткая характеристика железа и никеля
- История открытия сплава железа и никеля
- Процесс изготовления сплава
- Структура полученного сплава
- Физические и химические свойства сплава
- Сферы применения инвара
Инвар (сплав железа с никелем) просто необходим для создания высокоточных механических систем, одним из требований к которым является сохранение стабильных размеров при изменении температуры. Ни один из природных материалов такими свойствами не обладает.
Именно поэтому прецизионный сплав инвар сегодня настолько востребован предприятиями. Он применяется в самых разных сферах человеческой деятельности, например, в приборостроении, бытовой электронике. И адекватную замену ему пока не нашли.
Понятие прецизионных сплавов
Прецизионные сплавы отличаются от любых других тем, что в них основной металл обретает предварительно выбранные дополнительные характеристики.
Отдельно стоит сказать о прецизионных сплавах с «аномальными свойствами», как их принято обозначать. Их физические характеристики могут сохраняться либо претерпевают минимальные изменения под действием таких внешних факторов, как:
- температура;
- магнитное и электрическое поле, а именно здесь важны такие их свойства, как амплитуда, частота, фаза, поляризация;
- изменение уровня механической нагрузки;
- реактивные среды.
Чаще всего используются примерно двенадцать прецизионных сплавов, в том числе: элинвар, константан, перминвар, манганин, инвар. Инваром называется сплав никеля с железом, о котором говорится в данной статье.
Краткая характеристика железа и никеля
Железо в чистом виде имеет серебристо-серый цвет, является пластичным, ковким.
Его самородки обладают заметным металлическим блеском, кроме того, отличаются значительной твердостью. Электропроводность также находится на высоком уровне, ведь металл легко передает ток за счет свободных электронов.
Рекомендуем статьи
- Нержавеющий металл: добавки и компоненты
- Профиль резьбы: классификация
- Металлические шкафы для документов: от разновидностей до критериев выбора
Железо имеет среднюю тугоплавкость, становится мягким при температуре +1 539 °C, из-за чего утрачивает свои ферромагнитные свойства. Данный элемент является химически активным, поэтому в нормальных условиях быстро реагирует с другими веществами.
При повышении температуры эти свойства проявляются еще ярче.
Находясь на воздухе, окисляется, в результате чего на его поверхности появляется оксидная пленка – именно она останавливает дальнейшую реакцию. При повышенной влажности на железе формируется ржавчина, что не мешает металлу и сплавам на его основе активно использоваться в промышленности.
Самородки никеля встречаются в железных метеоритах, а в более привычных условиях этот металл находят в сочетании с другими химическими элементами. Если говорить точнее, то для получения сплава, состоящего из железа и никеля, последний компонент получают из сульфидных, медно-никелевых руд:
- никелин – помимо никеля, содержит мышьяк;
- хлоантит – белый колчедан, в составе которого есть кобальт и железо;
- гарниерит – силикатная порода с долей магния;
- магнитный колчедан – представляет собой смесь серы, железа, меди;
- герсдорфит – имеет мышьяково-никелевый блеск;
- пентландит – содержит серу, железо, никель.
Выбор метода для получения никеля из руды зависит от типа сырья. Стоит отметить, что в некоторых случаях интересующий нас металл выступает в роли второстепенного материала обогащения породы.
История открытия сплава железа и никеля
Инвар представляет собой сплав железа с никелем, причем на легирующий компонент приходится 36% от общей массы.
Этот металл появился в 1896 году во Франции, а его создателем стал физик Шарль Гийом, который искал доступный по цене материал для эталонов мер массы и длины. Прежде для их производства использовали дорогой сплав на основе платины и иридия.
За свое открытие физик был удостоен Нобелевской премии в 1920 году.
Название металла «инвар» переводится с латинского как «неизменный». Дело в том, что у сплава железа с никелем сохраняется постоянный коэффициент теплового расширения при температурах от -80 °С до +100 °C. Также этот металл обозначают как нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл.
Разнообразие названий объясняется тем, что инвар является торговым брендом французской компании Imphy Alloys. Ведь именно она первой начала промышленное производство данного сплава железа с никелем. Правда, наименование продукта звучит как «Invar 36».
Процесс изготовления сплава
По своим внешним характеристикам и на ощупь инвар похож на сталь.
И это вполне логично, ведь речь идет о сплаве черных металлов, где железо играет роль главной составляющей. В инваре содержится в пределах 0,01–0,1% углерода, но обычно это показатель находится у нижней границы, так как речь идет об очень чистом металле.
Для производства данного сплава железа и никеля применяют гальванический метод. Сопоставление свойств интересующих нас металлов показало, что создать инвар не так сложно. Но проблема оказалась в том, что в результате реакции железо переходит из двухвалентного в трехвалентное состояние. Этот побочный эффект и вызвал основные трудности при изготовлении столь важного сплава, приводя к сниженному выходу материала и понижению его физических характеристик.
Сократить негативный эффект удалось за счет комплекса добавок, содержащего органические вещества, кислоты, амины. Таким образом получили соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, улучшив качества материала.
Избавиться от осадка позволяет метод эффективной диффузии электролитического раствора. Последний содержит в себе сернокислое железо, борную кислоту, сахарин, сернокислый никель и сульфат натрия.
При использовании пластин никеля и железа важно учитывать размер пластины. В некоторых случаях соединения получают при помощи электрических печей.
Структура полученного сплава
При плавлении сплав железа с никелем представляет собой растворенное твердое железо в никелевой основе. За счет подобного соединения удается повысить температуру структурной устойчивости на 200 °С. Проникновение никеля в железо происходит при достижении +500 °С, а ускорение наблюдается только при +800 °С.
Составляющая FeNi3 является основным структурным элементом сплава, поэтому содержание никеля доходит до 55%. Данный эффект связан с температурой обработки материала. Стоит оговориться, что предельная доля никеля составляет 60%.
Немаловажно, что одно железо в составе сплава не позволяет придать материалу необходимые свойства.
Настолько важная временная стабильность инвара объясняется присутствием углерода и прочих примесей. К ним относятся кобальт, хром, углерод, марганец, фосфор.
Также в составе сплава железа с никелем может быть кремний, сера, алюминий, магний, цирконий, титан. Их доля во многом определяется спецификацией сплава и производством. Так, суперинвар включает в себя примерно 5% кобальта, что достигается за счет отказа от 5% никеля. В еще одном варианте сплава – коваре – присутствует 54% железа, 29% никеля, 17% кобальта.
Физические и химические свойства сплава
Основными физическими характеристиками сплава железа с никелем являются:
- температура плавления +1 430 °C;
- предел механической прочности 49 кгс/мм2;
- плотность стандартного сплава 8 130 кг/м³.
Названные физические свойства являются уникальными и связаны с химическими особенностями инвара:
- характерно выраженная однофазная структура;
- низкий коэффициент теплового расширения, так как во время повышения температуры общее тепловое расширение компенсируется магнитострикционным снижением объемного показателя.
Благодаря названным физическим, химическим характеристикам металл имеет такие важные положительные качества:
- повышенная устойчивость к механическим воздействиям, за счет чего из сплава железа с никелем можно изготавливать механизмы, функционирующие в условиях серьезных нагрузок;
- высокая внутренняя магнитная проницаемость элементов, состоящих из инвара;
- постоянный КТР, позволяющий применять металл для изготовления компонентов приборов, датчиков;
- способность сохранять неизменные характеристики даже в агрессивных средах;
- устойчивость к появлению ржавчины;
- пластичность.
Чтобы добиться еще более высоких показателей от сплава железа с никелем, применяют разные способы механической обработки. Так, для увеличения уровня прочности используют холодную пластическую деформацию с последующей термообработкой при низкой температуре.
Защитить металл от корродирования позволяет специальная полировка.
Сферы применения инвара
Этот сплав железа с никелем производят в виде проволоки, тонкой плоской ленты либо могут придавать иную форму по желанию заказчика. Например, иногда требуются небольшие листы, прутки, лента из инвара. В процессе изготовления удается улучшить свойства металла при помощи особых технологических условий, таких как плавка с последующей термической обработкой, специфическая деформация и обработка поверхности.
Разные виды инвара используют для создания переходов от металла к стеклу, производства мембранных емкостей, применяемых в процессе транспортировки сжиженного газа. В микроэлектронике сплав железо плюс никель играет роль подложек чипов, корпусов лазерных установок, волноводов. Не так давно появился надежный способ сварки инвара, за счет чего металл стал применяться в еще большем числе отраслей.
Поскольку речь идет именно о магнитном сплаве железа с никелем, что объясняется наличием внутреннего магнетизма у его основных компонентов, инвар активно используется в электротехнике. Он является материалом для постоянных магнитов, сердечников трансформаторов, электроизмерительных приборов, электромагнитов.
Кроме того, детали из него можно встретить в бытовой технике, например, телевизорах, радиоприемниках, аудио- и видеомагнитофонах и иногда в высокоточных маятниковых часах.
Данный сплав применяется в производстве деталей приборов, измерительной и экспериментальной аппаратуры, обеспечивая им способность сохранять линейные размеры при любых внешних условиях.
Без инвара сегодня не обходится производство датчиков, преобразователей энергии, он играет роль компонента в биметаллических элементах. Особые характеристики позволили использовать этот металл по его первоначальному назначению – как материал эталонов длины и массы.
Однако малые размеры деталей, сложность, высокая цена производства элементов из прецизионных металлов приводят к тому, что все оборудование, компоненты которого состоят из инвара, должно эксплуатироваться с особой осторожностью.
В современной промышленности используются только сплавы. Так, почти все добываемое в мире железо идет на производство чугунов и сталей. Это связано с тем, что сплавы превосходят чистые металлы по своим свойствам, ведь их характеризуют такие качества, как прочность, твердость, упругость, пластичность. А сплавы железа с никелем, помимо прочего, имеют магнитные свойства. На предприятиях их дополнительно усиливают за счет легирования.
Сплав железа с никелем: свойства инвара
Где используют? Сплав железа с никелем в основном применяется для производства высокоточных механических систем, когда крайне важна стабильность размеров деталей при колебаниях температуры. И для развития многих современных технологий он практически незаменим.
Как получают? Сперва у специалистов были некоторые проблемы с поиском достаточно простого и дешевого способа изготовления данного сплава. Но в итоге они разработали метод нивелирования побочного окислительного процесса с помощью особых электролитов.
СОДЕРЖАНИЕ
- Общая характеристика основных составляющих сплава
- История открытия инвара
- Свойства железоникелевого сплава
- Способы получения инвара
- Образующаяся на выходе структура сплава
- Преимущества инвара
- Сферы применения сплава
Общая характеристика основных составляющих сплава
Чистое железо — пластичный и ковкий серебристо-серый металл. В виде самородков, которые встречаются в природе, обладает большой твердостью и ярким блеском. Также этот металл характеризуется отличной электропроводностью, передавая ток посредством свободных электронов. Тугоплавкость железа средняя, оно становится мягким и утрачивает ферромагнитные свойства при температуре 1539 °C.
Этот элемент химически активен: легко вступает в реакцию при обычной температуре, а при нагревании — еще быстрее. Находясь на воздухе, железо покрывается слоем оксидной пленки, которая препятствует реакциям взаимодействия, однако во влажной среде быстро образуется ржавчина и развивается коррозия. Несмотря на эти недостатки железо и сплавы на его основе широко используются в промышленности.
Никель в виде самородных слитков присутствует в железных метеоритах. В природе встречается в комбинации с другими химическими элементами. Основное сырье для добычи никеля — сульфидные и медно-никелевые руды, содержащие мышьяк:
- гарниерит — силикатная порода с включениями магния;
- хлоантит — белый колчедан, имеющий в составе железо и кобальт;
- магнитный колчедан — комбинация серы с медью и железом;
- пентландит — руда, содержащая серу, железо и никель;
- герсдорфит — мышьяково-никелевая порода;
- никелин — мышьяковистое соединение.
Читайте также: «Технология сварки сталей»
Металл из руд извлекают с применением технологий, выбор которых зависит от типа сырья. В некоторых случаях никель представляет собой побочный продукт обогащения породы.
История открытия инвара
Cплав, состоящий из никеля и железа, получил название «инвар» (от латинского invariabilis — «неизменный»). Его создали в 1896 г., однако применение уникальным свойствам нашли гораздо позднее. За открытие инвара Шарль Гийом удостоился Нобелевской премии по физике. Этот сплав обладает качествами, которые оказались полезными при создании различных измерительных приборов.
Инвар характеризуется постоянным коэффициентом теплового расширения в диапазоне температур -82…+100 °C, поэтому сплав назвали именно так, но есть у него и другие наименования, например нило-аллой, вакодил, нилвар, радиометалл.
Читайте также: «Сварочная ванна»
Также инвар является торговой маркой французской компании Imphy Alloys, которая когда-то начала промышленное производство этого сплава.
Полное название выпускаемого продукта — Invar 36.
Свойства железоникелевого сплава
Как правило, при воздействии высоких температур металлы увеличиваются в объеме, а при охлаждении — уменьшаются. Инвар в определенном диапазоне температур за счет эффекта инварианта и ферромагнитных свойств имеет очень низкий коэффициент расширения (иногда нулевой или даже отрицательный).
В Российской Федерации производство инвара осуществляется по государственному стандарту. Наиболее широко и разнообразно используется сплав инвар 36Н.
Ниже перечислены физические свойства инвара:
- Низкий коэффициент теплового расширения, значение варьирует в диапазоне температур -80…+100 °C
- Температура плавления составляет +1430 °C.
- Механическая прочность — 49 кгс/мм2.
- Показатель плотности — 8130 кг/м3.
Все эти характеристики присущи сплаву железа с никелем благодаря его химическим свойствам. Он имеет выраженную однофазную структуру.
Низкий коэффициент теплового расширения обусловлен тем, что по мере повышения температуры материала вместо расширения происходит магнитострикционное уменьшение объема.
Читайте также: «Медные сплавы»
В сплавы, помимо железа и никеля, добавляют присадочные металлы, такие как хром, титан, молибден, вольфрам, алюминий. Эти составляющие влияют на физико-механические свойства будущего сплава, а именно:
- на механическую прочность, которая зависит от температуры среды применения и составляет 150–860 МПа;
- выносливость при постоянной нагрузке — до 190 МПа;
- коэффициент проводимости теплоты — при нормальной температуре он составляет 17,5–24,5 Вт/м2·К;
- модуль Юнга, который при нормальной температуре может иметь значения 2–19 ГПа;
- окислительную интенсивность — 170 г/м2·ч.
Чтобы усилить эти свойства и получить уникальный сплав, его обрабатывают различными механическими способами. Например, благодаря особой полировке материал приобретает коррозионную стойкость.
Прочностные характеристики инвара можно повысить с помощью холодной пластической деформации, а затем — термообработки при относительно низких температурах.
Читайте также: «Охлаждение металла»
Стойкость к агрессивным факторам внешней среды обеспечивается за счет нанесения специальных защитных покрытий. Таким образом, получают два типа улучшенных сплавов — нержавеющий инвар и суперинвар.
Способы получения инвара
Инвар — востребованный материал, в связи с чем возникла необходимость найти доступный способ его изготовления. Железоникелевый сплав получают гальваническим методом. Ученые при сравнении термодинамических характеристик обоих металлов предположили, что создать сплав будет просто.
Однако процесс оказался сложнее: химическая реакция сопровождается побочным процессом окисления — железо из двухвалентного становилось трехвалентным. Такое превращение отрицательно сказывается на свойствах сплава, вплоть до полной потери ценных качеств.
Эту проблему удалось устранить, добавляя в электролит комплекс, включающий органические кислоты и амины и формирующий малорастворимые соединения трехвалентного железа. Эта манипуляция позволяет повысить эластичность осадка. Чтобы выровнять его толщину, электролит перемешивают.
Для получения сплава железа с никелем применяют сульфатный электролит, в который входят (концентрация в г/л):
- сернокислое железо – 2;
- сернокислый никель – 60;
- кислота борная –25;
- сахарин – 0,8;
- лаурилсульфат натрия – 0,4.
Электролит работает при следующем режиме: кислотность — pH 1,8–2, температура — 40–50 °C, катодная плотность тока — 3–7 А/дм2.
Читайте также: «Брызги металла при сварке»
Анодами могут служить пластины, изготовленные из железа и никеля, либо металлургические сплавы этих металлов. При использовании пластин нужно соблюдать соотношение их площадей: железная пластина должна быть в 3 раза меньше никелевой.
Также используют солянокислый электролит следующего состава (концентрация в г/л):
- хлористое железо – 150–160;
- хлористый никель – 2–4;
- соляная кислота – 2–4.
Электролит работает при следующем режиме: температура — 50 °C, катодная плотность тока — 10 А/дм2.
Данный электролит имеет недостаток — при превышении показаний тока в процессе электролиза сплав насыщается водородом, в итоге изделия получаются более хрупкими.
Читайте также: «Сплавы железа»
Ученые разработали и другие технологии производства инвара, например применение фторборатного и сульфаматного электролитов. Благодаря им осадок выпадает быстро, имеет высокую эластичность и небольшие внутренние напряжения. Однако электролиты сложны по составу и дорого стоят, поэтому их использование в промышленности ограничено.
Как правило, сплав железа с никелем выпускают в виде проволоки или тонкой ленты.
На некоторых заводах из сплава формируют небольшие листы, толстые ленты или прутки круглого сечения.
Образующаяся на выходе структура сплава
Во время плавления твердое железо постепенно растворяется в никелевой основе. При этом структурная устойчивость повышается на 200 °C. Никель начинает проникать в железо при температуре 500 °C, ускоряется этот процесс при 800 °C.
Основным веществом, составляющим структуру сплава, является FeNi3. Содержание в нем никеля достигает 55 %, что и определяет температуру обработки сплава. Максимальное содержание никеля в инваре — 60 %.
Необходимые характеристики материала обеспечиваются не только за счет железа в его составе. В сплав обязательно включают углерод для обеспечения стабильности сплава. Допустимо добавление в инвар некоторых других элементов: хрома, кобальта, магния, марганца, алюминия, титана, циркония, кремния, серы, фосфора.
Точная концентрация указанных веществ может быть различной в зависимости от назначения материала и способа производства. Например, в сплаве ковар процентное соотношение железо : никель : кобальт — 54:29:17.
Модификация суперинвар имеет в составе 5 % кобальта, при этом содержание никеля снижено на эту же величину.
Преимущества инвара
Железоникелевые сплавы обладают многими достоинствами:
- высокой устойчивостью к термическому воздействию;
- значительной механической прочностью, благодаря которой можно использовать сплав в механизмах, работающих в условиях высоких нагрузок;
- большим значением внутренней магнитной проницаемости деталей, изготавливаемых из сплава железа с никелем;
- возможностью эксплуатации в агрессивной среде;
- постоянным коэффициентом теплового расширения, позволяющим применять инвар в приборах и датчиках;
- стойкостью к коррозии;
- пластичностью.
Сплавы, состоящие из никеля и железа, обладают большой плотностью, однофазной внутренней структурой, незначительным коэффициентом теплового расширения, поэтому находят применение при монтаже ответственных конструкций.
Сферы применения сплава
Малый коэффициент теплового расширения — ключевой момент при выборе инвара для производства:
- несущих конструкций лазерных установок;
- проволоки и лент для геодезических работ;
- деталей часовых механизмов, хронометров, маятников;
- различного проката: холоднокатаной ленты, горячекатаного листа и прутка, кованых прутков, бесшовных труб;
- элементов контрольно-измерительных приборов.
Многим приборам необходимо сохранять свои линейные размеры в большом диапазоне температур, поэтому инвар при их изготовлении незаменим. Например, его используют в производстве мембранных танк-контейнеров, в которых транспортируют сжиженный газ; в переходах «стекло — металл»; при изготовлении цветных телевизоров (создание теневых масок для приемных трубок), корпусов лазерных приборов, волноводов, измерительной техники, применяемой в астрономии и сейсмологии.
Благодаря совершенствованию технологии сварки инвара появилась возможность сделать более широким его использование.
Например, в геодезии проволока из этого материала применяется для создания прецизионных нивелирных реек. Незаменима она и для высокоточных измерений небольших расстояний (примерно до 20 м) при возведении плотин и туннелей. Также из инвара изготавливают формы для ламинирования пластиковых деталей, армированных углеродным волокном.
Читайте также: «Сварка при низкой температуре»
Подавляющее большинство используемых в промышленности металлов представляют собой различные сплавы. Они обладают лучшими характеристиками, поскольку сочетают в себе ценные свойства компонентов, входящих в их состав. Например, при добавлении разнообразных присадок получают сплавы, отличающиеся повышенной твердостью, прочностью, пластичностью или упругостью. Сплавы железа с никелем обладают еще и магнитными свойствами, которые можно дополнительно усилить с помощью легирования.
Никель-железо | минерал | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы. - Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Связанный контент
Викторины
- Факты, которые вы должны знать: викторина по периодической таблице
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Большинство коллекционеров минералов не делают различий между минералами с индивидуальными названиями в этой группе и называют образцы железом или железо-никелем. Большая часть железа-никеля имеет внеземное происхождение в виде метеоритов. Ежедневно на Землю падают сотни метеоров, но большинство из них сгорает в атмосфере. Те немногие, что добираются до земли, обычно приземляются в воде, а те немногие, что приземляются на землю, как правило, маленькие. Метеориты обычно содержат корку, которая образуется, когда они частично расплавляются (из-за тепла, выделяемого их скоростью) в атмосфере, и затвердевают, когда они остывают при приземлении.
Если образец необходимо промыть водой, его следует тщательно высушить.
– Ni 
Полоса блестящая.
Кристаллические системы минералов этой группы следующие: 
