Теплофизические и электрические свойства сплавов никель-кобальт при высоких температурах

Актуальность работы. Одной из основных задач теплофизики является определение теплофизических свойств веществ в широком интервале температур с целью использования этих экспериментальных данных как для разработки и создания новых перспективных конструкционных материалов с особыми физическими свойствами, так и для оптимизации процессов их изготовления.

Особое место в металлургии и машиностроении занимают сплавы металлов подгруппы железа, в частности никеля. Сплавы на основе никеля отличаются высокой коррозионной стойкостью, высокими механическими свойствами, отличной обрабатываемостью в горячем и холодном состояниях, что делает эти сплавы незаменимым исходным материалом для приборостроения, машиностроения и других областей промышленности. Несмотря на это, теплофизи-ческие и кинетические свойства сплавов никеля при высоких температурах практически не изучены. Имеющиеся литературные данные малочисленны и противоречивы. Это относится даже к таким сплавам, как сплавы никеля с кобальтом.

К началу нашего исследования сведения о поведении теплопроводности и температуропроводности сплавов Ni-Co при высоких температурах практически отсутствовали, а результаты измерения их электросопротивления, полученные разными авторами, были во многом противоречивы. Отсутствовали комплексные исследования теплофизических и кинетических свойств сплавов Ni-Co, выполненные на одних и тех же образцах. Во многом такая ситуация обусловлена спецификой высокотемпературных исследований теплофизических и кинетических свойств металлов и сплавов, так как при высоких температурах трудно корректно учесть или исключить тепловые потери, связанные с образцом. Существенное влияние на экспериментальные результаты при этих условиях оказывает также процесс окисления образцов.

Интерес к сплавам Ni-Co обусловлен не только их практическим применением. Эти сплавы образуют непрерывный ряд твердых растворов. Поэтому они представляют собой удобные модельные объекты, позволяющие проанализировать влияние состава на основные механизмы переноса и рассеяния тепла и заряда в двойных металлических сплавах на основе металлов подгруппы железа. Представляет интерес и сравнительный анализ изменения теплофизических и кинетических свойств кобальта при его легировании железом и никелем.

Данная работа является частью комплексного исследования теплофизических и кинетических свойств металлов, сплавов и композиционных материалов при высоких температурах, выполняемого на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии.

Цель работы состояла:

— в экспериментальном исследовании температуропроводности сплавов системы никель-кобальт в интервале температур 900−1700 К и удельного электросопротивления этих сплавов при температурах 300−1500 К;

— в получении расчетных данных по теплопроводности и функции Лоренца для сплавов Ni-Co и совместном анализе температурных и концентрационных зависимостей перечисленных теплофизических свойств с фазовым состоянием и параметрами электронной структуры этих сплавов;

— в выявлении особенностей механизмов переноса тепла и рассеяния электронов и фононов в сплавах никель-кобальт при высоких температурах;

— в сравнительном анализе изменения теплофизических и кинетических свойств кобальта при его легировании железом и никелем.

Научная новизна:

— впервые выполнено комплексное исследование теплофизических и электрических свойств сплавов системы никель-кобальт при высоких температурах;

— получены экспериментальные данные о теплои температуропроводности сплавов никель-кобальт при температурах 900−1700 К;

— получены новые результаты об удельном электросопротивлении этих сплавов при 300−1500 К;

— проверена и уточнена диаграмма состояния сплавов Ni-Co в области средних и высоких температур;

— установлено, что исследованные физические свойства сплавов никель-кобальт изменяются немонотонно с ростом концентрации кобальта;

— показано, что характер поведения теплофизических и электрических свойств сплавов никель-кобальт при высоких температурах определяется сочетанием двух типов рассеяния электронов проводимости: однозонного рассеяния на магнитных неоднородностях и двухзонного s-d рассеяния Мотта;

— установлено, что легирование кобальта железом и никелем по-разному влияет на теплофизические свойства двойных металлических сплавов Fe-Co и Ni-Co.

Практическая ценность.

Выполненные исследования теплофизических и электрических свойств сплавов никель-кобальт при высоких температурах позволили получить справочную информацию, необходимую для выбора оптимальных тепловых режимов производства, обработки и эксплуатации материалов, созданных на основе этих сплавов. Проверена и уточнена диаграмма состояния сплавов никель-кобальт.

Материалы работы использованы при выполнении госбюджетных научных исследований на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии.

Автор защищает:

— результаты исследования теплофизических и электрических характеристик сплавов системы никель-кобальт в интервале температур 300−1700 К;

— результаты исследования аномалий теплофизических свойств указанных сплавов в районах точек магнитных и структурных фазовых переходов;

— результаты исследования корреляции между электрическими и тепло-физическими свойствами сплавов Ni-Co при высоких температурах;

— результаты уточнения фазовой диаграммы системы никель-кобальт;

— результаты анализа основных механизмов рассеяния электронов в сплавах никель-кобальт при высоких температурах;

— результаты сравнительного анализа изменения теплофизических свойств двойных сплавов на основе металлов подгруппы железа при переходе от железа к кобальту и, далее, к никелю.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на следующих конференциях: II Международной теплофизической школе (Тамбов, 1995 г.) — XIII Международной конференции по теплофизическим свойствам (Боулдер, Колорадо, США, 1997 г.) — V Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ (Екатеринбург, 1999 г.) — IV Международной тепло-физической школе (Тамбов, 2001 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2001 г.).

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 1994 по 2001 гг. Часть результатов получена совместно с сотрудниками кафедры физики Уральской государственной горно-геологической академии. В коллективных публикациях автору принадлежат защищаемые в диссертации положения и выводы.

Автор благодарит сотрудников кафедры физики УГГТА В. Ф. Полева и В. И. Горбатова за помощь, оказанную при выполнении эксперимента.

5.4. Выводы.

На основании изложенного в пятой главе можно сделать следующие выводы:

— по результатам исследования температуропроводности и удельного электросопротивления сплавов Ni-Co проверена и уточнена диаграмма состояния этих сплавовпоказано, что наши экспериментальные данные подтверждают положение линий структурных фазовых переходов для системы Ni-Co, однако положение линии магнитных превращений и линии солидус-ликвидус, по нашим экспериментальным данным, несколько отличается от их положения на известных фазовых диаграммах;

— совместный анализ добавочного электросопротивления, плотности электронных состояний для d-полосы вблизи поверхности Ферми, остаточного электросопротивления и функции Лоренца для сплавов Ni-Co позволил сделать вывод о влиянии различных механизмов рассеяния электронов на их кинетические и теплофизические свойства при высоких температурах;

— рассчитана теплопроводность сплавов Ni-Co и выделены ее электронная и фононная составляющие;

— установлено, что при высоких температурах процессы рассеяния электронов проводимости в сплавах Ni-Co происходят подобно процессам, протекающим в сплавах на основе железа (Fe-Ni, Fe-Co и Fe-Cr), однако легирование кобальта железом и никелем по-разному влияет на теплофизические и кинетические свойства двойных металлических сплавов Fe-Co и Ni-Co.