Прецизио́нные спла́вы (от франц. precision — точность) — металлические сплавы с заданными физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или с редким сочетанием свойств, обусловленным точностью химического состава, отсутствием примесей, тщательностью изготовления и обработки.
При разработке новых прецизионных сплавов изучаются диаграммы состояния состав – свойство. При этом, если необходимо получить целый комплекс свойств, осуществляется оптимизация сплавов по целому ряду параметров. Другим эффективным методом при разработке сплавов с заданными свойствами является физический прогноз, в основе которого заложено изучение физических закономерностей формирования свойств в сплавах различных систем.
Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni, Со, Cu, Nb. Прецизионные сплавы обладают широчайшим спектром свойств. В ряде случаев необходимо, чтобы в сплавах наблюдалось очень малое изменение физических параметров при изменении температуры, магнитного и электрического полей, механических нагрузок (такими свойствами обладают, например, инвар, элинвар, манганин, константан, перминвар). В других случаях необходимо получить существенное изменение физических параметров сплава при изменении внешних условий (такие свойства проявляют пермаллой, алюмель, хромель, копель, магнитострикционные материалы, пружинные сплавы, термобиметаллы).
К прецизионным сплавам относятся и сплавы, обладающие сверхпроводимостью, сплавы с заданным значением физических параметров (например, ковар, платинит, фернико), в том числе сплавы с разнообразным сочетанием свойств и сплавы, сохраняющие требуемые свойства в условиях агрессивных сред, вибрации, электрического разряда, радиации, глубокого вакуума и т. д.
Промышленные сплавы с аномалиями тепловых свойств главным образом разработаны на основе инварного эффекта в системе Fe – Ni.
В сплавах системы Fe – Ni в области концентраций от 32 до 50% Ni наблюдаются характерные аномалии, связанные с инварным эффектом. Инвар (сплав с 36% Ni) обладает минимальным температурным коэффициентом линейного расширения . Аномалия свойств, связанная с инварным эффектом, используется в промышленности для создания сплавов с заданным значением . Легирование инвара небольшими добавками, за исключением кобальта, приводит к повышению . Сплавы инварного состава обладают сильной зависимостью свойств, в частности теплового расширения, от структурного состояния. Поэтому путем пластической деформации и термической обработки можно управлять значением .
В большинстве неферромагнитных металлов при повышении температуры модуль упругости понижается. Но в ферромагнитных металлах и сплавах на их основе во многих случаях имеет место возрастание модуля упругости при повышении температуры. Ряд сплавов обладает положительным температурным коэффициентом модуля упругости, слабо или совсем независящим от магнитного поля. К ним относятся ферромагнитные сплавы инварного класса на основе Fe — Ni, Co — Fe — Cr, Co — Ni — Fe — Cr, Fe — Pt; антиферромагнитные двойные сплавы элинварного класса Mn — Cu, Mn — Ni, Fe — Rh и тройные сплавы Fe — Cu, легированные Cr, Fe, Co, Mo и др. В антиферромагнитных сплавах на основе марганца в зависимости от состава наблюдается понижение модуля упругости, аномалия модуля упругости наблюдается и в сплавах на основе ниобия. В сплавах Nb — Ti, Nb — Zr, Nb — W и др. при определенных концентрациях составляющих его компонентов и соответствующих температурных обработках достигается близкий к нулевому значению температурный коэффициент модуля упругости.
Модуль упругости сплавов Fe — Ni изменяется в зависимости от содержания элементов по кривой с минимумом. Рост модуля упругости с повышением температуры является одной из интереснейших аномалий в сплавах с инварным эффектом. Это явление используется в промышленности для создания сплавов с низким температурным коэффициентом модуля упругости.
Необходимость в разработке двух групп прецизионных сплавов — прецизионных сверхпроводящих материалов и прецизионных криогенных конструкционных материалов возникла в связи с проблемой создания мощных и крупногабаритных сверхпроводящих устройств. Применение прецизионных сверхпроводящих материалов связано с эксплуатацией сверхпроводящих систем. Чтобы следить и управлять режимом работы таких систем, необходимы различные датчики (температур, поля, давления, расхода жидкого гелия и пр.), чувствительные элементы которых изготавливаются из прецизионных сверхпроводящих материалов.
В группу прецизионных сверхпроводящих материалов входят сверхпроводящие сплавы и соединения с заданным значением сверхпроводящих и нормальных параметров. Если для сильноточных сверхпроводящих материалов рабочими параметрами являются критическая плотность тока в определенном поперечном магнитном поле, критическое магнитное поле и температура сверхпроводящего перехода, то для прецизионных сплавов наряду с этими характеристиками рабочими параметрами могут быть электросопротивление, температурный коэффициент электросопротивления, теплопроводность, модуль упругости и другие свойства.
В группу прецизионных криогенных конструкционных материалов входят конструкционные материалы с заданным значением механических и физических параметров.
К магнитным прецизионным сплавам относятся магнитомягкие и деформируемые магнитотвердые сплавы.
Магнитомягкие сплавы — ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса и малой коэрцитивной силой. Магнитные свойства магнитомягких сплавов в постоянном поле определяются химическим составом, структурой и текстурой сплава после окончательной термообработки. Структурно-чувствительные свойства зависят также и от химического состава, типа, дисперсности и количества неметаллических включений, температуры испытаний, кристаллической структуры, анизотропии, дефектов кристаллической решетки и напряжений. Поэтому в процессе изготовления магнитомягких материалов можно путем технологических операций оказывать направленной воздействие на структуру, анизотропию, тип и количество примесей и другие факторы, достигая требуемое сочетание свойств и уровень магнитных свойств. В качестве примеров таких сплавов можно привести сплав системы Fe — Si — Al, обладающий высокой твердостью и износостойкостью, а также молибденовый пермаллой с повышенным коэффициентом прямоугольной петли гистерезиса и дифференциальной проницаемостью.
Деформируемые магнитотвердые сплавы делятся на 4 группы: сплавы для постоянных магнитов, сплавы для активной части роторов гистерезисных электродвигателей, для носителей магнитной записи и для элементов памяти. Для большинства применений форма петли магнитного гистерезиса сплавов должна быть как можно ближе к прямоугольной. Повышение магнитных и механических свойств сплавов в результате деформации происходит благодаря тому, что по всему объему происходит равномерное распределение ферромагнитной фазы. Повышенная однородность и мелкозернистая структура сплава, например, в системе Fe — Co — Ni — Al, получаемая при высоких степенях деформации, способствует улучшению механической обрабатываемости сплава и ряда других свойств. Деформированные сплавы могут проявлять аномально высокие характеристики в определенных температурных интервалах, которые используются при изготовлении изделий
Основным достоинством аморфных прецизионных сплавов является простота их изготовления. Лента может быть вытянута из расплава, минуя сложные процессы технологического передела слитка: ковку, прокатку, промежуточные высокотемпературные отжиги и пр. В ряде случаев аморфные прецизионные сплавы превосходят по сочетанию свойств кристаллические прецизионные сплавы. Аморфные прецизионные сплавы, например, на основе Co — Fe — Si — B. обладают высоким электросопротивлением и уникальным сочетанием магнитных и механических свойств – высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и высокой механической жесткостью. Эти свойства определяют их преимущество при использовании в качестве магнитных экранов, сердечников, высокочастотных трансформаторов и др.
Среди других свойств аморфных прецизионных сплавов следует отметить высокое электросопротивления, низкий и отрицательный температурный коэффициент электросопротивления, высокие магнитострикционные свойства, коррозионную стойкость. Основным недостатком таких сплавов является метастабильность структуры и наличие последовательных состояний, отделенных друг от друга невысокими энергетическими барьерами, что может привести к переходам между этими состояниями под действием различных внешних факторов.
Приведенный перечень прецизионных сплавов далеко не полный. Создание новых прецизионных сплавов становится возможным, если в какой-либо системе обнаруживаются аномалия физических свойств. Возможные требования к прецизионным сплавам вытекают из особенностей их применения. Основные требования: миниатюризация с целью достижения заданных физических параметров сплава в микрообъемах, повышение энергоотдачи единицы объема (или массы) материала, повышение надежности, т.е. стабильность физических свойств во времени и при воздействии сложных условий эксплуатации, увеличение числа нормируемых параметров сплавов и развитие многофункциональности материалов, сращивание функций металла и функциональных узлов приборов.