Конструкционные материалы. Основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам, страница 10

Железо. Обычное ковкое железо, или низкоуглеродистую сталь, применяют в вакуумной технике только тогда, когда к степени вакуума или чистоте газа не предъявляется особенно высоких требований или когда выделяющиеся газы полностью удаляются непрерывной откачкой (например, в мощных железных ртутных выпрямителях). Во всех остальных случаях, особенно в присутствии накаленных катодов, можно использовать только особо чистое специальное железо. Широкое применение железа в технике обусловлено тем, что оно при сравнительно небольшой стоимости обладает достаточно благоприятным сочетанием свойств — магнитных, механических и технологических. Высокая пластичность железа позволяет изготовлять из него методом штамповки или глубокой вытяжки в холодном состоянии детали самой сложной конфигурации.

Несмотря на сравнительно высокую температуру плавления и ряд других положительных свойств, железо имеет ограниченное применение в электровакуумном производстве, так как оно очень трудно очищается и обезгаживается. Переплав железа в вакуумных дуговых или индукционных печах приводит к резкому снижению примесей и газов. Особенно обнадеживающие результаты получены после переплава железа в электроннолучевых печах.

Наиболее вредной для электронной техники примесью в железе является углерод, с присутствием которого связано длительное выделение газов (СО, и др.) вследствие восстановления им содержащихся в металле окислов. В производстве электровакуумных приборов наибольшее применение получили сталь «армко» с содержанием углерода не более 0,05 % и малоуглеродистая сталь с содержанием углерода не выше 0,1 %. Важнейшие характеристики свойств железа приведены в табл. 6, 7.

Из металлов повышенной тугоплавкости железо имеет наиболее высокую температуру плавления, 1535 °С. Скорость его испарения в вакууме и температурный коэффициент линейного расширения имеют приблизительно те же значения, что и для никеля. Теплопроводность железа ниже, чем никеля, а удельное электросопротивление железа выше, чем никеля. При нагревании и охлаждении железо претерпевает полиморфные превращения: при 910 °С α-Fе → γ-Fе; при 1400 °С γ-Fе → δ-Fе (α и δ-Fе обладают одинаковой объемно-центрированной кубической решеткой, γ-Fе имеет гранецентрированную кубическую решетку).

Физические и механические свойства железа в значительной мере зависят от примесей, в особенности от содержания углерода, и степени деформации при холодной обработке. С повышением содержания углерода возрастают твердость, предел прочности на растяжение, уменьшается относительное удлинение, возрастает удельное электросопротивление, повышается коррозийность (железо сильнее ржавеет). Как техническое, так и чистое железо при холодной обработке упрочняется. Нагреванием (выше 500 °С в течение 30 мин) можно устранить достигнутое при холодной обработке упрочнение. Предел ползучести железа невысок; формоустойчивость железных деталей при длительном действии высоких температур низка. Железо теряет ферромагнитные свойства только при 768 °С (точка магнитного превращения). Это имеет значение при обезгаживании токами высокой частоты и в тех случаях, когда даже при высоких температурах должны быть сохранены экранирующие магнитные свойства железа.

Железная жесть так же хорошо поддается точечной сварке, как и никелевая.

Химические свойства. Железо является химически активным металлом даже при обычных комнатных температурах. На воздухе в присутствии влаги оно быстро покрывается ржавчиной, однако чистейшее железо значительно устойчивее против коррозии, чем техническое.

С водородом железо образует твердые растворы. С кислородом оно образует устойчивые оксиды FеО и Fе₂О₃, удаление которые легко осуществить отжигом железа в водороде или в вакууме при 900…950 °С.

С углеродом железо образует карбиды. Взаимодействие железа с углеродом является основой всего современного производства углеродистых сталей с их разнообразными свойствами. В зависимости от содержания углерода в системе железо — углерод показатели свойств сталей изменяются в очень широких пределах.