Температура плавления никелевых сплавов

Когда говорят про температуру плавления никелевых сплавов, многие ошибочно берут цифры из таблиц без поправок на реальный состав. На деле даже 0.5% легирующих элементов могут сдвинуть точку плавления на десятки градусов — это я на собственном опыте в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' убедился, когда партия ленты из чистого никеля внезапно начала плавиться раньше расчетного температурного порога.

Никель как основа

Чистый никель плавится при 1455°C — это классика. Но в сплавах, особенно с медью или железом, картина меняется кардинально. Например, в медно-никелевых композициях типа купроникеля температура плавления может упасть до 1300°C, а то и ниже, если в составе есть примеси кремния. Мы в лаборатории как-то специально замеряли для сплава Ni-Cr-Zr — разброс достигал 25°C между партиями из-за разной степени окисления шихты.

Помню случай с бериллиевой бронзой: присадка никеля всего 2% подняла температуру плавления на 30°C, но одновременно резко изменила вязкость расплава. При литье профилей это привело к браку — металл не заполнял углы матрицы. Пришлось пересчитывать весь технологический цикл, добавлять ступенчатый нагрев.

С алюминиевыми сплавами никель ведет себя особенно капризно. В сплаве Аl-Ni-Mn точка плавления 'плавает' в диапазоне 50°C в зависимости от скорости нагрева. Быстро поднимаешь температуру — фиксируешь одно значение, медленно — другое. Это важно при создании медно-алюминиевых композитов, где слои должны плавиться согласованно.

Влияние легирующих элементов

Хром — главный 'стабилизатор' температуры в никелевых сплавах. В сплавах типа нихром добавка 20% Cr поднимает точку плавления до 1400°C, но если хрома больше 30% — начинается резкое падение из-за образования низкоплавких эвтектик. Мы как-то потеряли партию труб из титанового сплава именно из-за перелегирования хромом в погоне за коррозионной стойкостью.

Кремний — коварный элемент. В медно-никель-кремниевых композициях всего 1.5% Si снижает температуру плавления на 60-80°C. Но главная проблема — неравномерное распределение кремния по зерну, что дает локальные перегревы. Для лент это критично: при прокатке появляются микротрещины в местах с пониженной температурой плавления.

Железо в медно-железных сплавах с никелем создает интересный эффект: до 10% Fe температура плавления почти не меняется, а потом — обвал на 150°C. Это связано с изменением типа кристаллической решетки. На производстве мы используем этот порог для контролируемого спекания порошковых композиций.

Практические нюансы при литье

При литье никелевых сплавов температура плавления — только отправная точка. Важнее температурный интервал кристаллизации. Например, для фосфористой бронзы с никелевой добавкой разница между началом и концом затвердевания достигает 200°C — это значит, что усадка идет неравномерно, появляются раковины.

В ООО 'Сучжоу Ляньсинь' мы отработали методику ступенчатого охлаждения для никель-содержащих сплавов. Сначала выдерживаем при температуре на 50°C выше точки плавления, затем резко охлаждаем до 30°C ниже точки солидуса — так избегаем ликвации компонентов.

Самая сложная история — с бескислородной медью с никелевыми присадками. Кислород связывает никель, образуя тугоплавкие включения, которые 'плывут' при температурах на 200-300°C выше основной массы металла. Это убивает инструмент при механической обработке. Приходится добавлять раскислители, что опять-таки меняет температуру плавления.

Ошибки измерений и контроль

Пирометры врут — это аксиома. Для точного определения температуры плавления никелевых сплавов мы используем термопары типа B (Pt-Rh), но и они дают погрешность до 15°C после 20 циклов нагрева. Раз в месяц калибруем по чистому никелю — если показывает не 1455°C, значит пора менять.

Оптические методы хороши, но только для чистых поверхностей. Окислы на никелевых сплавах искажают показания на 50-100°C. Как-то из-за этого перегрели партию марганцово-медных сплавов — получили выгорание марганца, сплав потерял упругость.

Самое надежное — термический анализ с записью кривых нагрева-охлаждения. Мы для титановых сплавов так и делаем: фиксируем точку солидуса и ликвидуса, потом строим технологические карты. Для заказчиков с сайта https://www.lianxin-metal.ru выкладываем эти данные в спецификациях — чтобы не повторяли наших ошибок.

Особенности обработки

После плавки никелевые сплавы часто ведут себя непредсказуемо при горячей обработке. Например, ленты из чистого никеля идеально прокатываются при температурах на 150-200°C ниже точки плавления, а вот никель-железные композиции требуют более высоких температур — иначе трескаются.

Для обработки металлических профилей нестандартной формы мы разработали эмпирическую формулу: температура начала ковки = 0.75 * температура плавления + 70°C. Работает для большинства сплавов, кроме бериллиевой бронзы — там другая зависимость.

Нанесение поверхностных покрытий — отдельная история. Температура плавления основного металла должна быть минимум на 300°C выше температуры осаждения покрытия, иначе происходит взаимная диффузия. Как-то попробовали нанести медное покрытие на никелевый сплав с температурой плавления 1320°C — при 1100°C покрытие 'утонуло' в основе.

Реальные кейсы из практики

В 2021 году для аэрокосмического заказа делали трубы из титанового сплава с никелем. По спецификации температура плавления должна была быть 1470±10°C, а по факту получили 1440°C. Расследование показало — виновата партия никеля с повышенным содержанием серы (0.005% вместо допустимых 0.002%). Сера образует легкоплавкие сульфиды по границам зерен.

Другой случай: производство медно-алюминиевых композитных материалов. Алюминий плавится при 660°C, медно-никелевая основа — при 1280°C. Казалось бы, разница большая, но в зоне контакта возникает интерметаллидная прослойка с температурой плавления всего 900°C. При эксплуатации в вакууме эта прослойка сначала расплавлялась, вызывая расслоение. Решили проблему введением никелевой прослойки между материалами.

Сейчас для особо ответственных применений мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' используем трехстадийный контроль температуры плавления: расчет по составу, термический анализ и пробную плавку в мини-печи. Только при совпадении всех трех результатов запускаем в производство. Дорого, но надежно — клиенты с сайта lianxin-metal.ru ценят такую дотошность.