Мельхиор и нейзильбер.

К типичным твердым растворам относятся медно-никелево-цинковые сплавы с 5—35% Ni и 13—45% Zn, известные под различными названиями, как то: нейзильбер, мельхиор, китайское серебро и т.п. Нейзильберы содержат никель и цинк в таком соотношении, чтобы получить однородный a-твердый раствор. В России чаще всего применяют нейзильбер с 15% Ni и 20% Zn. Нейзильберы обладают высокой пластичностью и применяются в виде лент, штампованных изделий, проволоки и т.п. Нужно отметить, что под названием мельхиор встречаются и сплавы, вовсе не содержащие цинка, например сплав с 80% Си и 20% Ni.

Для улучшения обрабатываемости нейзильберов резанием в них иногда вводят свинец, несмотря на то, что свинец в этих сплавах, как и в а-латунях, вызывает горячеломкость и делает их неподходящими для горячей обработки. Зато свинцовистые нейзильберы могут применяться для станочного изготовления мелких деталей для точной аппаратуры.

Электротехнические сплавы.

Поскольку никель является одной из важнейших составных частей большинства электротехнических сплавов, уместно здесь дать общую сводку электротехнических сплавов.

Из числа электротехнических сплавов можно выделить несколько групп, имеющих различное назначение и различные свойства:

• 1) сплавы для постоянных магнитов с большой коэрцитивной силой и высокой магнитной индукцией;
• 2) сплавы с высокой магнитной проницаемостью;
• 3) немагнитные сплавы ферромагнитных металлов;
• 4) сплавы для проводов с большой электропроводностью;
• 5) сплавы для реостатов с большим сопротивлением и по возможности с малым температурным коэффициентом;
• 6) сплавы для нагревателей электрических печей и других аппаратов с большим сопротивлением, малым температурным коэффициентом и большой жаростойкостью;
• 7) сплавы для точных измерительных приборов с большим сопротивлением, особенно малым температурным коэффициентом и с возможно малой величиной термоэлектродвижущей силы в паре с медью, поскольку медь является обычным материалом для контактов;
• 8) сплавы для термопар с большой жаростойкостью и большой термоэлектродвижущей силой в паре с каким-нибудь из доступных также жаростойких сплавов.

Сплавы первых трех групп уже рассмотрены в разделе о железных сплавах. Там же было указано, что из всех технически применяемых сплавов для постоянных магнитов наилучшими являются сплавы, содержащие никель, что основной сплав с высокой магнитной проницаемостью содержит более 70% никеля (пермаллой и др.) и что немагнитными (парамагнитными) сталями и чугунами в первую очередь являются никелевые аустенитные стали и чугуны.

Сплавы 4-й группы являются исключением и не содержат никеля вовсе. Это вполне понятно, так как высокая электропроводность есть свойство чистых металлов, а из чистых технических металлов наибольшей электропроводностью обладают медь и алюминий. Никель и в чистом виде обладает электропроводностью, равной всего 15% от электропроводности меди, а в сплавах, состоящих из твердых растворов, электропроводность падает еще сильнее. Зато именно на этом и основано самое широкое применение никелевых сплавов в качестве материалов 5, 6, 7 и 8-й групп по только что приведенной классификации.

В качестве материалов 5-й группы могут употребляться сплавы никеля с медью (константан с 59% Си, 40% Ni и 1 % Мп), никеля с железом (ферроникель) и, в случае если реостаты могут сильно разогреваться в работе, сплавы никеля с хромом или тройные сплавы Fe-Ni-Cr.

В качестве материалов 6-й группы следует применять сплавы никеля с хромом или сплавы Fe—Ni—Сг. Все эти сплавы, известные под общим названием нихромы, отличаются большой жаростойкостью и очень большим электросопротивлением (среди металлов, поддающихся механической обработке для изготовления проволоки). Рабочая температура нихромовых проволок может доходить до 1000— 1100 °С. Здесь уместно подчеркнуть, что жаростойкость является одним из важнейших свойств сплавов для нагревательных приборов. Дело в том, что само по себе большое омическое сопротивление при высокой температуре могло бы быть обеспечено и такими чистыми металлами, как железо или никель. Однако окисляемость этих металлов, вызванная отсутствием прочной защитной поверхностной пленки окислов, и переменность сопротивления при изменении температуры не позволяют их применять при температурах выше 600 °С для железа и выше 800—900 °С для никеля.

Нихромы бывают двойные (80% Ni, 20% Сг) и тройные (например, с 15% Сг и 16% Fe). Во всех нихромах имеется марганец, который добавляется как раскислитель, дегазификатор и десульфуризатор.

Удельное электросопротивление нихромов 1,1 — 1,2 Ом-мм²/м, т.е. примерно в 10 раз больше, чем у таких металлов, как платина и железо (-0,10 Ом-мм²/м) и в 20 с лишним раз больше, чем у вольфрама и молибдена (~ 0,05 Ом-мм²/м). Температурный коэффициент электросопротивления нихромов в зависимости от состава сплава и температурного интервала равен 0,0001—0,00001, т.е. в десятки и сотни раз меньше, чем у чистых технических металлов. Для измерительной аппаратуры нихромы все же не подходят, так как температурный коэффициент сопротивления у них еще слишком велик (особенно при температурах 20—200 °С), и они дают очень большую термоэлектродвижущую силу в паре с медью.

Помимо очень ценных электротехнических свойств нихромы обладают и высокими механическими свойствами, что в соединении с жаростойкостью делает их весьма интересными как конструкционный материал.

С нихромами конкурируют тройные сплавы (Fe—Сг—А1) на железной основе. Эти сплавы содержат около 4—7% А1, 15—35% Сг и небольшое количество углерода (до 0,10%). Имея даже более высокое сопротивление, чем нихромы, эти сплавы к тому же отличаются большей жаростойкостью, вызванной плотной пленкой окиси, богатой А1₂0₃. Рабочая температура этих сплавов может доходить до 1350 °С. Однако эти сплавы гораздо менее пластичны, чем нихромы, и труднее обрабатываются.

В качестве материалов 7-й группы из уже названных сплавов подходит только константан (59% Си, 40% Ni, 1% Мп). У остальных сплавов слишком высок температурный коэффициент электросопротивления. У константана единственным недостатком является большая термоэлектродвижущая сила в паре с медью. В этом отношении значительно выше стоят манганин и некоторые сплавы, не содержащие никеля. В то время как у константана на 1 °С разности температур возникает в паре с медью термоэлектродвижущая сила в 39 мкВ, у манганина (85% Си, 12% Мп, 3% Ni) термоэлектродвижущая сила 1—2, а у алюминиевого манганина (84% Си, 12% Мп, 4% А1) — всего 0,2 мкВ.

Температурный коэффициент всех трех последних сплавов близок к нулю (менее 0,00003 и может быть даже отрицательным в зависимости от колебаний состава). Абсолютная величина электросопротивления всех этих сплавов также одного порядка и равна 0,43- 0,5 Ом-мм²/м.

В качестве сплавов для проволок термопар широкое применение нашли константан, нихром и сам никель.

Химический состав сплавов никеля высокой чистоты и технического никеля приведен в табл. 1.11 и 1.12.

Константан употребляется в паре с медью, железом, серебром или нихромом, а нихром — в паре с никелем. Достоинством константа- новых и нихромовых термопар является их большая чувствительность. Предел применимости термопар зависит от диаметра проволок и метода защиты от окисления. Термопары, содержащие константан, могут употребляться при температуре до 500—600 °С без специальной защиты и до 900 °С при изоляции от воздуха. Нихромовые термопары могут употребляться при температуре до 900 °С (тонкие термопары — до 700—800 °С) без специальной защиты от окисления идо 1000—1100 °С в хорошей изоляции. Нихром для термопар обычно содержит 8—12% Сг и вовсе не содержит железа.

Помимо этих материалов широко применяются термопары из сплавов хромель и алюмель. Хромель — двойной сплав никеля с 9,0— 10% Сг с небольшими добавками марганца. Алюмель — сплав никеля с 2% А1, 2% Мп и 1 % Si. Термопара из алюмеля и хромеля может применяться при температуре до 1000 °С и дает при 1000 °С электродвижущую силу в 2 раза большую, чем термопара платина—платино- родий. Очень большой электродвижущей силой обладают термопары нихром—константан и железо—копель (сплав Си—Ni с 43,5% Ni). Первая из них имеет при 600 °С электродвижущую силу в 43, а вторая в 36 мВ.