 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Классификация проводниковых материалов 12
В качестве проводниковых материалов могут использоваться твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и их сплавы, так называемые проводники 1 рода. По удельному электрическому сопротивлению ρ металлические проводниковые материалы делятся на две основные группы: 1) металлы высокой проводимости: ρ при t = 20 °С составляет не более 0,05 мкОм-м; 2) материалы и сплавы высокого удельного сопротивления, имеющие при тех же условиях ρ не менее 0,3 мкОмм. К первой группе относятся преимущественно чистые металлы (медь, алюминий, серебро и др.), применяемые для изготовления обмоточных и монтажных проводов, шнуров, жил кабелей различного напряжения, шин, распределительных устройств, обмоток трансформаторов. Проводниковые материалы второй группы - это сплавы на основе меди, никеля, железа, хрома и других металлов. Эти материалы используются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания. Среди металлов высокой проводимости наиболее широко распространение получили серебро, медь и алюминий. Примеры значений ρ, ТКР, ТК1 и коэффициента теплопроводности X для некоторых металлов приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Физико-механические свойства основных металлов
Среди всех проводниковых материалов серебро обладает минимальным удельным сопротивлением. Серебро, имеющее марку Ср 999-999.9, должно содержать не более 0,1% примесей. Механические характеристики серебра не высоки. Серебро и сплавы на основе серебра применяются в электротехнике и электронике, при производстве радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне высоких частот, при изготовлении и применении контактов, для изготовления электродов, в производстве керамических и слюдных конденсаторов. Медь считается важнейшим проводниковым материалом благодаря своим ценным техническим свойствам: малым удельным сопротивлением, достаточно высокой механической прочностью, удовлетворительной стойкостью к воздействию окружающей среды (тонкий слой оксида меди, которым она покрывается на воздухе, препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь), хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку малого диаметра от 0,02 до 10 мм), хорошей способностью к пайке и сварке. Наличие примесей меди отрицательно влияет не только на её механические и технологические свойства, но и снижает электропроводность. Механические свойства проводниковой меди зависит от ее состояния. Отожженная, мягкая медь (ММ) менее прочна, но более пластична, чем твердотянутая (марки МТ), подвергнутая деформации в холодном состоянии. Заметное влияние на механические свойства проводниковой меди оказывает температура. При нагревании (особенно выше 200°С) в результате процесса рекристаллизации механические характеристики и удельное сопротивление резко изменяются. На электропроводность всех металлических проводников оказывает влияние их механическая обработка (прокатка, волочение и др.), вызывающая остаточную деформацию кристаллов. Это могут быть вакансии, дислокации, атомы в междуузлиях. Искажение кристаллической решетки приводит к увеличению удельного сопротивления. Устранить данное явление позволяет отжиг, в ходе которого металл или сплав сначала нагревается до высокой температуры, а затем медленно охлаждается. В результате процесса рекристаллизации происходит восстановление искаженной структуры, "залечиваются" дефекты и удельное сопротивление уменьшается, но механическая прочность снижается. Чтобы повысить механическую прочность и твердость металлических проводников, прибегают к холодной прокатке их или волочению металла без нагревания его. Твердотянутые металлы и сплавы прочнее и тверже отожженных, но зато последние пластичнее. Сплавы более прочны, тверды и упруги по сравнению с чистыми металлами. По сравнению с чистыми металлами сплавы отличаются повышенной твердостью, большей механической прочностью при растяжении (σр), меньшим относительным удлинением (λρ). Кроме того, сплавы в меньшей степени окисляются на воздухе. Сплав - это сложное вещество, получаемое путем сплавления нескольких простых веществ, называемых компонентами сплава. В металлическом сплаве основным компонентом (более 50%) является металл. Удельное сопротивление сплавов определяется в основном наличием примесей и нарушением кристаллической решетки входящих в сплав металлов. Для понимания природы сплавов и их свойств, представлены диаграммы состояний двойных сплавов. На этих диаграммах отражено изменение структуры и фазового состава сплавов данных компонентов в зависимости от их концентрации и температуры. Сплавы, как и чистые металлы, построены из зерен, поэтому, в зависимости от природы сплавляемых компонентов, в сплавах могут наблюдаться следующие фазы: - смесь зерен чистых компонентов. В этом случае компоненты не вступают друг с другом ни в какое взаимодействие; - твердые растворы одного компонента в другом. В этом случае кристаллические решетки в зернах построены из атомов обоих компонентов, из которых один является растворителем, а другой растворимым; - химические соединения компонентов сплава друг с другом. Для них присуща кристаллическая решетка, отличная от решеток исходных компонентов. При образовании твердых растворов компоненты в зависимости от своей природы могут растворяться друг в друге ограниченно или неограниченно. При ограниченной растворимости в решетке одного компонента может раствориться лишь некоторое, зависящее от температуры количество атомов другого компонента. Остальное количество взятого для сплава компонента либо само становится растворителем и образует зерна со своей решеткой, либо вступает со вторым компонентом в химическое соединение. В случае образования механических смесей, компоненты А и В взаимно растворяются только в жидком состоянии. В твердом состоянии, ниже линии CDE сплавы этой системы состоят из зерен чистых компонентов (А+В), не растворяются и не вступают в химическое взаимодействие. Механические и электрические свойства таких сплавов зависят от свойств компонентов и их относительных количеств в каждом сплаве и изменяются по линейному закону (рисунок 3а). В этом случае при сплавлении двух металлов наблюдается раздельная кристаллизация.
Рисунок 3 – Основные типы диаграмм состояний и характер изменения свойств в зависимости от концентрации В а) раздельная кристаллизация, б) твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов, в) твердый раствор с ограниченной растворимостью
При неограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии получается диаграмма состояний, изображенная на рисунке 3б. Это объясняется тем, что при образовании твердого раствора атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. При этом сохраняется кристаллическая решетка металла-растворителя, сохраняется лишь постоянная решетки, но атомы компонент распределяются по узлам решетки беспорядочно. Наличие атомов разных сортов лишает решетку идеальной периодичности и приводит к рассеянию электронов: сопротивление сплава сильно возрастает. В данном случае образуется непрерывный ряд сплавов -твердых растворов а переменной концентрации. Чем больше разница валентностей растворителя и растворенного металла, тем больше прирост сопротивления. При ограниченной растворимости сплавляемых компонентов диаграмма состояний изображена на рисунке 3в. В этом случае в твердом состоянии (ниже линии ACDEB) наблюдается три структурно-фазовые области: области ограниченных растворов (α и β) и между ними область механических смесей этих растворов (α + β). В некоторых случаях, при определенном соотношении компоненты сплава образуют друг с другом химические соединения - интерметаллиды. Интерметаллические соединения имеют собственную формулу химического состава, свою кристаллическую решетку, в которой атомы отдельных компонент строго чередуются друг с другом. На кривых зависимость ρ от состава у таких соединений наблюдаются сингулярные точки, между такими точками график ρ функцию от состава представляет собой плавную кривую (рисунок 4).
Рисунок 4 – Зависимость удельного сопротивления сплавов от % состава компонентов: 1 - чистый металл А, 6 - чистый металл В, 2, 3, 4 и 5 - интерметаллиды
Сплавы на основе меди. Наиболее распространенными и широко применяемыми являются сплавы на основе меди. Медные сплавы принято делить на латуни и бронзы. Латуни - двойные или многокомпонентные сплавы меди с цинком. В качестве второстепенных компонентов, улучшающих свойства латуней, в них могут добавляться другие элементы: олово, свинец, алюминий, никель. Структура и свойства латуней в основном зависят от содержания цинка. Практическое применение находят сплавы с содержанием цинка до 45 %. При этом содержании цинка латуни обладают наибольшей механической прочностью. Латуни, содержащие 30 -32 % цинка, обладают наибольшей пластичностью. При содержании цинка до 39 % при температуре плюс 453 С цинк растворяется в меди, сплавы однофазные и называются α- латунями. С увеличением % состава цинка в меди (до 45%) сплавы двухфазные. В этом случае они являются композицией зерен аир фаз и называются α + β латунями. Латуни дешевле меди, но прочнее и тверже ее, хорошо обрабатываются в холодном и горячем состоянии. После холодной деформации прочность и твердость латуней возрастают, пластичность резко снижается. Отжиг при температуре от плюс 600 до 800 °С снижает состояние наклепа, сплав становится пластичным, его прочность и твердость уменьшается. Обозначаются латуни буквами Л с цифрой: цифра указывает количество меди. Простые латуни марки Л68, Л63 применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования. Они легко перерабатываются в листы, проволоку, выдерживают резкие изгибы, свариваются и паяются. Для изготовления стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей пружинящих контактов и других токоведущих частей, требующих повышенной твердости и стойкости к действию электрических разрядов применяются латуни с добавкой марганца, например ЛМц 48-2. Бронзами называются сплавы меди с любыми компонентами (оловом, алюминием и др.), кроме цинка и никеля (однако цинк может входить в состав сложных бронз в качестве второстепенного компонента). В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению, истиранию и коррозийной стойкости. Характерной особенностью бронз является их малая усадка при литье по сравнению с чугунами и сталями. Поэтому наиболее сложные по форме детали отливают из бронзы. В электротехнике стараются применять бронзы, сочетающие высокую проводимость с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронза), а также особо прочные сплавы с достаточно хорошей проводимостью (бериллиевые бронзы). Бронзы маркируются буквами Бр. Из проводниковых бронз изготавливаются провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные, упругие детали для электрических приборов. В данной лабораторной работе рассматриваются следующие сплавы: медь-никель, медь-вольфрам, цинк-магний и олово-свинец (сурьма) Эти сплавы характеризуются повышенным удельным сопротивлением ρ, малым температурным коэффициентом удельного сопротивления ар и стойкостью к окислению при повышенных температурах. Медно-никелевый сплав применяется для изготовления образцовых сопротивлений, шунтов и добавочных сопротивлений к электроизмерительным приборам, термопар. Общим свойством таких сплавов является высокое удельное сопротивление (от 0.4 до 2.0 мкОм-м). Поэтому такие сплавы называются сплавами высокого сопротивления. Эти сплавы представляют собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой. Основные электрические свойства (ρ, αр) медно-никелевых сплавов зависят от процентного содержания компонентов в сплаве. К медно-никелевым сплавам относятся манганин, константан и нейзильбер. Сплав на основе меди - манганин. Состоит из 84-86 % меди, 12-13 % марганца и 2-3 % никеля. Выпускается двух марок МНМц3-12 и МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3. Основной легирующей добавкой является марганец. Вследствие легирования марганцем зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет вид параболы с максимумом вблизи комнатных температур (плюс 32-40 °С). Температурный коэффициент удельного сопротивления в интервале температур плюс 10-40 °С находится в пределах (-2 - + 25) -10-6 °С-1, благодаря чему удельное электрическое сопротивление сплава в интервале температур от минус 100 до плюс 100 °С изменяется незначительно, а это дают возможность применять манганин в точных электроизмерительных приборах. Для стабилизации электрических свойств манганиновой проволоки ее подвергают тепловой обработке - отжигу при температуре плюс 400 °С в нейтральной среде с медленным охлаждением и длительной выдержкой при комнатной температуре. Стабилизированный манганин способен выдерживать высокие температуры (допустимая рабочая температура плюс 200 °С), но начиная с плюс 60 °С, наблюдаются необратимые изменения его свойств. Поэтому точные сопротивления из манганиновой проволоки не рекомендуется нагревать свыше плюс 60 °С. Вторым достоинством манганина является очень малая термо-ЭДС, развиваемая этим сплавом в контакте с медью. Из манганина изготавливают мягкие и твердые сорта проволоки диаметром от 0.02 мм до 6 мм, полосы и фольгу. Константан также является медно-никелевым сплавом, но в отличие от манганина содержит больше никеля. В состав константана входит 57-60 % меди, 39-41 % никеля и 1-2 % марганца. Наименование сплава МНМц40-1,5. Основное достоинство сплава - независимость удельного сопротивления от температуры. Значение температурного коэффициента удельного сопротивления приведено в таблице 6. Константан отличается высокой механической прочностью сочетаемой с пластичностью, и это позволяет получать из него проволоку диаметром от 0,02 мм до 5 мм , фольгу, ленты, полосы. Константан в паре с медью создает высокое значение удельной термо-ЭДС, что не позволяет применять константан в высокоточных электроизмерительных системах и приборах. Константановая проволока применяется для изготовления реостатов и термопар. По нагревостойкости константан превосходит манганин, допустимая рабочая температура до плюс 500 °С. Термопары медь-константан используются для измерения температур до плюс 300-500 °С, а железо-константан - до плюс 600 °С. При нагревании голой константановой проволоки до плюс 900 °С в течение нескольких секунд и последующего охлаждения на воздухе на ее поверхности образуется сплошная пленка из окислов. Эта оксидная пленка имеет темно-серый цвет и обладает электроизоляционными свойствами. Такая проволока можно использоваться в качестве естественной изоляции между витками, например в реостатах, если напряжение между витками не превышает 1В. В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических изделий применяется медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ15-20. Состав сплава: 18-22 % цинка, 13,5-16,5 % никеля с кобальтом и остальное - медь. Содержание различных примесей не превышает 0,9 %. Нейзильбер, внешне напоминающий серебро, имеет очень высокие механические характеристики, пластичен и отличается высокой коррозийной стойкостью. Но удельное электрическое сопротивление меньше, чем у других сплавов. Допустимая рабочая температура нейзильбера 200-250 °С, так как при более высоких температурах происходит диффузия цинка к границам зерен сплава и изделия становятся хрупкими. После холодной деформации сплав приобретает упругость. Основные электрические и механические параметры данных сплавов приведены в таблице 5. Сплав медь-вольфрам предназначен для сильноточных коммутирующих контактов. Сильноточные разрывные контакты изготавливаются из металлокерамических композиций (псевдосплавов), получаемых методом порошковой металлургии. Псевдосплав состоит из невзаимодействующих компонентов и представляет собой смесь двух фаз, одна из которых обладает значительно большей тугоплавкостью. Основу псевдосплава составляет медь или серебро. В данном псевдосплаве медная фаза обеспечивает высокую электропроводность и теплопроводность контактов, а тугоплавкая фаза в виде равномерных включений или непрерывного скелета вольфрама, графита или других тугоплавких металлов, повышает стойкость к механическому износу, электрической эрозии, термическую стойкость и препятствует свариванию контактов друг с другом.
Таблица 5 - Основные параметры медно-никелевых сплавов
При выборе компонентов для псевдосплава, важно, чтобы при работе, когда возможен нагрев контактных точек, не происходило взаимодействие двух фаз. Так как псевдосплав представляет собой механическую смесь, то и физические параметры фаз (плотность, твердость, проводимость, теплопроводность, и температурный коэффициент линейного расширения) суммируются. Контакты из псевдосплава медь-вольфрам отличаются от серебряно-вольфрамовых более высоким сопротивлением износу, свариванию и оплавлению при больших токах и напряжениях, а также повышенными механическими характеристиками и удельным сопротивлением (для КМК-А61 ρ=0,041 мкОмм, для КМК-Б20 ρ=0,060 мкОмм). Медь как контактный материал обладает многими достоинствами, но основной недостаток - это склонность к атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок с высоким сопротивлением. Вследствие повышенного переходного сопротивления, возрастающего с увеличением содержания вольфрама, медно-вольфрамовые контакты непригодны для слаботочных контактов и применяются в сильноточных аппаратах (контакторах, контроллерах), работающих при напряжениях (выше 100 В), способных пробить оксидную пленку и там, где требуются высокие контактные нажатия (не менее 3 Н). Поэтому композиция медь-вольфрам применяется для контактов, работающих в масле при высоких контактных нажатиях, в основном, для дуговых контактов масляных выключателей. Для повышения прочности в состав псевдосплава вводится 2-3 % никеля. Содержание вольфрама в псевдосплаве колеблется от 30 до 90 %. Металлокерамические контакты получают методом жидкофазного или твердофазного спекания. Форма и размеры контактов зависят от мощности аппарата, конструкции контактодержателя и т.п. Материалы для пайки
Припой - специальный сплав, применяемый при пайке. Пайка осуществляется с целью создания механического, прочного шва, или с целью получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. Температура плавления припоя должна быть значительно ниже, чем температура соединяемых металлов, так как припой должен плавиться, а основные металлы оставаться твердым. При пайке основной металл растворяется в припое, припой диффундирует в основной металл, и в результате образуется промежуточная прослойка, соединяющая детали в одно целое. Марка припоя выбирается из рода паяемого металла, требуемой механической прочности и коррозийной стойкости, а при пайке токоведущих частей учитывается величина удельной проводимости припоя. Припои делят на две группы - мягкие и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления ниже плюс 400 °С, к твердым - с температурой плавления выше плюс 400°С. Кроме температуры плавления припои существенно различаются механической прочностью. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении от 16 до 70 МПа, твердые -до 500 МПа. Название припоя определяется входящими в него в небольшом количестве металлами. Наиболее распространенными мягкими припоями являются оловянно-свинцовые (марки ПОС) с содержанием олова от 18 % до 90 %, остальное свинец (например, ПОС-61 - припой оловянно-свинцовый, содержит 61 % олова, остальное - свинец). Применяется для пайки деталей из меди и ее сплавов, серебра, оцинкованного железа. Наиболее легкоплавкие припои содержат в своем составе висмут и кадмий. К ним относится сплав Вуда с температурой плавления плюс 60,5 °С. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Стандартными твердыми припоями являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр), например ПМЦ-36 - припой медно-цинковый, Си 36 %, ПСр-50К - припой серебряный, Ag 50 %, содержит кадмий.
Содержание отчета
5.1 Отчет содержит: – цель работы; – результаты измерений и вычислений в виде таблиц 1,2,3, а также расчетные формулы; – по данным таблиц 1,2,3 построить графики зависимости удельного сопротивления от процентного состава компонентов сплава ρ = f(% А В); – дать сравнительную оценку полученных данных в сопоставлении со справочными данными.
6 Контрольные вопросы 6.1 Как изменяются механические и электрические свойства медно-никелевых сплавов? Состав, обозначение и применение медно-никелевых сплавов. 6.2 Какие свойства меди обуславливают ее широкое применение в электронной технике? 6.3 Как и почему изменяется р металлов при механических воздействиях (сжатие, растяжение, изгиб, пластическая деформация)? 6.4 Как изменяются механические и электрические свойства сплавов при ограниченной взаимной растворимости компонентов? Приведите пример такого сплава. 6.5 Охарактеризуйте основные свойства бронз, их область применения и маркировка. 6.6 Почему металлические сплавы типа твердых растворов отличаются более высоким удельным сопротивлением, чем чистые компоненты, образующие сплав? 6.7 Опишите характер электропроводности проводниковых материалов. 6.8 Опишите медные и алюминиевые сплавы, их назначение и основные свойства. 6.9 Перечислите основные свойства твердой и мягкой меди и область применения той и другой в электротехнике? 6.10 Состав, основные свойства и применение сплава МНМц 40-1,5. 6.11 Какая существует зависимость удельного сопротивления сплава от состава и строения? Приведите примеры. 6.12 Какие марки припоев Вы знаете, в чем их отличие в области применения? 6.13 На какие группы делят проводниковые материалы? Где применяются металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления? 6.14 Состав, строение, обозначение и применение латуней. Как изменяются свойства латуней от содержания цинка? 6.15 Чем определяется и как изменяется удельное сопротивление металлов при низких температурах? 6.16 Чем обусловлено возрастание удельного сопротивления металлов с изменением температуры, превышающей температуру Дебая?
Список литературы
1 Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы/ Н. П. Богородмцкий, В. В. Пасынков, Б.М. Тареев - Л.: Энергоатомиздат, 1985. -304 с. 2 Справочник по электротехническим материалам: Справ./ Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1-3. 3 Конструкционные и электротехнические материалы/ В. Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А Филикова. - М.: Выш. шк., 1990.-226 с. ил. 4 Электротехнический справочник: Справ. Т.1/ Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 448 с.:ил. 12 |
