Stopy niklu specjalnego przeznaczenia

Stopy niklu specjalnego przeznaczenia

Stopy niklu mają wiele wyjątkowych własności i wyspecjalizowanych zastosowań. Właściwości stopów zawartych w tej kategorii są związane z magnetyzmem i kształtem przedmiotów w odpowiedzi na zmiany temperatury.

Stopy niklu magnetycznie miękkie

Pod kątem właściwości magnetycznych metale można podzielić na pięć kategorii:

• Diamagnetyki
• Paramagnetyki
• Ferromagnetyki
• Ferrimagnetyki
• Antyferromagnetyki

Temperatura ma duży wpływ na właściwości magnetyczne. Wśród wszystkich metali, jedynie żelazo, nikiel i kobalt są ferromagnetykami w temperaturze pokojowej (rzadki gadolin traci je w +16 stopniach C).

Wszystkie ferromagnetyki tracą swoją podatność magnetyczną w miarę wzrostu temperatury. Gdy temperatura wzrośnie powyżej pewnej granicy, ferromagnetyk staje się paramagnetykiem. Ta granica nosi nazwę temperatury Curie.

Przenikalność magnetyczna ferromagnetyków zależy od natężenia przyłożonego pola magnetycznego. Po zdjęciu pola magnetycznego ferromagnetyki przejawiają magnetyzm szczątkowy. Magnesy przyciągają inne metale siłą właśnie magnetyzmu szczątkowego.

Stop ferromagnetyczny namagnesowany w danym kierunku wykazuje tak ukierunkowany magnetyzm szczątkowy po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Chcąc usunąć to namagnesowanie, trzeba potraktować stop polem przeciwnie zorientowanym, o określonej mocy, zwanym koercją. Jeśli to pole jest mocniejsze od koercji, stop namagnesowuje się w przeciwnym kierunku.

Każde przemagnesowanie wiąże się z nieodwracalnym rozpraszaniem energii, które określa się stratami histerezowymi.

Właściwości stopów magnetycznie miękkich

• Wysoka przenikalność magnetyczna początkowa µ
• Wysoka maksymalna przenikalność magnetyczna różniczkowa
• Stabilność przepuszczalności przy zmieniającej się temperaturze
• Duże nasycenie magnetyczne przy nieznacznym polu magnetycznym
• Natychmiastowa reakcja na zmiany pola magnetycznego
• Niska temperatura Curie
• Duża rezystywność, wpływająca na
• Małe straty energii związane z indukowaniem prądów wirowych pod wpływem prądu przemiennego
• Wąska pętla histerezy (opisującą proces namagnesowania i rozmagnesowania), wpływająca na
• Małą stratność magnetyczną / niskie straty histerezowe

Stopy magnetycznie miękkie, mówiąc krótko, łatwo jest namagnesować, rozmagnesować i przemagnesować.

Stopy magnetycznie miękkie niklu – zastosowanie

Przykładowe zastosowania zawierających nikiel stopów magnetycznie miękkich to:

• Rdzenie transformatorów związane ze sprzętem nagłaśniającym
• Wzmacniacze magnetyczne
• Przetworniki
• Rdzenie transformatorów radarowych
• Rdzenie silników synchronicznych i momentowych
• Cewki indukcyjne ładujące
• Ekrany elektromagnetyczne częstotliwości radiowej
• Kompensatory temperatury

Permalloy to wyjątkowy stop magnetycznie miękki, o pętli histerezy bardzo zbliżonej kształtem do prostokąta i dwóch wartościach remanencji. Dzięki temu służy do przedstawiania liczb w systemie dwójkowym w elektronice.

Szkła metaliczne magnetycznie miękkie

Szkła metaliczne magnetycznie miękkie wyróżniają się dużą opornością. Dzięki temu mają bardzo małą stratność i mogą pracować przy wysokiej częstotliwości.

Zawierające nikiel szkła metaliczne magnetycznie miękkie to:

• Metglas 40Fe-40Ni-14P-6B
• Metglas 40Fe-38Ni-4Mo-18B

Stopy niklu magnetycznie twarde

Stopy magnetycznie twarde wykorzystuje się do produkcji magnesów trwałych. Wykazują bardzo silny magnetyzm szczątkowy i niełatwo jest je rozmagnesować i przemagnesować.

Stopy typu Alnico to bardzo ważne stopy zawierające nikiel i używane na magnesy trwałe.

Stopy niklu o małej rozszerzalności cieplnej

Rozszerzalność termiczna polega na tym, że ciała zmieniają (prawie zawsze zwiększają) swoją długość lub objętość w odpowiedzi na zmianę temperatury. Wszystkie materiały są w jakimś stopniu poddane temu zjawisku.

Współczynnik rozszerzalności temperaturowej to względne wydłużenie danego materiału pogrzanego o 1 stopień K. Wylicza się go porównując dokładne pomiary przed i po podgrzeniu.

Ten współczynnik generalnie zmienia się w zależności od temperatury. Oznacza to, że wydłużenie metalowego prętu pogrzanego od 0 do 20 stopni C oraz wydłużenie tego samego prętu przy podgrzaniu go od 200 do 220 stopni C, nie są jednakowe.

Oprócz tego, współczynnik rozszerzalności temperaturowej większości metali i stopów jest dość wysoki i wynosi w temperaturze pokojowej mniej więcej od 5 do 25 μm/m ⋅ K. Przykładem przeciwdziałania wysokiej rozszerzalności temperaturowej stopów żelaza i stali są styki dylatacyjne torów kolejowych.

Stopy niklu o małej rozszerzalności cieplnej – zastosowanie

Biorąc pod uwagę powyższe informacje, stopy o małej rozszerzalności temperaturowej są zwykle stosowane tam, gdzie wymagana jest:

• Bardzo niska rozszerzalność cieplną (0 do 2 μm/m ⋅ K) w określonym zakresie temperatur lub
• Jednorodne i przewidywalne rozszerzenie w określonym zakresie temperatur.

Przykładowe zastosowania

• Oprzyrządowanie geodezyjne – pręty i taśmy geodezyjne
• Zegary – wahadła kompensacyjne i koła zamachowe
• Silniki – tłoki w silnikach o spalaniu wewnętrznym
• Urządzenia pomiarowe – Bi-metale, taśmy termostatyczne
• Szczelne połączenia szkło-metal – lampy elektronowe
• Przechowywanie i transport ciekłego gazu ziemnego (naturalnego) – zawory i rury
• Energetyka – systemy nadprzewodzące
• Elektronika – obudowy układów scalonych, elementy urządzeń radiowych i elektronicznych, maskownice w kineskopach telewizorów kolorowych
• Laserowe i optyczne urządzenia pomiarowe – obudowy i elementy konstrukcyjne

Wpływ dodatków stopowych

Stopy niklu o małej rozszerzalności cieplnej to głównie stopy żelaza z niklem. Z wyjątkiem stopu super-inwar, który działa w niewielkim przedziale temperatur, minimalny współczynnik rozszerzalności temperaturowej występuje przy stosunku 64Fe-36Ni (ów stop nosi nazwę handlową inwar). To minimalne rozszerzenie występuje jedynie dla określonego przedziału temperatur.

Dodatki stopowe pozwalają na przesunięcie przedziału temperatur z minimalnym rozszerzeniem cieplnym w kierunku wyższych lub niższych temperatur. Dodatki stopowe zwykle jednak podwyższają sam współczynnik rozszerzalności temperaturowej.

Mówiąc w skrócie i generalizując:

• Czysty stop żelaza z niklem – Umożliwia uzyskanie najniższego współczynnika rozszerzalności temperaturowej (inwar 64Fe-36Ni) w danym przedziale temperatur.
• Chrom, Mangan, krzem, wolfram i molibden – umożliwiają dodanie większej ilości niklu do stopu, czym przesuwają przedział minimalnej rozszerzalności w stronę wyższych temperatur. Podwyższają współczynnik rozszerzalności temperaturowej w stosunku do stopu inwar.
• Miedź, węgiel i kobalt – umożliwiają dodanie mniejszej ilości niklu, przesuwając tym samym przedział minimalnej rozszerzalności w stronę niższych temperatur. Podwyższają współczynnik rozszerzalności temperaturowej w stosunku do stopu inwar.

Stopy do połączeń z innymi materiałami

Bezpośrednie połączenia dwóch nieelastycznych materiałów o różnej rozszerzalności temperaturowej powoduje, że przy zmianie temperatury połączenie traci szczelność lub na te ciała działają duże siły, mogące je uszkodzić.

W związku z tym niektóre stopy są tak projektowane, by ich rozszerzalność temperaturowa dokładnie odpowiadała innym materiałom. Na przykład stopy typu kovar lub "glass-sealing" rozszerzają się w określonym zakresie temperatur dokładnie tak, jak pewne rodzaje szkieł i ceramiki. Z kolei stop typu "platinate" rozszerza się w pewnym zakresie temperatur identycznie jak platyna.

Umożliwia to tworzenie szczelnych, bezpośrednich połączeń tych materiałów, które zachowują szczelność przy zmianach temperatury. Takie połączenia nie wymagają użycia dodatkowych uszczelek i są bardzo trwałe. W przeszłości bezpośrednie połączenia szkło-metal występowały powszechnie w radiotechnice, w lampach elektronowych.

Tak precyzyjnie określony współczynnik rozszerzalności temperaturowej stopu uzyskuje się odpowiednio dobierając zawartość niklu i kobaltu w osnowie żelaza.

Stopy tytanowo-niklowe z pamięcią kształtu

Niektóre metale cechują się zdolnością do powracania do urzednio nadanego kształtu lub rozmiaru, zgodnie z efektem pamięci kształtu.

Efekt pamięci kształtu stwierdza, że stop ukształtowany w pewnej temperaturze i odkształcony w innej, powróci do pierwotnego kształtu, gdy zostanie podgrzany do początkowej temperatury.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu

Zastosowania tych stopów można podzielić pod kątem pożytkowanego zjawiska na wykorzystujące:

• Odkształcenie pod wpływem określonej temperatury – termostaty ekspresów do kawy, instrumenty medyczne, na przykład dożylne filtry grudek krwi.
• Ograniczone odkształcenie – trwałe połączenia hydrauliczne.
• Pseudoelastyczność – oprawki okularów, druty ortodontyczne.
• Właściwości fazy martenzytowej – amortyzatory antywibracyjne, narzędzia chirurgiczne przy operacji na otwartym sercu, przewody odporne na zmęczenie.

Stopy tytanowo-niklowe z pamięcią kształtu – skład

Podstawą takich stopów jest mniej więcej równy masowo międzymetaliczny stop niklu z tytanem. Inne, często stosowane dodatki stopowe to:

• Dodatkowe ilości niklu – silnie obniżają temperaturę przemiany martenzytycznej i zwiększają granicę plastyczności austenitu.
• Żelazo – obniża temperaturę przemiany.
• Chrom – obniża temperaturę przemiany.
• Miedź – zmniejsza histerezę i łagodzi naprężenia przy odkształceniach martenzytu.