Зачет по материаловедению

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ЗАЧЕТА

1.История развития материаловедения.

2.Роль материалов в современной технике. Материалы, применяемые на транспорте

3. Классификация металлов и сплавов, сущность процесса кристаллизации

4. Механические  свойства металлов и сплавов

5.Технологические свойства материалов и сплавов

6..Виды сплавов

7. Классификация, состав, свойства, применение чугунов

8.  Классификация, состав, свойства, применение  сталей

9. Классификация цветных металлов и сплавов, их состав, маркировка, свойства

10. Применение, состав и свойства антифрикционных материалов

11. Понятие, назначение, классификация  электротехнических  материалов

12. Электрические, тепловые и физико-химические параметры  электротехнических материалов.  Влияние температуры на свойства электротехнических материалов

13.Электрические свойства диэлектриков

14. Тепловые свойства диэлектриков

15. Механические свойства диэлектриков

16.Влажностные свойства диэлектриков

17. Физико-химические свойства диэлектриков

18. Классификация, свойства, применение газообразных диэлектриков

19. Пробой газообразных диэлектриков

20. Классификация, свойства, применение  жидких  диэлектриков

21. Нефтяные масла

22. Классификация, свойства, применение  твердых  диэлектриков

23. Твердые полимеризационные диэлектрики

24. Твердые поликонденсационные диэлектрики

25. Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики

26. Компаунды

27. Металлокерамические материалы и их применение

28.Классификация, характеристики, марки, применение проводниковых материалов

29. Свойства меди и ее сплавы

30. Свойства алюминия и его сплавы

 31.Классификация, характеристики, марки, применение проводниковых  изделий

Условия перехода некоторых материалов в сверхпроводники  и  криопроводники

32. Сверхпроводники, область применения

33.Криопроводники

34.  Классификация, свойства, структура и применение полупроводниковых материалов

35. Классификация, требования, свойства, характеристики, применение магнитных материалов

36. Металлические магнитно-мягкие материалы

37. Металлические магнитно-твердые материалы

38. Классификация, состав, характеристики и применение вспомогательных материалов

Применение смазочных и защитных материалов на транспорте

39. Припои (легкоплавкие, тугоплавкие): понятие, классификация, требования, состав,   характеристики,   марки,   применение   

40. Современные материалы в машиностроении и на транспорте

Применение современных материалов

 

Ответы на вопросы для дифференцированного зачета

Вопрос 1.  История развития материаловедения.

Материаловедение — наука, изучающая строение и свойства
материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Вся история человечества связана с применением различных
материалов, именно они дали названия целым эпохам: каменный
век, бронзовый век, железный век.

На ранней стадии развития человек использовал природные
материалы — дерево, кость, камень. Особое место занял камень,
из которого изготавливались орудия труда — каменные топоры,
каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня
около 500 тыс. лет назад люди научились добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней утвари положило начало технологии изготовления керамики.

На следующем этапе развития человек стал использовать металлы. Естественно, что в первую очередь применялись те из них, которые встречаются в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это медь, начало ее применения относят к 7-му тысячелетию до н. э. В 4-м тысячелетии до н. э. начали использовать металлургические процессы получения сплавов. Преобладают уже металлические инструменты из бронзы — сплава меди с другими металлами, в первую очередь с оловом, имеющим лучшие свойства, чем чистая медь.

Важнейшим этапом развития стало использование железа и его
сплавов. К середине XIX в. был освоен мартеновский метод производства стали, а к концу века — конвертерный. Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом.

Промышленное производство не может существовать без научной базы. Именно середину XIX в. следует считать временем зарождения металловедения — отрасли материаловедения — как науки. В ее развитие большой вклад внесли русские и советские
ученые.

Остановимся на важнейших этапах развития науки.

Основоположником металловедения является выдающийся русский ученый Д.К.Чернов (1839—1921). Работая на Обуховском заводе и занимаясь производством стали, он провел исследования превращений, происходящих при нагреве стали, результаты которых были опубликованы в 1868 г.  В его работе было показано, что цвета каления стали, определенные визуально, соответствуют температурам, при которых происходят превращения в стали. Эти температуры были названы критическими точками (точками Чернова). Именно Д.К.Чернов впервые изобразил важнейшие линии диаграммы состояния железо—углерод. Французский исследователь Ф. Осмонд (1849— 1912), воспользовавшись пирометром, изобретенным Ле-Шателье (1850—1936), определил температуры критических точек, описал характер превращений при этих температурах и дал названия основным структурам. Спустя 10 лет Д. К. Чернов изложил основы теории кристаллизации сплавов, развитые затем Г.Г.Тамманом (1861 — 1938), членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

Основоположником металлографии — важнейшего направления металловедения — был русский ученый-металлург П.П.Аносов (1799—1851), впервые применивший микроскоп для изучения структуры сплавов. На основании его работ А. Мартенс (1850 —1914) и другие ученые разработали изображения микроструктур сплавов железа и углерода.

Важный вклад в теорию науки внес американец Д. Гибсс (1839—
1903), который, используя принципы термодинамики, разработал
теорию равновесия фаз. На основании этой теории, а также с
помощью металлографического анализа рядом ученых — Н.Т. Гудцовым (1885— 1957), А. А. Байковым (1870— 1946) в России, Р. Аустеном (1843—1902) в Англии — было доказано наличие твердых растворов в металлических сплавах.

Большой вклад в разработку научных основ металловедения
внес Н.С. Курнаков (1860— 1941), применивший методы физико-
химического анализа для исследования сплавов и установивший
закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их
типа и химического состава.

Важнейший вклад в теорию упрочнения сплавов был внесен
советскими учеными. В частности, Я.И.Френкель выполнил расчет теоретической прочности металлов, который стал побудительным мотивом изучения реальной прочности металлов, в результате чего были разработаны теории дислокаций, пластического течения металлов и способов упрочнения как создания препятствий перемещению дислокаций. Факты измельчения зерна в результате полиморфных превращений установил В.Д.Садовский, а сплавы цветных металлов, упрочняемые дисперсионным твердением,
разработал И. Н. Фридляндер.

Двадцатый век также ознаменован разработкой и применением в металловедении новейших методов исследования структуры материалов — электронного и рентгеновского. Их применение во многом способствовало важнейшим достижениям в области со здания новых материалов.

 В 1960-х гг. был осуществлен промышленный синтез алмаза, а также созданы синтетические вещества, не встречающиеся в природе, в частности кубический нитрид бора, свойства которого близки к алмазу.

В первой половине XX в. появились полимеры — новые материалы со свойствами, резко отличающимися от свойств металлов. Полимеры широко применяют в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и ряде других областей. Полиэтилен называют полимером, которой позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара.

 

Вопрос 2. Роль материалов в современной технике. Материалы, применяемые на транспорте

Развитие современной техники невозможно без использования
материалов с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые
могут работать как при весьма высоких температурах, так и при
температурах, близких к абсолютному нулю. Компьютерные технологии стали возможными только благодаря использованию материалов с особыми электрическими свойствами.

Материаловедение — одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих технический прогресс.

Задачей материаловедения является установление взаимосвязи
между строением (структурой) материала и его свойствами. Поэтому при исследовании используют как методы изучения строения материала, так и методы, которые позволяют определить поведение материалов в условиях эксплуатации.

Материаловедение – наука, исследующая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, на железной дороге, в энергетике, сельском хозяйстве, свойства которых  зависят от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации.

Для успешного освоения специальных дисциплин, формирующих технический кругозор, «Электромонтер устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ)» по предмету «Материаловедение» должен уметь выбирать материалы на основе конкретного применения в производстве и должен знать основные параметры и свойства конструктивных материалов.

Железнодорожный транспорт и энергетика являются крупнейшими потребителями материалов (в первую очередь металлов и сплавов), поэтому основными вопросами «Материаловедения» остаются изучение зависимости между составом, строением, свойствами и применением металлов и сплавов, основывающихся на современных достижениях химии, физики, технологии производства.

Металлы и сплавы, из них получаемые, можно назвать «хлебом»
машиностроения. Наиболее широко в машиностроительном производстве
применяются сплавы железа с углеродом - сталь и чугун, а также цветные
сплавы - бронза, латуни, дюралюминий и др. Из них делают части (детали)
для тысяч видов машин, станков, приборов и аппаратов, металлические
изделия тысяч назначений, изготовляют из ряда сплавов всевозможные
инструменты. При этом вся необходимая обработка, от самой простой до
самой сложной и тонкой, в свою очередь выполняется на станках и машинах
из металла преимущественно металлическими инструментами и
приспособлениями.

 

Вопрос 3. Классификация металлов и сплавов, сущность процесса кристаллизации

   Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличии от аморфных те в котором атомы расположены хаотично.

Металлы (если их получают обычным способом) представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^-1-10^-5см), различно ориентированных по отношению друг другу кристаллов.
        В процессе кристаллизации они приобретают неправильную форму и называются кристаллитами, или зернами. Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

• высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;
• положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверх -проводимостью;
• термоэлектронной эмиссией, т.е. способность испускать электроны при нагреве;
• хорошей отражательной способностью: металлы не прозрачны и обладают металлическим блеском;
• повышенной способностью к пластической деформации.

        Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние веществ.

Наиболее широкое применение имеют сплавы.
       Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
        Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30-40 раз). При этом на специально изготовленных шлифах можно различить форму и расположение зерен в литом металле, дефекты, нарушающие сплошность металла, химическую неоднородность сплава. И микроструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях). При этом на специально изготовленных микрошлифах различают размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их размер и форму.
        Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе - оптическом или электронном. Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.
        Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волн

((0,04-0,12) 10^-1 нм), дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2-0,5 нм.  Наибольшее распространение нашли просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ, в которых поток электронов проходит через излучаемый объект, представляющий собой тонкую фольгу. Получаемое изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте.
        Очень большое применение получили растровые электронные микроскопы (РЭМ), в которой изображение создается благодаря вторичной эмиссии электронов, получаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. В последние годы для оценки металлургического качества металла, закономерностей процесса разрушения, влияние структурных, технологических и других факторов на разрушение широко применяют метод фрактографии, микрофрактографии – область знания о строении излома. Под изломом понимают поверхность, образующуюся в результате разрушения металла.

Вид излома определяется условиями нагружения, кристаллографическим строением и микроструктурой металла, формируемой технологии ее выплавки, обработки давлением, термической обработки, температурой и средой, в которой работает конструкция.        Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновских лучей с очень малой длиной волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в кристаллическом теле.
        В металловедении все шире применяют метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), для изучения распределения примесей и специально введенных элементов в сплавах. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе, при этом достигает разрешение порядка микрометров.

Для изучения металлов и сплавов нередко используют физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий ( термических, механических и других). Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура-время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях.  Для ферромагнитных материалов применяется магнитный анализ.

  Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.
        Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такая связь называется металлической. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.

В металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.        Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки. Большинство металлов образует три вида кристаллических решеток: ОЦК – объемно центрированную кубическую; ГЦК - гранецентрированную кубическую;  ГПУ – гексагональноплотноупакованную.

 

Вопрос 4. Механические  свойства металлов и сплавов

Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).

Механические свойства металлов при статическом нагружении. В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.

Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение  и относительное сужение.

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида).

Вопрос 5.Технологические свойства материалов и сплавов

Технологические свойства характеризуют обрабатываемость металла: свариваемость, штампуемость, жидкотекучесть, усадку, обрабатываемость резанием  

и т. п.

Технологические свойства - совокупность физических и механических свойств, определяющих способность металлических материалов поддаваться обработке
резанием, сваркой, ковкой, литьем. Они имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления деталей машин и конструкций.

Обрабатываемостью резанием называется способность металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров (с необходимой точностью) и чистоты поверхности. Обрабатываемость резанием определяется по скорости резания, усилию резания и по чистоте обрабатываемой поверхности. При разных методах обработки (точении, сверлении, фрезеровании, шлифовании и т. д.) обрабатываемость одного и того же металла может быть
различной.

Как известно, основным материалом современной техники являются стали. Обрабатываемость сталей зависит от их структуры и химического состава. Крупнозернистая сталь из-за пониженной вязкости лучше обрабатывается резанием,
чем мелкозернистая. Обрабатываемость углеродистых сталей ухудшается с увеличением содержания в них углерода. Чтобы улучшить обрабатываемость углеродистых сталей, в них допускается повышенное содержание серы и фосфора (автоматные
стали). Для улучшения обрабатываемости высоколегированных сталей в них вводят селен, теллур и другие элементы.

Обработка металлов резанием в настоящее время является основным методом окончательной обработки деталей. Сто имость обработки металлов резанием составляет приблизитель но 40—60% стоимости готового изделия. Поэтому в современном машиностроении все отчетливей проявляется тенденция к другие, более прогрессивные методы (бесстружечные) изготовления деталей путем повышения точности исходных заготовок.

Свариваемостью называется способность металлов давать прочные соединения путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния с применением или без применения механического давления.

Свариваемость углеродистых сталей ухудшается с повышением содержания в них углерода. Хорошей свариваемостью обладают малоуглеродистые стали. Чугун сваривается значительно хуже стали.

Ковкостью называется способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, штамповке, прокатке и т. д.). Ковкость металла зависит от его пластичности. Чем металл более пластичен, тем лучше он поддается обработке давлением.

Металлы обладают ковкостью как в холодном, так и в нагретом состоянии. В холодном состоянии хорошо куются латуни и сплавы алюминия, сталь — в нагретом состоянии. Чугун из-за повышенной хрупкости обработке давлением не подвергается.

Литейные свойства металлов определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации.

Жидкотекучесть — это способность расплавленного металла
заполнять форму и давать плотные отливки с точной конфигурацией.

Усадка — сокращение объема расплавленного металла при
затвердевании и последующем охлаждении.

Ликвация — неоднородность химического состава твердого
металла в разных частях отливки.

При выборе литейных материалов учитывают, что чугун обладает высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой и незначительной склонностью к ликвации. Литейные свойства стали хуже, чем чугуна.

Вопрос 6..Виды сплавов

Сплавы получают сплавлением или спеканием порошков двух или более металлов или металлов с неметаллами. Они обладают характерными свойствами, присуще металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплав может состоять из двух и большего числа компонентов.
      

  В металловедение широко используют понятие "система", "фаза", "структура".

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхностями раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных элементов, в сплавах содержатся примеси других веществ.

Существуют металлы высокой чистоты.

 

Вопрос 7. Классификация, состав, свойства, применение чугунов

Чугун, так же, как и сталь, является железоуглеродистым сплавом, но с содержанием углерода, превышающим 2,14%. Чаще всего в промышленности используются чугуны с содержанием углерода от 2,4 до 3,8%.  

Отличительными качествами чугуна являются:

·                                хорошие литейные свойства,

·                                хрупкость,

·                                плохая свариваемость,

·                                низкая способность к пластической деформации.

Изделия из чугуна получают, главным образом, литьем. Обработка производится путем резки, хотя, в принципе, не исключается и прокатка чугуна. Современный уровень производства позволяет выпускать из него изделия любого уровня сложности и модификаций – лифтовые грузы, шары, барабаны, фланцы и др.

Чугун – важнейший машиностроительный материал для литейного производства. Он как конструкционный материал обеспечивает возможность получения заготовок сложной формы и их низкую стоимость. Из широкого ряда свойств этого материала нужно отметить сочетание виброустойчивости с высокой теплопроводностью, а также высокую механическую прочность и хорошую износостойкость.

 Различают белый чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Этот чугун твердый, хрупкий и имеет ограниченное применение.

Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, называется серым.

Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого.

Высокая твердость поверхности (500НВ) обеспечивает хорошую сопротивляемость износу, поэтому из отбеленного чугуна отливают валки листопрокатных станов, шары мельниц и другие детали, которые должны обладать высокой износостойкостью.

Механические свойства серого чугуна зависят от его структуры, главным образом от графитной составляющей.

Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов и пустот. Следовательно, механические свойства будут зависеть от количества, размеров и формы графитных включений.

На процесс графитизации оказывают влияние химический состав и скорость охлаждения чугуна после заливки его в формы.

Углерод и кремний усиливают графитизацию. Марганец и сера препятствуют графитизации и повышают способность чугуна к отбеливанию, т. е. к появлению структурно-свободного цементита, особенно в поверхностных слоях.

 Чем меньше скорость охлаждения чугуна в литейной форме, тем больше степень графитизации. В практических условиях скорость охлаждения определяется главным образом площадью поперечного сечения отливки (толщиной стенки).

В зависимости от формы графитных включений и условий их образования различают чугуны:

серые,

высокопрочные

и ковкие

 

Вопрос 8.  Классификация, состав, свойства, применение  сталей

Сталь – железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится до 2%. Стали присущи свойства, делающие ее незаменимым материалом в машиностроении и других областях производства.

1)По химическому составу различают стали углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь – сплав  железа с углеродом (содержа­ние углерода до 2 %), поддающийся ковке. Кроме железа и уг­лерода, в состав углеродистой стали входят также кремний, марганец, сера и фосфор.

2)Углерод в   стали   находится   обычно   в   виде   цементита,
С увеличением   содержания   углерода до   1,2%   увеличиваются
твердость, прочность и упругость стали, при
этом, однако, уменьшаются пластичность и ударная
вязкость, ухудшаются обрабатываемость и сваривае­мость.

3)Кремний в небольших количествах (нормальное содержа­ние его в стали 0,05—0,35%) не оказывает особого влияния на свойства   стали.   При   повышении   содержания   кремния   повы­шаются   упругость,   коррозионная   стойкость   и   жаростойкость стали.

В обыкновенной стали марганца содержится 0,3—0,8%; та­кое количество марганца почти не влияет на ее свойства. При высоком содержании марганца сталь становится очень твердой и износоустойчивой.

Сера — вредная примесь, придающая стали красноломкость  и понижающая коррозионную стойкость. Серы в стали допускается не более 0,06%.

Фосфор (допускается до 0,07%) придает стали повышенную хрупкость в холодном состоянии. Он несколько улучшает обра­батываемость стали.

Кислород является вредной примесью, он образует закись железа, придающую стали хрупкость.

4)         По применению стали делятся на стали    общего    на­значения     (конструкционные),    идущие   на   изготов­ление деталей машин, и   инструментальные, предназна­ченные для изготовления инструментов.

Конструкционные стали содержат до 0,7% углерода (в виде исключения изготавливаются стали с содержанием углерода до 0,85%). Эти стали должны обладать достаточной прочностью и пластичностью, хорошей обрабатываемостью. Конструкционные стали в свою очередь делятся на стали обыкновенного    качества    и    качественные.

Углеродистые инструментальные стали содержат свыше 0,7% углерода. Сравнительно большое содержание углерода придает этим сталям высокую твердость и прочность. Инструментальные стали подразделяются на качественные и высококачественные.

5)В зависимости от содержания  углерода все  углеродистые  стали делятся на три группы:    низкоуглеродистые     (до    0,25%    углерода),     среднеуглеродистые    (0,25—0,6%   углерода)   и   высокоуглеродистые (от 0,6 до 2% углерода).

6)Легированными   называются   стали,   в   состав   которых, кроме железа, углерода и обычных примесей,   входят легирую­щие химические элементы, повышающие их физические, хими­ческие и механические свойства.

Стали обыкновенного качества применяются в машино­строении и строительстве, из них изготовляют профильный и ли­стовой прокат, крепежные детали, заклепки, трубы, неответст­венные поковки и т. д. Эти стали выплавляются в мартеновских печах  и конверторах.

Сталь обыкновенного качества, изготовляемая мартеновским и конверторным способом, по ГОСТ 380—71 подразделяется на три группы: сталь группы А, в ней завод-изготовитель гарантирует механические свойства; сталь группы Б, поставляемую по химическому составу (в ней гарантируется предусмотренный стандартом химический состав); сталь группы В, поставляемую по механическим свойст­вам и химическому составу.

По степени раскисления эти стали могут быть кипящими — кп, полуспокойными — пс и спокойными — сп.

Стали группы А имеют следующие марки: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 и Ст6. Цифра указывает здесь условный номер марки. Чем она больше, тем выше твердость и прочность стали и тем ниже ее пластичность. В зависимости от числа нормируемых показателей механиче­ских свойств они подразделяются на три категории — 1, 2 и 3. У стали первой категории нормируются предел прочности и относительное удлинение, у стали второй категории — дополнительно — прочность по изгибу в холодном состоянии, у стали  третьей категории нормируется также предел текучести, т. е, че­тыре показателя. Категория марки стали указывается цифрой на конце, например, СтЗкп2, Ст3 — 2 (первая категория не обозначается).

 Стали группы Б имеют следующие марки: БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5 и БСт6, марки подразделяются на две катего­рии — 1 и 2, определяющие число компонентов, по которым га­рантируется химический состав. С увеличением номера марки стали группы Б увеличивается содержание в них углерода.

Марки сталей группы В: БСт2, ВСтЗ, ВСт4 и ВСт5, они различаются как по химическому составу, так и по механическим свойствам и имеют 6 категорий. Предусматривается также выплавка сталей обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, например, сталь марки Ст3Гпс (здесь буквой Г маркируется марганец).

Примерное применение   сталей обыкновенного   качества:

Ст1, БСт1, ВСт1 — листовая, котельная сталь;

Ст2, БСт2, ВСт2 — заклепки, анкерные болты;

 СтЗ, БСтЗ, ВСтЗ — винты, болты, тяги, валики, оси;

Ст4, БСт4, ВСт4 — неответственные зубчатые   колеса, флан­цы;

Ст5, БСт5, ВСт5 — валы, оси, пальцы, клинья, втулки;

Стб, БСтб, ВСт6 — рельсы, валы, оси, кулачки, штифты.

 

Конструкционная качественная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах. В ней гарантируется в со­ответствии с ГОСТ 1050—60 определенные химический состав и механические свойства.

Стандартизованы следующие марки качественной стали: 05кп, 08кп, 10кп, 10, 15 кп, 15, 20 кп, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 и 85.

В обозначении марки числа указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

 Качественная углеродистая сталь общего назначения  имеет более высокую прочность, пластичность и удар­ную вязкость, чем сталь обыкновенного качества. Она применяется в основном для изготовле­ния деталей машин.

Стали марок 10, 15, 20 и 25 — цементируемые, остальные марки — калящиеся.

Низкоуглеродистые стали этой группы пластичны, хорошо свариваются, куются, штампуются, но обладают недо­статочной прочностью.

Из среднеуглеродистых сталей изготавливаются детали, от которых требуется высокая прочность и твердость. Наибольшее распространение имеет сталь марки 45. Свариваемость среднеуглеродистых сталей невысока.

Высокоуглеродистые стали отличаются высокой твердостью и прочностью.

Стали с повышенным содержанием марганца имеют более высокую износоустойчивость и прокаливаемость.

Легированными называются стали, в состав которых, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят легирующие химические элементы, повышающие их физические, химические и механические свойства.

 Стали классифицируют по следующим признакам:

- химическому составу;

-  качеству;

- структуре;

-  применению.

В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (2,5—10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается способ выплавки и содержание серы и фосфора.

По структуре различают стали в отожженном и нормализованном состояниях: в отожженном состоянии —доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный и аустенитный классы; в нормализованном состоянии—перлитный, мартенситный и аустенитный классы, получение которых обусловлено влиянием легирующих элементов на изотермический распад аустенита и поло­жение точки М_н (температура начала мартенситного превращения). К перлитному классу относят углероди­стые и легированные стали с низким содержанием легирующих эле­ментов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.

По применению стали подразделяют на следующие группы: конструкционные стали — для деталей машин и конструкций; инструментальные стали — для различного инструмента;

стали и сплавы с особыми свойствами (жаропрочные, коррозионно-стойкие, магнитные и др.

Конструкционные стали должны обладать высокими механиче­скими свойствами, технологичностью в обработке и быть дешевыми.

 

Вопрос 9. Классификация цветных металлов и сплавов, их состав, маркировка,                  свойства

Цветные металлы используются значительно реже, чем черные. Обусловлено это их незначительными запасами в недрах Земли, дорогостоящей добычей, недостаточной прочностью и сложным технологическим процессом выплавки. Однако, свойства, присущие цветным металлам, делают их незаменимыми в промышленном производстве.

В чистом виде цветные металлы очень редко находят применение. Чаще всего используются их сплавы, полученные в результате смешения расплавленных металлов. Приобретаемые при этом ими новые качества, во многом превосходят свойства составляющих их металлов.

Измененные физические, химические и механические свойства цветных металлов значительно расширяют спектр их применения. К примеру, высокая электро- и теплопроводность меди и алюминия позволяет успешно использовать их в производстве электрических проводников в электротехнике, холодильных установках, радиаторах и теплообменниках. Малая плотность и высокая прочность сплава титана, магния и алюминия послужило его широкому применению в области самолетостроения и космической техники.

Являясь носителями определенных характерных признаков, цветные металлы делятся на группы:

легкие (литий, бериллий, алюминий, титан, магний, кальций, стронций, натрий, цезий и др.)

тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель)

тугоплавкие (вольфрам, молибден, ниобий, тантал, ванадий, марганец и др.)

благородные (золото, серебро, платина, рутений, палладий, родий, осмий)

редкоземельные (скандий, лантан, лантаниды, иттрий, церий, прометий)

рассеянные (германий, индий, гафний, рений, теллур, селен, таллий)

радиоактивные (торий, уран, актиний, радий, нептуний, плутоний и др.).

В зависимости от принадлежности исходных металлов к определенной группе, получаемые сплавы подразделяются на сплавы легких металлов, тяжелых металлов и др.

 

Вопрос 10. Применение, состав и свойства антифрикционных материалов

Опорами вращающегося вала являются подшипники. Несмотря на широкое применение подшипников качения (шариковых, роликовых, игольчатых), подшипники трения скольжения часто используются в узлах трения. Подшипник может быть цельный – втулочный или из двух половин – вкладышей.

Сплавы, из которых изготавливают вкладыши (или только их рабочую часть), называются подшипниковыми. Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие минимальный коэффициент трения между поверхностью вкладыша подшипника и шейкой стального вала.

Основные требования к подшипниковым сплавам:

низкий коэффициент трения при работе в паре с валом;

гетерогенная (неоднородная) структура, «мягкая» основа и «твердые» включения;

хорошая прирабатываемость к шейке вала;

низкая стоимость (вкладыш заменить легче, чем из­готовить вал);

высокая теплопроводность для отвода теплоты из зоны контакта трущихся поверхностей.

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы можно раз­делить на группы: черные, желтые, белые, композиционные.

Черные – антифрикционные чугуны, которые в свою очередь делятся на серые (АЧС-1; АЧС-2), ковкие (АЧК-1; АЧК-2) и высокопрочные (АЧВ-1; АЧВ-2). Они имеют низкую стоимость, выдерживают большие удельные давления, изно­состойкие. Их основной недостаток – высокий коэффициент трения. Рекомендуются для изготовления подшипников с малыми скоростями вращения вала.

Желтые – подшипниковые сплавы – бронзы. Они при­меняются в ответственных подшипниках, работающих с большими удельными давлениями, с ударными нагрузками, при больших скоростях. Их основной недостаток – высокая стоимость. В качестве подшипниковой в основном используется свинцовая бронза, содержащая 30 % свинца (БрС30).

Белые – антифрикционные сплавы на основе олова и свинца, называются баббиты. Применение мягких легкоплав­ких подшипниковых сплавов обеспечивает лучшую сохранность шейки вала. Они имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку. Баббиты, ввиду низкой прочности, наносят заливкой на рабочую поверхность стального или бронзового вкладыша.

Оловянный баббит Б83 – сплав системы «олово – сурьма – медь». С целью упрочнения слишком мягкого (НВ5) и пластичного ( d = = 40 %) олова в сплав добавляют сурьму (11%), и структура его становится гетерогенной.

Одна фаза – «мягкая» основа баббита – твердый раст­вор сурьмы (и частично меди) – в олове обладает большей твердостью и прочностью при сохранении высокой пластич­ности. Другая фаза – химическое соединение олова и сурь­мы – SnSb . Крупные кристаллы этого соединения – «твер­дые» включения – обладают высокой твердостью. Таким образом сурьма упрочняет «мягкую» основу баббита и спо­собствует образованию «твердых» включений.

Сплавы «олово – сурьма» склонны к неоднородности (ликвации по удельному весу). Для предупреждения ее вводится медь, которая, практически не растворяясь в олове, образует кристаллы Cu 3 Sn ( Cu 6 Sn 5 ). Эти кристаллы иголь­чатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслое­нию. Кроме того, в структуре баббита они выполняют роль «твердых» включений. Баббит Б83 обладает наилучшим сочетанием антифрикционных и механических свойств, высо­кой коррозионной стойкостью. Из-за дефицитности олова он используется только в особо ответственных скоростных узлах трения для вкладышей тяжелонагруженных подшипников (мощные паровые турбины, турбокомпрессоры и т. п.).

Для подшипников более широкого применения (в прокатных станах, автотракторных двигателях – машинах сред­ней нагруженности) основным компонентом в баббите явля­ется свинец.

Свинцово-оловянно-сурьмяный баббит Б16 – сплав си­стемы «свинец – олово – сурьма – медь». Олово частично раст­воряется в свинце. Свинец (точнее, твердый раствор) и сурьма образуют эвтектику (НВ18). Олово с сурьмой, как и в Б83, образуют кристаллы SnSb , а медь с сурьмой – химическое соединение Cu 2 Sb . Это соединение играет, ту же роль, что и Cu 3 Sn в оловянном баббите, т. е., предупреждает ликвацию по удельному весу.

«Мягкую» основу структуры сплава составляет эвтекти­ка: кристаллы свинца (точнее, твердого раствора) и кристал­лы твердого раствора олова и свинца в сурьме. Крупные кристаллы SnSb и кристаллы Cu 2 Sb – «твердые» включения. Баббит Б16 отличается пониженной пластичностью, так как «мягкая» основа структуры – эвтектика.

На железнодорожном транспорте сплав Б16 исполь­зуется для заливки вкладышей моторно-осевых подшипников тяговых двигателей локомотивов.

 

Вопрос 11. Понятие, назначение, классификация  электротехнических  материалов

Электротехнические материалы — это специальные материалы, из которых изготовляют электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок. Все электротехнические материалы обычно делят на четыре основные группы:

электроизоляционные (диэлектрики),

 проводниковые,

полупроводниковые (полупроводники)

и магнитные.

Известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и установок зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических
материалов.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других электротехнических материалов можно создать электрооборудование малых габаритов и
массы, надежное в эксплуатации. Но для этого необходимы знания свойств электротехнических материалов и их изменений под воздействием электрического напряжения, температуры и других факторов. Величины, с помощью которых оценивают те или иные свойства материалов, называют характеристиками. Чтобы полностью оценить свойства того или иного электротехнического материала, необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики. У магнитных материалов необходимо еще знать магнитные характеристики, которые позволяют оценить их магнитные свойства.

 

Вопрос 12. Электрические, тепловые и физико-химические параметры электротехнических материалов.  Влияние температуры на свойства электротехнических материалов

Жаропрочность — свойство металлов при высоких температурах сопротивляться деформации и разрушению при действии приложенных напряжений. О жаропрочности судят по результатам длительных испытаний на растяжение при высоких температурах. Основными характеристиками жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности. Жаропрочность зависит от химического состава, структуры и технологии изготовления сплава.

Жаростойкость (окалиностойкостъ) — способность металлов противостоять химическому разрушению поверхности в атмосфере воздуха и газовых средах при температуре свыше 550°С.

Теплоустойчивость — частное понятие жаропрочности; обозначает свойство металла противостоять деформации и разрушению при механическом нагружении в области температур ниже 550°С, когда еще не возникает интенсивного окалинообразования.

Ползучесть — свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при статическом нагружении, особенно при высоких температурах. При повышенных температурах металлы приобретают способность получать остаточные деформации («ползти») даже в тех случаях, когда действующие напряжения лежат значительно ниже предела текучести (упругости) данного металла при заданной температуре.

 

Вопрос 13.Электрические свойства диэлектриков

Диэлектриками называются вещества, обладающие очень малой электропроводностью, способностью поляризоваться и образовы­вать электрическую емкость.

Диэлектрики характеризуются следу­ющими  свойствами:

1)электрическими — поляризация,  электропроводность,   электрическая   прочность;

2)физико-механическими — прочность, твердость, эластичность;

3)химическими — окисляемость,  растворимость.

1.Поляризация диэлектриков.

Поляризацией называется обрати­мый процесс ограниченного упругого смещения электрических за­рядов диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля.

В моменты включения, выключения или изменения напряже­ния происходит смещение зарядов и создается емкостной ток (ток смещения). В диэлектрике (в отличие от проводников) свободные заряды при поляризации передвигаются на сравнительно небольшие расстояния. О степени поляризации диэлектрика можно су­дить по величине диэлектрической проницаемости ε, которая пред­ставляет собой приращение емкости вакуумного конденсатора, если  между электродами   поместить   данный   диэлектрик.

Различают   несколько   видов   поляризации.

Электронная   поляризация     характеризуется    упругим   смещением и деформацией электронных оболочек атомов и ионов. Этот вид поляризации происходит быстро — в течение  10-15 сек,  и так как время поляризации ничтожно мало, не вызывает потерь элект­рической энергии. Электронная поляризация присуща всем диэлек­трикам. Величина поляризации не зависит от температуры, однако ε  уменьшается   с   повышением   температуры.

Ионная поляризация представляет собой смещение зарядов ионов на расстояния, меньшие постоянной решетки, и характерна для твердых тел с ионным строением (например каменная соль). С повышением температуры увеличивается расстояние между ио­нами и уменьшаются силы взаимодействия, в результате чего по­ляризуемость частиц возрастает.

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям и газам и обусловливается ориентированием дипольных молекул под действием поля. Поворот диполей связан с потерями энергии на выделение тепла. После снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает постепенно. Время, в течение которого система возвращается в равновесное состояние, называется временем релаксации.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается и в некоторых твердых полярных органических ве­ществах. В этом случае происходит поворот полярных радикалов, а поляризация называется также дипольно - радикальной .

Ионно-релаксационная поляризация характеризуется смещени­ем слабо связанных ионов вещества под воздействием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие постоянную ре­шетки. После снятия электрического поля возврат ионов к центрам равновесия  происходит   постепенно.

Резонансная поляризация происходит в диэлектриках при све­товых частотах и зависит от физико-химических особенностей тел. Резонансная поляризация связана с аномальной дисперсией света и   пока  еще  недостаточно   изучена.

Спонтанная поляризация наблюдается только у группы твер­дых диэлектриков ионной структуры, к которым относится, сегнетова соль (сегнетоэлектрики). В сегнетоэлектриках имеются неболь­шие поляризованные области—домены, векторы электрических моментов которых ориентированы хаотически и компенсируют друг друга. Под воздействием внешнего электрического поля в сегнетоэлектриках происходит ориентация электрических момен­тов доменов в  направлении  поля, ион  поляризуется.

Структурная поляризация связана с наличием в диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т. д.

2.Электропроводность и электрическая прочность.

Электропро­водность диэлектриков связана с наличием в них свободных электрических зарядов (электронная проводимость), ионов (ионная про­водимость), а в жидких диэлектриках — коллоидных частиц (электрофоретическая проводимость). Наиболее существенную роль играет ионная проводимость, которая возникает за счет примесей, загрязнений,   влаги,   ионизации   нейтральных  молекул.

Под воздействием постоянного напряжения в технических диэлектриках возникает ток сквозной электропроводности (ток уте­чки).

Для сравнения различных диэлектриков по величине электропроводности пользуются понятием удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρ_Ѕ.

Следует отметить, что ρ_Ѕ зависит от состояния поверхности, на его величину влияет образование на поверхности влаги, пленок, за­грязнений. Сопротивление изоляции, а также величины ρ и ρ_Ѕ. зависят от  температуры   и   влажности   диэлектрика.

На величину удельного сопротивления оказывает влияние вы­сокое напряжение. Под его действием в диэлектрике могут образо­ваться свободные электроны за счет вырывания их из атомов, что приводит к снижению сопротивления изоляции. Если напряжение превысит некоторое критическое значение, диэлектрик потеряет свои изоляционные свойства. Это явление называется пробоем диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, назы­вают пробивным напряжением Unp. Свойство диэлектрика про­тивостоять пробою называется электрической прочностью, которая определяется величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика h в месте пробоя.

Электрический пробой происходит почти мгновенно. Он наблю­дается в жидких, твердых и газообразных диэлектриках.

Пробой диэлектриков может возникнуть также в результате тепловых   и   электрохимических   процессов.

Тепловой пробой объясняется местным нагревом диэлектрика за счет потерь электрической энергии до такой степени, что обра­зуется ток сквозной проводимости, при котором происходит раз­рушение материала (расплавление, обугливание). Величина пробивного напряжения зависит при этом от материала изделия, усло­вий охлаждения, температуры среды и др. Тепловой пробой наблю­дается  в   твердых   и жидких диэлектриках.

Электрохимический пробой происходит в электротехнических материалах под действием постоянного или переменного напряже­ния низкой частоты, когда в материале развиваются электрохими­ческие процессы, обусловливающие необратимое уменьшение со­противления диэлектрика (электрохимическое старение). Особенно быстро оно развивается при повышенных температурах и высокой влажности  воздуха.

 

Вопрос 14. Тепловые свойства диэлектриков

К основным тепловым свойствам диэлектрика относят нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость (морозостойкость).

Нагревостойкость. Способность диэлектрика работать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого ухудшения его свойств называется нагревостойкостью.

В зависимости от вида материала и условий его эксплуатации
длительное или кратковременное воздействие повышенной температуры вызывает в диэлектрике различные изменения. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях. В других случаях результатом воздействия повышенной температуры является появление больших остаточных напряжений, которые нарушают форму изделия или ухудшают его механические свойства. У лаковых покрытий, например, при
длительном нагреве резко снижается их эластичность.

У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться химическое разложение, интенсивное окисление, обугливание и даже горение. Помимо ухудшения качеств изоляционных свойств, которые проявляются уже при кратковременном повышении температуры, при длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться изменения, происходящие из-за медленно протекающих химических процессов — тепловое старение изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок — в повышении хрупкости, образовании трещин и отслаивании от подложки. Тепловое старение ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами.

Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных характеристик диэлектрика.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости и соответствующая им предельно допустимая рабочая температура.

При определенной концентрации пары некоторых электроизоляционных жидкостей воспламеняются.

Температура, при которой смесь паров жидкости с воздухом вспыхивает от внесенного пламени горелки, называется температурой вспышки паров.

Теплопроводность. Способность диэлектрика проводить теплоту называется теплопроводностью. Чем больше теплопроводность материала, тем лучше охлаждается устройство, тем выше его допустимая рабочая температура.

Теплота, возникающая при прохождении электрического тока
в проводниках, окруженных диэлектрическим изолятором, передается изолятору. В свою очередь вследствие диэлектрических потерь тепло выделяется в самом изоляторе. Суммарные тепловые потери проводника и изолятора передаются в окружающую среду. От способности изоляции проводить теплоту зависят нагрев проводника и электрическая прочность изоляции. Особое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения. Количественно теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности, который определяется количеством теплоты, прошедшей через единицу площади в единицу времени при
градиенте температуры 1 К/м.

Большинство диэлектриков имеют значения коэффициента
теплопроводности намного меньшие, чем проводниковые материалы. Близкий к проводниковым материалам коэффициент теплопроводности имеют некоторые оксиды металлов (например, А1₂0₃, MgO, ВеО). Коэффициент теплопроводности у оксида бериллия выше, чем у металлического бериллия. Наименьшим значением коэффициента теплопроводности обладают пористые диэлектрики с газовыми включениями.

Для повышения их теплопроводности применяют пропитку или
уплотнение материала под давлением.

Тепловое расширение. Свойство диэлектрика изменять свои линейные размеры под действием температуры называется тепловым расширением. Тепловое расширение оценивается температурным коэффициентом линейного расширения.

Холодостойкость (морозостойкость). Способность электрической изоляции работать при низких температурах без недопустимого ухудшения эксплуатационных характеристик называется холодостойкостью. Органические диэлектрики в области низких температур растрескиваются, теряют гибкость. Например, резина при температуре -60 °С становится хрупкой, как стекло. Ориентировочные значения предельно допустимых низких рабочих температур некоторых диэлектриков: -269°С для фторопласта-4; ~(50...60)°С для лавсана; -(40...70) °С для полиэтилена;
-40 °С для полистирола; -20 "С для капрона; -(5... 15) °С для полипропилена.

Помимо нагревостойкости тепловые свойства материалов характеризуются температурой размягчения для аморфных веществ и температурой плавления для материалов, имеющих кристаллическое строение. Для жидких диэлектриков характерным является температура вспышки паров в смеси с воздухом, т. е. такая температура, при которой смесь паров диэлектрика с воздухом вспыхивает при поднесении слабого пламени.

 

Вопрос 15. Механические свойства диэлектриков

При выборе диэлектрического материала в каждом конкретном случае следует учитывать не только электрические свойства (относительную диэлектрическую проницаемость, удельное электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическую прочность), но и механические свойства.

К основным механическим свойствам относятся упругость, прочность и вязкость.

Упругость. На материалы могут действовать сосредоточенные или распределенные нагрузки, которые вызывают в них механические напряжения. Под действием механических напряжений материал деформируется.

При небольших механических напряжениях выполняется закон Гука, который устанавливает линейную зависимость между механическими напряжениями, и относительной деформацией. В этом случае после снятия нагрузок форма образца восстанавливается.

Прочность. Свойство материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок называется прочностью. Прочность обусловлена силами взаимодействия атомов, из которых состоит материал. Сила взаимодействия двух соседних атомов зависит от расстояния между ними. Если в твердом материале на участке, размер которого соизмерим с межатомным расстоянием, напряжение больше прочности, то по этому участку произойдет разрыв.

 Закон Гука справедлив только до определенного предела. С некоторого значения механического напряжения, деформация растет быстрее, чем по линейному закону. Происходит холодное пластическое течение материала, и после снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение называется пределом текучести.

Дальнейшее повышение механического напряжения приводит
к разрушению образца при напряжении, которое называется  пределом прочности.

Прочность материалов характеризуется пределами прочности
при растяжении, сжатии и изгибе. Пределы прочности измеряются в единицах механического напряжения.

Механическая прочность зависит от типа связей молекул вещества: она максимальна в кристаллах с ковалентной связью и минимальна в кристаллах с молекулярной связью. Для металлов все три предела прочности близки, а для диэлектриков могут сильно отличаться.

Материалы, в которых пластическая деформация не наблюдается и образец разрушается (например, стекло, керамика), называются хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под действием вибраций и динамических нагрузок.

Материалы, в которых участок пластической деформации  очень широк, называются пластичными.

Вязкость. Вязкость присуща материалам, которые находятся в
жидком агрегатном состоянии, и характеризует сопротивление их
течению.

Различают динамическую и кинематическую вязкости.

Динамическая вязкость измеряется в паскалях, умноженных на секунду. Кинематическая вязкость определяется отношением динамической вязкости  к плотности жидкости и измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с).

Вязкость сильно уменьшается с повышением температуры. Это
особенно важно для заливочных и пропиточных электроизоляционных материалов. Заливку таких материалов производят в нагретом состоянии, когда они могут быстро заполнить мельчайшие поры.

 

Вопрос 16.Влажностные свойства диэлектриков

Все изолирующие материалы поглощают влагу. Так как размер
молекулы воды составляет примерно 2,7 • 10~9 м, это позволяет ей
проникать даже в поры таких диэлектриков, как стекло.

Интенсивность и количество проникающей в материал влаги
зависят в основном от состава и строения материала. Чем выше химическое сродство между молекулами воды и изоляционного материала, тем сильнее их взаимодействие и выше влагопоглощение. Наличие пор, сообщающихся с атмосферой, приводит к снижению влагостойкости материала, в то время как плотная его структура затрудняет проникновение воды и повышает влагостойкость.

Влагостойкость — это способность материала сохранять свои
эксплуатационные свойства при воздействии влаги.

Нанесение лакокрасочных покрытий, пропитка лаками, маслами и компаундами, опрессовка пластмассами повышают влагостойкость материала, но полностью не исключают проникновения влаги в его объем. В композитных конструкциях критичными
с точки зрения проникновения влаги в объем являются места сопряжения материалов с различными термомеханическими свойствами (спаи стекла с металлом, керамики с металлом, пластмассы с металлом).

Твердые материалы обладают различной способностью смачиваться водой, нанесенной на поверхность тела.

Влажностные свойства диэлектриков определяются гигроскопичностью (влагопоглощаемостью), водопоглощаемостью и влагопроницаемостью.

Гигроскопичность (влагопоглощаемость). Электроизоляционный материал, находящийся в условиях влажности окружающей среды, постепенно поглощает влагу из воздуха. Способность материала поглощать водяные пары из окружающей атмосферы называется гигроскопичностью. Гигроскопичность материалов зависит от их строения и химической природы. Материалы, содержащие капилляры, в которые может проникать влага, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения. Лишенные пор материалы, например керамика или стекло, накапливают поглощенную из окружающей среды влагу на своей поверхности в виде тонкой пленки. Эта влага не проникает вглубь материала, и такие материалы обладают только поверхностной гигроскопичностью.

Повышение влажности, как правило, ухудшает электрические свойства диэлектриков (удельное электрическое сопротивление р, электрическую прочность Епр, диэлектрическую проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ). Одно и то же количество поглощенной влаги по-разному влияет на электроизоляционные свойства разных материалов. Если поглощенная влага способна образовывать внутри изолятора области, которые пронизывают весь промежуток или значительную часть промежутка между электродами, то даже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему электроизоляционного материала в виде отдельных, не соединенных между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

Для несмачивемых материалов уменьшение поверхностного удельного электрического сопротивления р, при выдержке во влажной среде незначительно, так как влага даже в виде росы образует на их поверхности отдельные капли, а не сплошную водяную пленку. Наиболее заметное ухудшение электрических свойств наблюдается у пористых материалов. Анизотропные материалы впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. Так, в слоистых пластиках влага с большей скоростью распространяется вдоль слоев, а у дерева — вдоль волокон.

Гигроскопичность, определяется отношением массы увлажненного образца к его первоначальной массе: Для оценки гигроскопичности образцы твердых диэлектриков высушивают и помещают в атмосферу с относительной влажностью 96...98 % при нормальной температуре на 24...48 ч. По истечении времени выдержки образцы взвешивают и определяют увеличение массы по сравнению с первоначальной массой.

Водопоглощаемость. Иногда электроизоляционные материалы
соприкасаются не только с воздухом, содержащим пары воды, но и непосредственно с водой. В таких условиях работает изоляция открытых установок, которые подвергаются действию атмосферных осадков; изоляция радиоэлектронной аппаратуры на кораблях или изоляция деталей в насосах. В таких случаях представляет интерес водопоглощаемость.

 Водопоглощаемость — это способность материала поглощать воду. Водопоглощаемость, определяется относительным приращением массы образца после выдержки его в воде в течение 24 ч.

Влагопроницаемость. Большое практическое значение при оценке защитных покрытий имеет влагопроницаемость — способность материала пропускать сквозь себя пары воды.

Большинство материалов в той или иной степени пропускают воду. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость фактически равна нулю.

Вопрос 17. Физико-химические свойства диэлектриков

Электроизоляционным материалам приходится работать в раз­личных условиях (температурный режим, тепловая среда, влаж­ность, агрессивная среда, механические нагрузки). Эти факторы обязывают при использовании диэлектриков учитывать их физико-механические  и  химические   свойства.

Электроизоляционные материалы в определенной степени гигроскопичны и влагопроницаемы. Эти свойства имеют большое практическое значение при оценке качества материала для защитных покровов (шланги кабелей, компаундные заливки, лаковые покры­тия  деталей).

Тепловые свойства диэлектриков характеризуются нагревостойкостью, морозостойкостью, теплопроводностью и тепловым расширеннем. Нагревостойкость -  способность электроизоляционного материала выдерживать действие высокой температуры без заметного ухудшения его свойств.

При использовании электроизоляционных материалов в услови­ях отрицательных температур (космос, Арктика) важна их морозо­стойкость, т. е. способность материала выдерживать воздействие низких температур.

Электрические свойства материалов при низких температурах улучшаются, однако многие материалы становятся хрупкими, неэластичными, что не гарантирует надежность работы изоляции.

Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом   пробое.

Тепловое расширение диэлектриков оценивается температурным коэффициентом линейного расширения.

Диэлектрики характеризуются способностью выдерживать механические нагрузки и не деформироваться под действием меха­нических напряжений. Для твердых диэлектриков важны такие показатели, как прочность на растяжение, изгиб и сжатие, твер­дость, эластичность; для жидких — вязкость.

Химические свойства материалов важно знать для получения надежных в эксплуатации изделий: не разрушаться с выделением побочных продуктов, не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов, не реагировать с кислотами, щелочами, раство­рами солей и т. п. Необходимо также знать растворимость диэ­лектриков в различных растворителях, а для  жидких — их ра­створяемость.

В настоящее время большое значение придается влиянию на диэлектрики радиоактивного излучения высокой энергии и солнеч­ных лучей. Воздействие излучения может привести к молекуляр­ным преобразованиям и химическим реакциям (радиационное ста­рение).

 

Вопрос 18. Классификация, свойства, применение газообразных диэлектриков

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух. Состав воздуха: азот 78%, кислород 20, 99%, углекислый газ 0, 03%, водород 0, 01%, неон 0, 0018% .

Газы находят широкое применение в осветительной технике (неон, аргон, гелий, ксенон), для интенсив­ного охлаждения мощных электромашин (водород), для повышения электрических свойств кабелей (элегаз – электрический газ, представляет собой шестифтористую серу). Важную роль в работе электротехнических устройств, узлов и деталей играет воздух.

Электропроводность газов при небольших напряжениях очень мала, а диэлектрическая проницаемость газов приближается к ва­кууму и для воздуха практически равна единице. Эти характери­стики мало зависят от давления, температуры и других факторов, за исключением влажности, которая значительно увеличивает ди­электрическую   проницаемость.

Одним из свойств газов является их способность ионизировать­ся. Под влиянием приложенного напряжения скорость электронов возрастает. При столкновениях с молекулами они могут выбивать электроны, а молекулы становятся ионами. Этот процесс и носит название ионизации газа. Внешним признаком ионизации газа яв­ляется свечение. При полной ионизации газа между электродами происходит  пробой   в  газе.

Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях рав­на 3,2 кв/мм, элегаза — 7,5 кв/мм.

Элегаз в пять раз тяжелее воздуха, не токсичен, химически стоек; применяется в конденсаторах, кабелях и т. п.

Фреон (дихлордифторметан CCI₂F₂) имеет электрическую проч­ность, близкую к электрической прочности элегаза. Применяется в электрических холодильных установках. Различные инертные газы используются   для   заполнения электровакуумных   приборов.

 

Вопрос 19. Пробой газообразных диэлектриков

При повышении приложенного  к  изоляции  напряжения напряжённость  электрического  поля  в  диэлектрике  превышает  некоторое  критическое  значение,  и  диэлектрик  теряет  свои  электроизоляционные  свойства.  Сквозной  ток,  протекающий  через диэлектрик,  резко возрастает до 108 А/м², сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание между электродами.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика,  называется  пробивным  напряжением  (Uпр,  кВ).  Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика и, следовательно,  не  может  являться  характеристикой  электроизоляционных  свойств  материала,  из  которого  изготовлена  изоляционная конструкция. Характеристикой способности материала сохранять электроизоляционные  свойства  при  воздействии  повышенного напряжения  является  электрическая  прочность.  Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Епр = Uпр / h,   кВ/мм,                         (1)

где h – толщина диэлектрика.

Пробой  диэлектрика  может  происходить  в  однородном  и неоднородном электрических полях. Однородным является электрическое поле, в каждой точке которого напряженность (Е) одинакова.  В  однородном  электрическом  поле электрическая  прочность  имеет  четкий  физический  смысл.  Она  соответствует  напряженности  электрического  поля,  вызвавшего  пробой  электроизоляционного  материала. В  случае  неоднородного  электрического  поля,  определенная  по  формуле  (1)  электрическая  прочность, является условным параметром,  который  служит  для  взаимного сравнения различных материалов, если они были испытаны в идентичных условиях.

Явления, имеющие место в изоляции после пробоя, определяются  как  свойствами изоляционного  материала,  так  и мощностью источника электрической энергии. В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения диэлектрика.  После  снятия  напряжения  в  твердом  диэлектрике может  быть  обнаружен  след  пробоя  в  виде  пробитого,  проплавленного,  прожженного отверстия.  При  повторном  приложении напряжения к  подвергшейся пробою твердой  изоляции  оказывается, что пробой по уже пробитому месту происходит при  весьма малом напряжении.

Таким  образом,  пробой  твердой  изоляции  в  электрических двигателях,  аппаратах, кабелях и  т.  п.  означает  аварию, выводящую данные устройства из строя и требующую  ремонта. Если же пробой происходит в жидком или газообразном диэлектрике, то в силу  большой  подвижности  частиц  после  снятия  напряжения пробитый участок  диэлектрика  полностью  восстанавливает  свои изоляционные  свойства. То  есть в  отличие  от  газообразных  и жидких  диэлектриков,  пробой  твердых  диэлектриков  является необратимым процессом.

В твердых  диэлектриках могут  наблюдаться  три  основных механизма пробоя:

1) электрический;

2) тепловой;

3) электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного: импульсного,  низкой  или  высокой  частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т.д.

 

Вопрос 20. Классификация, свойства, применение  жидких  диэлектриков

Жидкие диэлектрики широко применяют в электротехнических установках. Ими заполняют внутреннее пространство силовых трансформаторов, реакторов, масляных выключателей, конденсаторов, кабелей и других элементов электрооборудования. Жидкие диэлектрики, заливаемые в электрооборудование под вакуумом, хорошо пропитывают пористую изоляцию обмоток, картоны и другие пористые электроизоляционные материалы и намного повышают их электрическую прочность. Жидкие диэлектрики выполняют роль теплоотводящей среды. Так, изоляционное масло в трансформаторах нагревается у обмоток, а затем, перемещаясь к холодным стенкам бака трансформатора, отдает им полученное тепло. В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токоведущие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу,
которая возникает между контактами срабатывающего
выключателя.

В качестве жидких диэлектриков наибольшее применение получили нефтяные электроизоляционные масла.

Они делятся на три группы: для трансформаторов и высоковольтных выключателей; для пропитки бумажной изоляции конденсаторов; для высоковольтных кабелей. Меньшее применение нашли синтетические масла: совол,
совтолы и ПЭСЖ («Калория-2»).

В качестве диэлектри­ков могут применяться только неполярные или слабополярные жидкости. Наибольшее значение имеют трансформаторные и ка­бельные масла, кремнийорганические жидкости.

Трансформаторное масло получают путем ступенчатой перего­нки. Это светло-желтая, слабовязкая жидкость. Трансформатор­ное масло используется для отвода тепла от катушек и сердечни­ков и усиления твердой изоляции в трансформаторах, для гашения дуги   в   масляных   выключателях.

Кабельное масло имеет повышенную вязкость и применяется для улучшения изоляции кабелей путем их пропитки и заливки. Кремнийорганические диэлектрики применяются для гидрофобизации керамических, целлюлозных и других материалов. Жид­кость «Калория-2», используемая для заливки конденсаторов и небольших трансформаторов, характеризуется очень малой зави­симостью   электрических   характеристик   от   температуры.

Среди воскообразных диэлектриков следует отмстить парафин, озокерит    (горный   воск),   церезин.

 

Вопрос 21. Нефтяные масла

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик – это трансформаторное масло. Трансформаторное масло выполняет несколько функций в маслонаполненном электрооборудовании: трансформаторах, силовых выключателях, реакторах.

В  трансформаторах  масло  является  одновременно  электроизоляционным материалом и теплоотводящей средой, а также защищает твердую изоляцию от увлажнения. Масло, залитое в масляный  выключатель,  охлаждает  канал  электрической  дуги,  возникающей между контактами при отключении электрической цепи, и способствует ее гашению в момент прохождения тока через ноль. Поэтому от качества масла и его состояния в значительной степени зависит надежная и бесперебойная работа электрооборудования.

Для  получения  масла  осуществляют  перегонку  нефти  под вакуумом, в результате чего происходит деление на фракции (одна из фракций – мазут). Трансформаторное масло изготавливается из фракций нефти, которые выкипают при 300-400° С при атмосферном давлении.

Трансформаторное  масло  состоит  из  нафтеновых,  парафиновых и ароматических углеводородов. Кроме того, масло содержит небольшое количество серы, кислорода, азота, органических кислот  и  их  солей. Содержание углерода  в  нефти  колеблется  от 82 до 87%, водорода от 11 до 14%, содержание азота и кислорода обычно не превышает десятых долей процента.

Для  удаления  смол,  серы  и  других  вредных  примесей  дистиллят  сначала  обрабатывают  крепкой  серной  кислотой,  затем нейтрализуют щёлочью, промывают водой и просушивают горячим воздухом. После дальнейшей очистки получается трансформаторное  масло. В  зависимости  от  происхождения, нефти  обладают различными свойствами, и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах трансформаторного масла.

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла следует отметить, что оно горючее,  биоразлагаемое,  практически  не  токсичное,  не  нарушающее озоновый слой.

Одним  из  основных  показателей,  характеризующих  изоляционные  свойства  трансформаторных  масел  в  практике  их  применения, является их электрическая прочность:

Епр =Uпр / h ,   кВ/мм                                 (1)

где  Uпр – пробивное  напряжение ,  h – толщина  диэлектрика  в месте пробоя.

Вязкость является одним из важнейших свойств масла. Для получения  большей электрической  прочности  желательно  иметь масло  более  высокой  вязкости.  Для  того  чтобы  хорошо  выполнять  дополнительные  функции  в  трансформаторах  (как  охладающая  среда)  и  выключателях  (как  среда для  дугогашения), масло должно  обладать  невысокой  вязкостью,  в  противном  случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели – разрывать электрическую дугу в установленное для них время. Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости  для  различных  масел.  Кинематическая  вязкость  для  большинства масел при температуре 20° С составляет 28–30∙10-6 м²/с.

Температурой  застывания называется  температура,  при  которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 450 его уровень остается неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45° С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35° С.

Для  эксплуатационных  масел  допускается  ряд  отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от того,  в  каких  трансформаторах  и  выключателях  находится  масло: наружной установки или установленных в помещениях.

Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до - (60–65)° С, однако при этом понижается и температура вспышки до 90–100° С.

Температурой  вспышки называется  температура  нагрева масла,  при которой его  пары  образуют  с  воздухом смесь,  воспламеняющуюся  при  поднесении  к  ней  пламени. Вспышка  происходит  настолько  быстро,  что  масло  не  успевает прогреться  и  загореться.

  Температура  вспышки  трансформаторного масла не должна быть ниже 135° С.

Если  нагреть  масло выше температуры  вспышки,  то  наступает  такой  момент,  когда  при  поднесении  пламени  к  маслу  оно загорается.  Температура,  при  которой  масло  загорается  и  горит, не менее 5 секунд, называется температурой воспламенения масла. Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется  температурой  самовоспламенения. Для  трансформаторного масла она составляет 350–400° С.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90° С и напряженности поля 0,5 кВ/мм, и оно не должно превышать 5·10¹⁰ Ом∙м для любых сортов масел. Удельное сопротивление масла, как и вязкость, значительно уменьшаются  с ростом  температуры  (более  чем  на  порядок  при увеличении температуры на 50° С).

Диэлектрическая  проницаемость (ε) масла  невелика  и колеблется  в  пределах  2,1–2,4.  Тангенс  угла  диэлектрических  потерь определяется  наличием  примесей  в  масле.  В  чистом  масле он  не  должен превышать 2∙10^-2 при  температуре 90° С и частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tgδ возрастает  и  может  достигать  более  чем  0,2.  По  величине  ε и  tgδ можно судить о степени  увлажнения и загрязнения трансформаторного масла.

Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. По имеющимся данным в 1 см³ трансформаторного масла при комнатной температуре растворяется:  азота  0,086  см³;  кислорода  0,16  см³;  углекислоты  1,2 см³. При этом кислород не только растворяется, но и химически соединяется  с  маслом,  образуя  продукты  окисления.  Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан  и  используется  способ  определения  дефектов  в трансформаторе  по  наличию  растворенных  в  масле  газов,  так  называемый хроматографический анализ.

 

Вопрос 22. Классификация, свойства, применение  твердых  диэлектриков

Твердые диэлектрики (волокнистые и слоистые). К волокнис­тым материалам относятся конденсаторная бумага, электротехни­ческий картон, текстильные материалы. Бумажные диэлектрики используются в конденсаторах при высокой напряженности элект­рического поля, поэтому к конденсаторной бумаге предъявляют высокие требования. Она отличается малой толщиной и большой плотностью.

Электротехнический картон отличается от бумаги повышенной толщиной. Выпускается в листах и рулонах; предназначен для ис­пользования   на   воздухе.

Текстильная промышленность производит для электрической изоляции пряжу, ленты, ткани. Пряжу и ленты применяют обычно для оплеточной и обмоточной изоляции; ткани используют в лаки­рованном виде. Электроизоляционные лакоткани изготовляют пу­тем пропитки тканей масляными или масляно-битумными лаками. Шелковая лакоткань по сравнению с хлопчатобумажной обладает более высокой электрической прочностью, меньшей толщиной и по­вышенной эластичностью. Лакоткани применяют в качестве изоля­ции для трансформаторов, катушек индуктивности и т. п.

К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит, стекло­текстолит и др. Эти материалы получают путем горячей прессовки бумаги (гетинакс), хлопчатобумажной ткани (текстолит) или стек­лоткани (стеклотекстолит), пропитанных различными смолами. Применяются они в качестве конструкционных и электроизоля­ционных   материалов.

 

Вопрос 23. Твердые полимеризационные диэлектрики

Среди диэлектриков значительное мес­то занимают органические соединения, содержащие связанные между собой атомы углерода. По строению молекул различают линейные  а   пространственные   полимеры.

Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, способны растворяться в растворителях, вытягиваться в нити и пленки. К ним относятся полиэтилен, полиизобутилен, полистирол, фторопласт-4; применяются для изготовления различных фасонных из­делий,   мостов,   пленок,   изоляции   кабельной   продукции. К  пространственным  полимерам   относятся   поливинилхлорид,

винипласт, пенопласты, органическое стекло и др. Они широко используются для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей, линз   телевизоров.

Различные виды композиционных пластмасс применяются для изготовления корпусов радиоприемников, телевизоров, измеритель­ных приборов, ламповых панелей и т. п.

Эластомеры или синтетические каучуки характеризуются, наряду с высокой эластичностью, малой проницаемостью для влаги и газов и являются хорошими диэлектриками. Наиболее распрост­ранены бутадиеновый, а также хлоропреновый бутилкаучук и кремнийорганические каучуки, которые применяются для изготов­ления электроизоляционных материалов. Среди новейших видов каучуков полиуретановые отличаются высокой механической проч­ностью, а сополимер фторуглеродов обладает высокой химической и нагревостойкостью.

 

Вопрос 24. Твердые поликонденсационные диэлектрики

Поликонденсация — это процесс соединения молекул нескольких исходных (мономерных) веществ в большие молекулы высокополимерного вещества. Как правило,
реакция поликонденсации протекает в несколько этапов.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденсации, обладают несколько пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, полученными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ —
воды, кислот, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропроводность материала. Из поликонденсационных диэлектриков наибольшее применение в электротехнике получили резольные, новолачные, полиэфирные и эпоксидные смолы.

Резольные смолы являются термореактивными веществами, которые в своей конечной стадии не размягчаются при нагревании. Переход в неплавкое и нерастворимое состояние у резольных смол совершается в три стадии. Только что полученная смола находится в первоначальной стадии А (резол). Она размягчается при нагреве и растворяется в растворителях. При дальнейшем нагревании резольная смола переходит в стадию В, в которой она еще может размягчиться (при 95°С), но уже не растворяется в растворителях. При последующем нагревании смола переходит в конечную стадию С. В этой стадии резольная смола состоит из больших трехмерных молекул и уже не способна плавиться и растворяться. Это свойство резольных смол используется в производстве термореактивных пластмасс (гетинакс, текстолит и др.).

Из резольных смол наибольшее применение в электротехнике имеет бакелитовая смола (бакелит). Она образуется в результате реакции поликонденсации, протекающей между кристаллическим фенолом (С₆Н₅—ОН) и формалином (40%-ный раствор газа — формальдегида СН₂0 в воде) в присутствии щелочного катализатора —
гидрата окиси бария Ва(ОН)₂ или гидрата окиси аммония NH₄OH — в виде 25%-ного раствора в воде. Формальдегид берется в избытке.

Для получения бакелитовой смолы определенное количество компонентов (фенол, формалин и катализатор) загружают в реактор, где они перемешиваются вращающейся мешалкой. Затем смесь нагревают до 95° С. При этой температуре начинается реакция поликонденсации, в результате которой в нижней части реактора образуется густая сиропообразная масса коричневого цвета. Это бакелитовая смола в первоначальной стадии А. После сушки под вакуумом (при 60° С) смолу разливают в металлические противни. Охлажденная (до комнатной температуры) бакелитовая смола представляет собой твердое хрупкое вещество коричневого цвета. Ее применяют в качестве связующего вещества в пластмассах, а также для получения бакелитовых лаков. Чтобы получить спиртовой бакелитовый лак, этиловый спирт вводят в варочный котел для растворения высушенной смолы в стадии А. Обычно получают лак с содержанием 50—60% бакелитовой смолы.

С целью экономии этилового спирта широко применяют жидкие водно-эмульсионные бакелитовые смолы, содержащие 15—20% воды. Спиртовыми лаками и жидкими смолами пропитывают волокнистые основы (бумага, ткани), применяемые для производства слоистых электроизоляционных материалов — гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и др. Если вместо кристаллического фенола взять крезол (жидкое вещество) и провести поликонденсацию между крезолом и формальдегидом, то получится крезолформальдегидная смола. Эта смола тоже относится к резольным смолам. Она обладает более высокими электроизоляционными свойствами.

Все резольные смолы являются полярными диэлектриками, поэтому их диэлекрическая проницаемость ε =5—6. В своей конечной стадии С резольные смолы обладают стойкостью к минеральным маслам и воде, но они не стойки к электрическим искрам. Под действием искровых разрядов поверхность резольных смол легко
обогащается углеродом, в результате чего создаются науглероженные токопроводяшие дорожки. Вследствие этого пластмассовые изделия, изготовленные на основе
резольных смол, не рекомендуется применять там, где
возможно образование сильных электрических искр.

Новолачные смолы (новолаки), как и резольные, получают в результате реакции поликонденсации между фенолом и формальдегидом, но при недостатке формальдегида. При этом применяют кислотный катализатор —соляную кислоту.

Полученная новолачная смола представляет собой густую массу светло-коричневого цвета, которую в нагретом состоянии разливают в противни. В остуженном
состоянии новолачная смола представляет собой твердое хрупкое вещество, растворяющееся в этиловом спирте и ацетоне. Электроизоляционные свойства новолачных смол ниже, чем у резольных.

Новолачные смолы являются термопластичными веществами. Они сохраняют плавкость и растворимость при длительном хранении и даже при нагревании до
200°С. Новолачные смолы могут быть переведены в неплавкое и нерастворимое состояние при взаимодействии их (в нагретом состоянии) с уротропином (CH₂)N₄. Этим пользуются для получения быстро прессующихся пластмасс на основе новолачных смол. Для этого в порошкообразную новолачную смолу вводят 15—20% уротропина (порошок белого цвета). Из полученной смеси прессуют в стальных нагретых пресс-формах пластмассовые
детали для электрических аппаратов низкого напряжения (основания и крышки выключателей, патронов), а также конструкционные детали (кнопки, рукоятки и др.).

Глифталевме смолы (глифтали) относятся к группе полиэфирных смол, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов (гликоль, глицерин и др.) и органических кислот (фталевая, малеиновая и др.). Глифталевые смолы получают в результате реакции поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при
избытке последнего.

Для обеспечения достаточной гибкости глифталевые смолы модифицируют, т. е. в процессе поликонденсации в них вводят жирные кислоты и растительные масла, например касторовое.

Отличительной особенностью глифталевых смол является их высокая клеящая способность при хороших электрических характеристиках, стойкость
к поверхностным разрядам и повышенная нагревостойкость до 130° С (класс В).

Глифталевые смолы в электротехнике используются как основы для клеящих, пропиточных и покровных лаков, пленки которых (после запекания) оказываются стойкими к нагретому минеральному маслу.

Клеящие глифталевые лаки нашли большое применение для клейки слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканиты, микаленты).

Лавсан — прозрачный высокополимерный диэлектрик кристаллического или аморфного строения. Как и глифтали, он относится к полиэфирам. Лавсан кристаллического строения получают в результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Изготовленные из него прозрачные лавсановые пленки толщиной 30—100 мкм находят широкое применение в
качестве пазовой изоляции в электрических машинах. Часто лавсановую пленку наклеивают на электротехнический картон или на стеклянную ткань и в таком сочетании применяют в качестве пазовой изоляции в электрических машинах. Лавсановые пленки стойки к растворителям, содержащимся в лаках, а также к плесневым грибкам и влаге и поэтому могут применяться в электрических машинах и аппаратах тропического исполнения. Лавсановые пленки могут длительно работать при температурах, не превышающих 120° С (класс нагревостойкости Е).

При довольно большой электрической прочности лавсановые пленки нестойки к электрической «короне» (светлое фиолетовое свечение). Поэтому область применения их ограничивается электрооборудованием низкого напряжения. При длительном нахождении в трансформаторном масле при 110—120° С пленки приобретают хрупкость.

Эпоксидные смолы представляют собой сиропообразные жидкости или твердые вещества желтой или светло-коричневой окраски. Жидкие эпоксидные смолы являются низкомолекулярными веществами, но при большой молекулярной массе (свыше 1000) эпоксидные смолы представляют собой твердые вещества.

Эпоксидные смолы получаются в результате реакции поликонденсации хлорированного глицерина с резорцином или дианом (дифенилолпропан). Процесс образования смолы происходит в щелочной среде. Молекулы эпоксидных смол содержат так называемые эпоксидные группы, откуда произошло название этих смол.

Эпоксидные смолы нашли широкое применение в электротехнике как основы электроизоляционных заливочных компаундов, а также в качестве клеящих лаков
и клеев. Достоинством эпоксидных компаундов является очень малая объемная усадка (0,6—1,0%) при их отвердевании. Кроме того, затвердевшие эпоксидные смолы обладают большой механической прочностью и стойкостью к воде.

В качестве отвердителей применяются ангидриды малеиновой и фталевой кислот и другие вещества (пиридин и др.). В зависимости от состава применяемого отвердителя процесс отверждения жидкой эпоксидной смолы может протекать при нагревании до 100—160° С или при комнатной температуре.

 

Вопрос 25. Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики

Высокополимерные органические диэлектрики могут длительно использоваться при температурах до 90—105° С и только некоторые из них, например глифталевые смолы,— до 130° С. Таким образом, подавляющее большинство органических диэлектриков может длительно работать при температурах, не превышающих 90—105° С (классы нагревостойкости Y и А). При превышении указанных температур органические диэлектрики в результате теплового старения быстро разрушаются.

 Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электрокерамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции. Как показали исследования, основной причиной низкой нагревостойкости высокополимерных органических диэлектриков является сравнительно малая энергия
химической связи между атомами углерода, составляющими основы молекул органических диэлектриков. Так,  например, энергия химической связи между атомами углерод — углерод (С — С) равна 58,6 ккал/моль.

При нагревании диэлектриков в процессе их использования до температуры, при которой тепловая энергия будет выше энергии химической связи, они претерпевают
тепловое старение, т. е. разрушаются. Надо было изыскать новые виды диэлектриков, которые бы состояли из молекул с большей энергией связи.

В результате многочисленных исследований были
разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики.

Основу молекул этих диэлектриков составляет силоксановая группировка атомов —Si — О — Si—, энергия связи которой равна 89,6 ккал/моль. Вследствие этого
кремнийорганические диэлектрики обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с органическими диэлектриками.

Название «кремнийорганические диэлектрики» обусловлено тем, что в состав их молекул, кроме атомов кремния и кислорода, входят остатки различных органических соединений: СН₃, С₂Н₅, С_бН₅ и др. Эти органические остатки называются органическими радикалами и обозначаются буквой R.

В зависимости от присоединенных органических радикалов и от числа последних, приходящихся на один атом кремния, могут быть получены жидкие, каучукоподобные и твердые диэлектрики. Это либо бесцветные вещества, либо имеющие окраску от бледно-желтой до коричневой. Отличительной особенностью всех кремнийорганических диэлектриков является их высокая нагревостойкость и холодостойкость. Кремнийорганические электроизоляционные материалы (пластмассы, резины,
лаки и др.) могут длительно работать в интервале температур от – 60 до 180° С, а некоторые из них до 220° С. Кремнийорганические диэлектрики отличаются высокой стойкостью к воде, минеральным маслам, а также к электрическим искровым разрядам.

Электрические характеристики кремнийорганических диэлектриков находятся на высоком уровне и мало изменяются при нагревании и при воздействии воды
Кремнийорганические  материалы являются слабополярными диэлектриками.

Фторопласт-4. Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала фторопласта-4. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Он получается в результате полимеризации сжиженного газа — тетрафторэтилена F₂C = CF₂. Образующийся полимер представлявляет собой рыхлый порошок, из которого прессованием (в стальных пресс-формах) получают различные изделия. Чтобы образовался плотный монолитный материал, отпрессованные при комнатной температуре изделия подвергают спеканию в печах. При быстром охлаждении нагретых до 370° С заготовок и изделий материал имеет аморфное строение, а при медленном охлаждении он приобретает
микрокристаллическую структуру. Последняя обеспечивает материалу хорошую обрабатываемость и стабильность его свойств.

Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250° С) и холодостойкость (—269°С). При нагреве до 327°С (точка перехода) его кристаллическая структура переходит в аморфную и материал приобретает прозрачность. При нагреве до температуры 415° С материал не размягчается, но начинается термическое разложение его с отщеплением свободного фтора, являющегося токсичным веществом.

Основной причиной весьма высокой нагревостойкости фторопласта-4 является большая величина энергии химической связи между атомами углерода и фтора
(107 ккал/моль) в его молекуле. Фторопласт-4 отличается также исключительной химической стойкостью. Он не растворяется ни в одном из растворителей как при
комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость фторопласта-4 равна нулю и он не смачивается водой.

Фторопласт-4 неполярный диэлектрик, вследствие чего его электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Большое применение в электротехнике имеют тонкне (от 10 до 200 мкм) пленки.

Отрицательным свойством фторопласта-4 является его текучесть при комнатной температуре, т. е. он начинает деформироваться при напряжениях в материале от 130-10⁵ Н/м² и выше. Поэтому на изделия из фторопласта-4 нельзя допускать механические нагрузки, создающие в материале напряжения выше 130-10⁵ Н/м².

Наряду с фторопластом-4 наша промышленность выпускает разновидности этого диэлектрика: фторопласт-4Д, фторопласт-40 и др. Они отличаются от
фторопласта-4 формой, размерами частиц порошкообразной массы и более широкими возможностями переработки этих типов фторопласта в изделия, Значения механических и электрических характеристик фторопласта-4Д и фторопласта-40 очень мало отличаются от значений соответствующих характеристик фторопласта-4.

Полиимиды— новые нагревостойкие органические диэлектрики, могущие длительно использоваться при температурах 200—220° С. Полиимидные электроизоляционные изделия (пластмассы) могут использоваться при
температурах до —155° С и ниже, а электроизоляционные полиимидные пленки могут длительно выдерживать низкие температуры (—190°С), не разрушаясь. Полиимиды являются химически стойкими диэлектриками. Они не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и вода. Разрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар.

Полиимиды представляют собой диэлектрики, получаемые в результате реакции поликонденсации ангидрида пиромеллитовой кислоты и некоторых ароматических
соединений — диаминов. На основе полиимидов изготовляют эмаль-лаки для эмалирования обмоточных проводов. Эти провода могут длительно работать при температурах до 220° С. Из полиимидов получают гибкие полупрозрачные
электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Полиимидные пленки выпускаются толщиной от 5 до 100 мкм и более. Влагопоглощаемость пленок относительно большая и составляет в среднем 1% за 24 ч нахождения пленок в
парах воды при 20° С, поэтому обмоточные провода с пленочной полиимидной изоляцией необходимо пропитывать нагревостойкими и водостойкими лаками.

Накладываемую на провода полиимидную пленку подклеивают к проводу с помощью клеящего полиимидного лака. Полиимидные пленки применяют также в качестве пазовой изоляции в электрических машинах нагревостойкого исполнения.

На основе термопластичных полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного и конструкционного назначения. Для этого используют как чистые полиимиды, так и наполненные стекловолокном и другими нагревостойкими наполнителями. Изделия из полиимидов изготовляют литьем и прессованием при температурах 350—400° С.

 

Вопрос 26. Компаунды

Компаунды— это смеси различных изоляционных веществ, затвердевающие при охлаждении или отверждающиеся при комнатной температуре вследствие полимеризации.

Компаунды применяются как пропиточный и заливочный материал для защиты от влаги и повышения электроизоляционных свойств материалов.

В последние годы начали широко применяться эпоксидные ком­паунды, отличающиеся высокой механической прочностью, нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами.

Пропиточные лаки  применяются для про­питки волокнистой изоляции, тканей, бумаги, что способствует по­вышению влагостойкости и электроизоляционных свойств. Покров­ные лаки обладают теми же свойствами, но придают изделиям атмосферостойкость и улучшают внешний вид. Клеящие лаки слу­жат для склеивания между собой электроизоляционных материа­лов. Они должны обладать высокой адгезией к различным мате­риалам.

Вопрос 27. Металлокерамические материалы и их применение

Металлокерамические или порошковые сплавы получают из металлических порошков методом их прессования и последующего спекания при температуре ниже температуры плавления исходных материалов или с частичным расплавлением наиболее тугоплавкой составляющей смеси.

Основным сырьем для получения металлокерамических изделий являются порошки вольфрама, титана, кобальта, марганца, хрома, железа, меди, олова, алюминия, ферросплавов и других металлов и сплавов.

Способом порошковой металлургии получают металлокерамические детали, твердые сплавы, фрикционные и антифрикционные материалы, а также полупроводниковые материалы.

Материалы и изделия, полученные методами порошковой металлургии, обладают жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными свойствами, механическими свойствами, которые незначительно уступают механическим свойствам литых и кованных заготовок.

Методами порошковой металлургии могут быть изготовлены
детали, которые получают литьем. Но потери при изготовлении деталей методами порошковой металлургии составляют 3...7%, а отходы материала при литье иногда достигают 80%. Однако методы порошковой металлургии наиболее эффективны в условиях серийного и массового производства.

Технологический процесс изготовления металлокерамических изделий состоит из следующих операций: приготовление порошков, приготовление смеси (шихты) порошков заданного состава, дозирование шихты, формование деталей, спекание, калибрование или чеканка, отделочные операции.

Продолжительность процесса спекания может составлять от нескольких минут до нескольких часов, что зависит от конфигурации и размеров изделия.

При горячем прессовании процессы прессования и спекания проводят одновременно, что сокращает время спекания в 20...30 раз. После спекания заготовки калибруют или чеканят, т. е. снимают большим давлением с помощью пресс-формы, выполненной точно по размерам готового изделия, дефектный поверхностный слой заготовки.

Широкое распространение получили металлокерамические твердые сплавы, которые обладают высокой твердостью и износостойкостью из-за наличия в их составе карбидов вольфрама, молибдена, хрома и титана. Применяют металлокерамические твердые сплавы для режущего и штамповочного инструмента, наплавки на быстроизнашивающиеся детали.

Для изготовления металлокерамических твердых сплавов используют мелкие порошки карбида вольфрама или карбида титана, обладающих высокой твердостью. В качестве вязких связующих материалов в смесь вводят кобальт или никель. В электродах, которые используются для герметизации корпусов микросхем ударной конденсаторной сваркой, применяют твердый сплав эльконайт. Сплав получают методом порошковой металлургии, пропитывая спресованные вольфрамовые заготовки  в виде слитков цилиндрической формы.

Широкое применение керамических диэлектриков объясняется их высокими механическими и электрическими свойствами, недифицнтностью, сравнительной простотой технологии изготовления и не­высокой стоимостью изделий.

Алюминоксид состоит на 95—98% из чистой окиси алюминия с небольшими добавками мрамора, глины. Обладает исключительно высокими электрическими и механическими свойствами; применяет­ся для изготовления антенных изоляторов в вакуумной технике.

Ультрафарфор содержит 38—80% корунда, 10—50% глинистых веществ и небольшое количество углекислых бария и стронция. Устойчив к резкой смене температур, химически стоек, имеет низкие диэлектрические потери; применяется для установочных деталей, изоляторов, конденсаторов.

Титанат бария обладает сегнетоэлектрическими свойствами, механически прочен, не боится действия влаги. Применяется для изготовления малогабаритных конденсаторов большой емкости, пьезоэлектрических преобразователей, используется в счетно-вычислительной технике.

Вариконды — материалы с резко выраженными нелинейными свойствами; используются для управления параметрами электри­ческих цепей в электро- и радиосхемах, в запоминающих устройст­вах.

 

Вопрос 28.Классификация, характеристики, марки, применение проводниковых материалов

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока; только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39° С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Все электротехнические материалы по их способности прово­дить электрический ток делят на три группы:

 - первую группу составляют проводниковые материалы, из которых изготов­ляют токопроводящие части линий электрических передач, электрических машин и аппаратов — это чистые металлы и сплавы металлов.

- вторую группу составляют электроизоляционные материа­лы (диэлектрики), которые используют для изоляции токопроводящих частей друг от друга и от заземленных частей электрообо­рудования.

 - в третью группу входят полупроводники, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их применяют для изготовления усилителей, выпрямителей, фото­элементов и других электротехнических приборов.

Среди электротехнических материалов есть группа материалов, обладающих способностью намагничиваться. Это магнитные ма­териалы, которые применяют для концентрации магнитной энергии в электрических машинах, аппаратах и приборах.

Проводниковые материалы оценивают по величине их электри­ческой проводимости, а чаще — по величине электрического сопро­тивления R. Величина электрического сопротивления металлов при изменении напряжения ос­тается постоянной, что яв­ляется характерным их свойством.

С повышением температуры электросопротивление возрастает. Это объясняется тем, что нагрев проводника повышает энергию ионов, в результате чего их колебание в узлах кристаллической ре­шетки усиливается, электроны в большей мере сталкиваются с ионами.

Величина R относится к проводнику любого сечения, поэтому она не может характеризовать проводниковый материал. Величи­на, с помощью которой оценивается электрическое сопротивление, называется удельным электрическим сопротивлением и обознача­ется греческой буквой ρ.

Свойство проводниковых материалов проводить электрический ток оценивается также величиной удельной проводимости γ.

На величину удельного электрического сопротивления р и удельной проводимости γ оказывают большое влияние примеси. Такие примеси, как Мn и А1, сильно снижают проводимость меди, a  Ag,  Аи и  Zn — в значительно меньшей степени.

На удельную проводимость оказывает влияние пластическая деформация в холодном состоянии (наклеп).  С увеличением степе­ни деформации проводимость металла несколько снижается. При устранении наклепа рекристаллизационным отжи­гом проводимость восстанавливается. В связи с этим отличают мягкие (отожженные) проводниковые металлы (в марках материа­лов обозначаются буквой М) и твердые (необожженные), обозна­чаемые буквой Т.

Электропроводимость сплавов в значительной степени зависит от типа диаграмм состояния сплавов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы. Они составляют группу металлов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого электрического сопротивления.

 

Вопрос 29. Свойства меди и ее сплавы

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Медь относится к металлам, известным с глубокой древности.

Технически чистая медь обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью (100% чистая медь-эталон, то 65%-алюминий, 17% железо), а также стойкостью против атмосферной коррозии. Позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий.

Температура плавления меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94 г/см^{3 .} Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением (из меди можно сделать фольгу толщиной 0,02 мм), плохо резанием.

Литейные свойства низкие из-за большой усадки.

На свойства меди большое влияние оказывают примеси: все, кроме серебра и бериллия ухудшают электропроводность.

Стоимость чистой меди постоянно повышается, а мировые запасы медной руды, по различным оценкам, истощатся в ближайшие 10-30 лет.

Медь маркируют буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра, тем больше в ней примесей. Наивысшая марка М00 – 99,99% меди, М4 – 99% меди.

В технике применяют 2 большие группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца. Медные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием – сплавами, обрабатываемыми давлением.

Латуни дешевле меди и превосходят ее по прочности, вязкости и коррозионной стойкости. Обладают хорошими литейными свойствами.

Латуни, применяются в основном для изготовления деталей штамповкой, вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами, требующими высокой пластичности материала заготовки. Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов.

В зависимости от числа компонентов различают простые (двойные) и специальные (многокомпонентные) латуни.

Простые латуни содержат только Cu и Zn.

Специальные латуни содержат от 1 до 8% различных легирующих элементов (Л.Э.), повышающих механические свойства и коррозионную стойкость.

Al, Mn, Ni повышают механические свойства и коррозионную стойкость латуней. Свинец улучшает обрабатываемость резанием. Кремнистые латуни обладают хорошей жидкотекучестью и свариваемостью.

Бронзы – это сплавы меди с оловом (4-33% Sn), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой, фосфором и другими элементами.

Бронзы – это всякий медный сплав, кроме латуни. Это сплавы меди, в которых цинк не является основным легирующим элементом. Общей характеристикой бронз является высокая коррозионная стойкость и антифрикционность (от анти- и лат. frictio- трение). Бронзы отличаются высокой коррозионной устойчивостью и антифрикционными свойствами. Из них изготавливают вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных зубчатых колес и другие детали. Высокие литейные свойства некоторых бронз позволяют использовать их для изготовления художественных изделий, памятников, колоколов.

По химическому составу делятся на оловянные бронзы и безоловянные (специальные).

Оловянные бронзы обладают высокими механическими, литейными, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью резанием, но имеют ограниченное применение из-за дефицитности и дороговизны олова.

Специальные бронзы не только служат заменителями оловянных бронз, но и в ряде случаев превосходят их по своим механическим, антикоррозионным и технологическим свойствам:

Алюминиевые бронзы – 5-11% алюминия. Имеют более высокие механические и антифрикционные свойства, чем у оловянных бронз, но литейные свойства – ниже. Для повышения механических и антикоррозионных свойств вводят железо, марганец, никель (например, БрАЖ9-4). Из этих бронз изготовляют различные втулки, направляющие, мелкие ответственные детали.

Бериллиевые бронзы содержат 1,8-2,3% бериллия отличаются высокой твердостью, износоустойчивостью и упругостью (например, БрБ2, БрБМН1,7). Их применяют для пружин в приборах, которые работают в агрессивной среде.

Кремнистые бронзы – 3-4% кремния, легированные никелем, марганцем, цинком по механическим свойствам приближаются к сталям.

Свинцовистые бронзы содержат 30% свинца, являются хорошими антифрикционными сплавами и идут на изготовление подшипников скольжения.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество элемента в процентах.

Примеры: БрА9Мц2Л – бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu («Л» указывает, что сплав литейный);

ЛЦ40Мц3Ж – латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;

Бр0Ф8,0-0,3 – бронза содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;

ЛАМш77-2-0,05 – латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

Медь — сравнительно дорогой и дефицитный материал, по­этому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на элек­тротехнических предприятиях необходимо собирать, не смеши­вая с другими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

Если от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, корро­зионная стойкость и сопротивляемость истиранию, то применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

Вопрос 30. Свойства алюминия и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета.

Температура плавления 650°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку.

Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. Алюминий занимает 3 место по распространению в земной коре после кислорода и кремния.

Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной окисной пленки. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7г/см³ против 7,8г/см³ для железа и 8,94г/см³ для меди. Имеет хорошую тепло- и электропроводность. Хорошо обрабатывается давлением.

Маркируется буквой А и цифрой, указывающей на содержание алюминия. Алюминий особой чистоты имеет марку А999 – содержание Al в этой марке 99,999%. Алюминий высокой чистоты – А99, А95 содержат Al 99,99% и 99,95% соответственно. Технический алюминий – А85, А8, А7 и др.

Применяется в электропромышленности для изготовления проводников тока, в пищевой и химической промышленности. Алюминий не стоек в кислой и щелочной среде, поэтому алюминиевая посуда не используется для маринадов, солений, кисломолочных продуктов. Применяется в качестве раскислителя при производстве стали, для алитирования деталей с целью повышения их жаростойкости.

В чистом виде применяется редко из-за низкой прочности – 50 МПа.

В зависимости от возможности термического упрочнения деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К сплавам, неупрочняемым  относятся сплавы Al c Mn (АМц1), и сплавы Al c Mg (AМг 2, АМг3). Цифра – условный номер марки.

Эти сплавы хорошо свариваются, обладают высокими пластическими свойствами и коррозионной стойкостью, но невысокой прочностью, Упрочняются эти сплавы нагартовкой. Сплавы данной группы нашли применение в качестве листового материала, используемого для изготовления сложных по форме изделий, получаемых холодной и горячей штамповкой и прокаткой. Изделия, получаемые глубокой вытяжкой, заклепки, рамы и т.д.

Сплавы, упрочняемые т/о, широко применяются в машиностроении, особенно в самолетостроении, т.к. обладают малым удельным весом при достаточно высоких механических свойствах.

К ним относятся:

Дуралюмины – основные легирующие компоненты - медь и магний:

Д1 – лопасти воздушных винтов,

Д16 – обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов,

Д17 – основной заклепочный сплав.

Высокопрочные сплавы – В95, В96 наряду с медью и магнием содержат еще значительное количество цинка.

Применяют для высоконагруженных конструкций.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости – АВ, АД31, АД33.

Лопасти вертолетов, штампованные и кованые детали сложной конфигурации.

Наиболее широко распространены сплавы системы Al-Si- силумины.

Силумин имеет сочетание высоких литейных и механических свойств, малый удельный вес. Типичный силумин сплав АЛ2 (АК12) содержит 10-13% Si,

Подвергается закалке и старению (АК7 (АЛ9), АК9 (АЛ4).

 

Вопрос 31.Классификация, характеристики, марки, применение проводниковых  изделий

Условия перехода некоторых материалов в сверхпроводники  и  криопроводники

Для передачи и распределения электрической энергии, соединения различных приборов и их частей, изготовления обмоток электрических машин применяют:

обмоточные провода;

монтажные провода;

установочные провода и шнуры;

кабели.

Обмоточные провода. Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.

В качестве проводникового материала в обмоточных проводах применяют медь и алюминий. В зависимости от применяемой изоляции обмоточные провода выпускают с эмалевой, волокнистой, пленочной и эмалево-волокнистой изоляцией.

Эмалированные провода являются наиболее перспективными среди обмоточных проводов, так как имеют наименьшую толщину изоляции (0,007.. .0,065 мм). Применяя такую проволоку,
можно увеличить мощность электрической машины за счет большего числа витков в объеме обмотки. Эмалевая изоляция наносится на эмалировочных станках в виде гибкого лакового покрытия.

Наибольшее применение находят провода с высокопрочными эмалевыми покрытиями на основе поливинилацеталевой и полиэфирной смол (провода марок ПЭВ и ПЭТВ с нагревостойкостью до 130°С), а также провода с высокопрочным эмалевым покрытием на основе полиуретановой смолы (провод марки ПЭВТЛ луженный с нагревостойкостью до 120°С).

Вследствие наличия заусенцев на проволоке и несовершенства технологии эмалирования в тонком слое изоляционого покрытия  имеются точечные повреждения (небольшое число сквозных отверстий). На длине провода 1 м может быть от 5 до 15 точечных повреждений. Поэтому обмотки из проводов с эмалевой изоляцией пропитывают электроизоляционными лаками.

Важнейшими характеристиками эмалированных проводов являются эластичность, нагревостойкость и электрическая прочность. Эластичность эмалевого провода определяют по отсутствию растрескивания эмали после испытаний на растяжение. Провода диаметром выше 0,38 мм навивают на стальной стержень, диаметр которого равен двум или трем диаметрам провода без эмали. Провода диаметром менее 0,38 мм подвергают растяжению до удлинения на 10% или до его разрыва.

Нагревостойкость эмалевой изоляции определяют в результате старения образцов эмалированного провода.

В зависимости от состава эмалевого покрытия образцы в виде  отрезков проволоки помещают в термостат и выдерживают при температуре 105, 125,155 или 200 °С в течение 24 ч. После теплового старения и охлаждения до комнатной температуры отрезки  провода диаметром более 0,38 мм навивают на круглый стальной  стержень определенного диаметра. Отрезки проводов меньшего диаметра подвергают растяжению до удлинения на 10% или до разрыва. После этих испытаний на поверхности эмали провода не должно наблюдаться ее растрескивания.

Нагревостойкость эмалевой изоляции на алюминиевых проводах в среднем на 6...8°С выше по сравнению с нагревостойкостью соответствующих эмалей на медных проводах вследствие меньшего каталитического воздействия алюминия на органическое эмалевое покрытие.

Электрическая прочность эмалированных проводов определяется пробивным напряжением. Пробивное напряжение измеряют на двух скрученных друг с другом отрезках проводов длиной 200 мм. Число скруток на длине 200 мм определяется в зависимости от диаметра провода. Число скруток уменьшается с увеличением диаметра провода.

Обмоточные провода с волокнистой изоляцией  имеют большую толщину изоляции ( 0,05... 0,17 мм ) по сравнению с эмалированными проводами. В качестве волокнистой изоляции применяют пряжу: хлопчатобумажную, шелковую, из капроновых, асбестовых, лавсановых и стеклянных волокон.

Наибольшая нагревостойкость обмоточных проводов достигается применением стеклянной и асбестовой пряжи, подклеиваем к поверхности провода с помощью глифталевых и кремнийорганических лаков, которые обладают повышенной стойкостью к нагреванию.

В качестве пленочной изоляции для проводов, которые
используют для изготовления обмоток трансформаторов, применяют бумажную ленту, хорошо пропитанную минеральным маслом. Проволока с пленочной бумажной изоляцией обеспечивает высокую электрическую прочность обмоткам трансформаторов. Для повышения механической прочности изоляции из бумажной ленты ее
покрывают хлопчатобумажной или капроновой пряжей.

К обмоточным проводам с волокнистой изоляцией предъявляются следующие требования: отсутствие нитей при навивании провода на стальной стержень,  диаметр которого равен пяти диаметрам провода с волокнистой изоляцией в два слоя, или при навивании провода с однослойной изоляцией на стержень, диаметр которого равен десяти диаметра провода.

Обмоточные провода с волокнистой обмоткой обладают следующими свойствами:

невысокие электроизоляционные свойства, так как все виды волокнистой изоляции гигроскопичны, т. е. поглощают влагу из воздуха; обмотки из проводов с волокнистой изоляцией требуют тщательной сушки и пропитки изоляционными лаками или компаундами; пробивное напряжение проводов с шелковой изоляцией 450.. ...600 В, с хлопчатобумажной изоляцией - 700... 1000 В, с асбестовой изоляцией - 450...500 В.

У проводов с эмалево-волокнистой изоляцией поверх слоя эмали наносят обмотку из хлопчатобумажной, шелковой, капроновой или стеклянной пряжи. Такие обмоточные провода применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей
электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в более тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции. Наибольшей механической прочностью обладает обмотка из лавсановых волокон. Обмотка из стеклянной пряжи обладает повышенной нагревостойкостью.

Электрическая прочность таких проводов определяется электрической прочностью воздуха, заключенного между волокнами, а также электрической прочностью эмалевой изоляции.

Монтажные провода. Монтажные провода состоят из медных или алюминиевых жил, которые покрывают изоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом, а также хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжей и синтетической пленкой. Наибольшей гибкостью обладают многопроволочные провода, жила которых состоит из большого числа тонких проволок. Монтажные провода выпускают с лужеными медными жилами, что облегчает пайку проводов.

Монтажные провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией могут применяться в электрических устройствах и аппаратах с напряжением до 380 В переменного тока и до 500 В постоянного тока.

Большинство монтажных проводов с волокнистой изоляцией (хлопчатобумажной, шелковой и др.) может применяться при напряжениях до 60... 100 В переменного тока, а некоторые из них - только до 20 В переменного тока.

Для распознавания монтажных проводов их изоляционные оболочки обычно окрашивают в разные цвета.

Технологический процесс монтажа электрических соединений при помощи монтажных проводов состоит из подготовки проводов к монтажу, механического закрепления монтажных проводов, пайки мест присоединения жил проводов, проверки правильности монтажа.

Подготовка монтажных проводов состоит в резке проводов необходимой длины, зачистке концов и закреплении изоляции на конце провода.

Волокнистую изоляцию, которая не содержит в своем составе асбеста или стекловолокна, удаляют обжигом. С тонких многожильных проводов сначала снимают оболочку, а покрытые эмалью тонкие жилы провода нагревают в течение 4…6 с и опускают в раствор 10%-го нашатырного спирта.

Жилы провода, с которых снята изоляция, зачищают ножом или с помощью специального приспособления до металлического блеска. Разлохмаченные концы изоляции заделывают проклеиванием нитроклеем, надеванием на них полихлорвиниловых и других трубок, наложением ниточного бандажа, опрессовкой концов в пластмассовые наконечники.

Монтажные провода маркируют в соответствии с электрической принципиальной и монтажной схемами при помощи липких лент и бирок, которые надевают на их концы.

Установочные провода и шнуры. Установочные провода и шнуры служат для распределения электрической энергии, а также для соединения электродвигателей, светильников и других потребителей тока к сети.

 Токопроводящие жилы установочных проводов и шнуров изготавливают из медной и алюминиевой проволоки. Для обеспечения большей гибкости жилы шнуров и некоторых типов проводов являются многопроволочными.

Провода и шнуры с полихлорвиниловой изоляцией выпускают без защитных оболочек.

Провода. Жилы проводов изолируют электроизоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом. Провода с полихлорвиниловой изоляцией обладают высокой водостойкостью, маслостойкостью и негорючестью, что обеспечивает им широкое применение.

 Изоляцию покрывают защитной оплеткой из хлопчатобумажной или шелковой пряжи.

У некоторых проводов защитную оплетку пропитывают противогнилостным составом. В отдельных конструкциях проводов защитную оплетку изготавливают из стальных оцинкованных проволочек для защиты от легких механических воздействий. Установочные провода выпускают одно-, двух-, трех-, четырех- и многожильными на напряжение 220, 380, 500, 2000 и 3000 В переменного тока.

Шнуры. Шнуры выпускают двухжильными, т. е. состоящими из
двух изолированных и свитых друг с другом жил. Шнуры изготавлйвают на напряжение до 220 В переменного тока.

 

Кабели. Силовые кабели применяют для передачи и распределения электрической энергии. Токопроводящие жилы кабелей изготавливают из мягкой медной проволоки (марка ММ), а также из алюминиевой мягкой или твердой проволоки (марки AM и AT).

Токопроводящие жилы сечением до 16 мм² включительно изготавливают однопроволочными.

Начиная с сечения 25 мм² и выше жилы кабелей изготавливают многопроволочными, что необходимо для обеспечения определенной гибкости кабелей.

Сечения токопроводящих жил могут иметь круглую, сегментную или секторную форму. В одножильных кабелях применяют жилы круглой формы, в двухжильных - круглой и сегментной, а в трех- и четырех- жильных кабелях – секторной

Для передачи и распределения электрической энергии в установках с напряжением до 500, 3000 и 6000 В переменного тока применяют кабели с резиновой  и пластмассовой изоляцией.

 

Вопрос 32. Сверхпроводники, область применения

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до
температуры 4,2.К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводящее состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками.

Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода, или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. При повышении температуры до Ткр материал возвращается в состояние с конечной электропроводностью.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды
наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту, такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее стояние становятся идеальными диамагнетиками, т.е. их магнитная проницаемость μ скачком падает от 1 до 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры
перехода Ткр, поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении составляет примерно 4,2 К).

Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым
металлам (химическим элементам) и различным сплавам, и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Ткр и критической напряженности магнитного поля Нкр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относятся чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля Нкр.

В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относятся сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине XX в., и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

У твердых сверхпроводников при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала.

 Некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Ткр, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр. При изменении магнитной индукции у твердых сверхпроводников могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным.

Твердые сверхпроводники имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока, а также зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники подразделяются на следующие виды:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты (ниобий, сплавы ниобий —титан (Nb — Ti), ванадий —галлий (V—Ga));

трудно поддающиеся деформации (из-за хрупкости), из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную
оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства: критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов; большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник Iкр; меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств
памяти; магнитных линз электродных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

 

Вопрос 33.Криопроводники

Некоторые металлы могут достигать при низких температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называются криопроводниками (гиперпроводниками). Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в
тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах и кабелях имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, то работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и
дешевым хладагентам — жидкому водороду или даже жидкому
азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию
устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности,
которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро и золото.

 

Вопрос 34.  Классификация, свойства, структура и применение полупроводниковых материалов

Полупроводниками называют материалы, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Удельное электросопротивление полупроводников находится в пределах от 10^-2 до 10¹⁰  ом·см.

Электрический ток в полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшо­го количества электронов. Это объясняется тем, что валентные электроны атомов полупроводниковых материалов не являются свободными.

Полупроводники весьма чувствительны к повышению темпера­туры, поэтому их используют для создания термосопротивлений и для превращения тепловой энергии в электрическую.

Свойство не­которых полупроводников резко повышать свою проводимость под действием световых лучей используют для создания фотоэлементов.

Первой характерной чертой полупроводниковых материалов является их высокая химическая чистота.

Примеси исключительно сильно изменяют электрические характеристики полупроводников. Чтобы обеспечить заданную проводимость, полупроводнико­вые материалы легируют, вводя в них микродозы некоторых примесей.

Второй характерной чертой полупроводниковых материалов яв­ляется то, что применяются они в виде монокристаллов. 

  В поликристалле на границах зерен про­странственная решетка нарушает­ся. Незавершенные межатомные связи граничных участков захватывают или тормозят движение носителей тока, а это вызывает неконтролируемые изменения элек­трических характеристик полупроводникового прибора.

Таких явлений нет в монокристаллах, которые   получают вытягиванием из расплава при соблюдении условий,  исключающих образование различных внутренних пороков.

По химической природе полупроводники разделяют на; кристаллические материалы (элементы Ge, Si, Se); окислы металлов (Cu₂O, ZnO, CaO, NiO); интерметаллические соединения (соединения Sb с In, Ga и Al); сульфиды, селениды и теллур иды (соединения на основе S, Se и Те).

В современной технике наибольшее распространение имеют германиевые, кремниевые и селеновые полупроводниковые материалы.

 

Германий — элемент четвертой группы периодической системы элементов. Имеет серебристый цвет. Плотность 5,35 г/см³, темпе­ратура плавления 958°С.  Удельное сопротивление германия при 20°С равно 60 ом·см.

Германий обладает высокой твердостью и хрупкостью. На тон­кие пластинки он распиливается с помощью алмазной пилы. Гер­маний как полупроводниковый материал широко применяют для изготовления диодов и триодов; из него изготовляют фотосопро­тивления, различные датчики, сопротивления и т. д. Наибольшее значение имеют германиевые выпрямители электрического тока, широко используемые на железнодорожном транспорте в технике электрической тяги. Стекла, содержащие GeO2, характеризуются высоким коэффициентом преломления и механической прочностью.

 

Кремний, как и германий,— элемент четвертой группы перио­дической системы. Полированный кремний имеет металлический блеск. Его плотность 2,4 г/см³ и температура плавления 1 420°С,  удельное сопротивление кремния при 20°С равно 3·10⁵  ом·см. Крем­ний широко применяют для изготовления полупроводниковых при­боров.

 

Селен — элемент шестой группы периодической системы. Встре­чается в виде примесей в медных рудах и серном колчедане. В твер­дом состоянии селен может быть кристаллическим (серым) и аморфным (черным). Серый селен имеет плотность 4,8 г/см³ и тем­пературу плавления 217°С. Кристаллический селен является полу­проводником (ρ=105 ом·см), а аморфный —диэлектриком (ρ=10¹³ ом·см). Отличительной особенностью селена является резкое возрастание его электропроводимости при освещении. На чувствительности к свету основано применение селена в фотоэле­ментах, телевидении, оптических и сигнальных устройствах. Особенно широко используют селен для изготовления выпрямителей тока в электро- и радиотехнике.

К другим полупроводниковым материалам относят карбид крем­ния и материалы, изготовляемые методом керамической техноло­гии— окислы металлов,  интерметаллиды, сульфиды, селениды    и некоторые другие.

Полупроводниковые металлы очищают методом зонной плавки, точнее зонной перекристаллизации, который состоит в следующем.

Подлежащий очистке слиток, например германия, помещают в графитную или кварцевую лодочку, которую вместе со слитком вводят в кварцевую трубу. Внутри трубы создают вакуум или атмосферу нейтрального газа. С помощью высокоча­стотных нагревателей  слиток в начальной части лодочки нагре­вается, создавая расплавленную зону.

При медленном перемещении нагревателя вправо зона распла­ва перемещается вслед за ним. В левой крайней части зоны рас­плава будет кристаллизоваться почти чистый металл,  а  примеси останутся    в расплаве  и  вместе    с зоной расплава  переместятся в крайнюю правую часть слитка, которую по окончании процесса очистки отрезают.

Метод зонной перекристаллизации основан    на большей растворимости примесей в жидкой фазе, чем в твердой. Процесс повторяют несколько раз, в результате германий дости­гает высокой степени чистоты. В очищенном таким образом слитке германия не более 0,00001 % примесей.

 

Вопрос 35. Классификация, требования, свойства, характеристики, применение магнитных материалов

Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делят на две основные группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы обладают большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитивной силы.

 Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются. Они отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая гистерезисная петля.

Уровень магнитных характеристик магнитно-мягких материалов зависит от их химической чистоты и степени искажения их кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в магнитно мягком материале, тем выше уровень его характеристик, т. е.  меньше  и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитно-мягких материалов стараются удалить из них наиболее вредные примеси — углерод
С, фосфор Р, серу S, кислород О₂, азот N₂ и различные окислы. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем
внутренних напряжений. Из магнитно-мягких материалов изготовляют сердечники электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

Магнитно-твердые материалы обладают большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Им соответствует широкая гистерезисная петля. Эти материалы с большим трудом намагничиваются, а будучи намагниченными, могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля.

Магнитно-твердые материалы применяют главным образом для
изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим магнитным материалам относят чистые металлы (железо,
кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, к неметаллическим — ферриты.

Магнитными называются такие материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства.

Основные магнитные материалы — это железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оценивают с помощью величин, называемых магнитными характеристиками. Важнейшими магнитными характеристиками являются следующие:

Магнитная проницаемость — величина, определяющая способность
материала к намагничиванию.

Магнитная проницаемость в большой степени зависит от напряженности, действующей в материале. Поэтому для оценки способности материала к намагничиванию приходится учитывать начальную магнитную проницаемость, и максимальную магнитную проницаемость.

Чем выше значения этих характеристик у данного материала, тем легче он намагничивается. Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры (температура Кюри ), по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения его атомов и молекул.

Поведение магнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной
кривой намагничивания. Эта кривая показывает изменение магнитной индукции  в магнитном материале в зависимости от напряженности.

Магнитная индукция измеряется в тесла (Т).

 

Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля, то магнитная индукция  тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания.

Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное.

Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой.

Если после этого образец магнитного материала намагничивать далее в противоположном направлении, то в материале снова будет наблюдаться индукция насыщения. При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля  и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до величины индукции насыщения. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной, или статической, петлей гистерезиса. Предельная петля гистерезиса снимается при медленном изменении постоянного магнитного поля, когда величина магнитной индукции становится равной индукции насыщения.

 Отношение значения индукции к величине магнитного поля на динамической кривой представляет собой динамическую магнитную проницаемость.

При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической кривой. При этом значения динамической магнитной проницаемости практически совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Динамическая петля
гистерезиса имеет несколько большую площадь, чём статическая петля, так как при воздействии переменного магнитного поля в материале возникают, кроме потерь
на гистерезис, потери на вихревые токи и на магнитное последействие.

Потери энергии на вихревые токи  зависят от удельного электрического сопротивления р магнитного материала. Чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи.

Магнитной характеристикой материала является максимальная величина удельной объемной энергии.

 

Вопрос 36. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными металлическими магнитно-мягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые
стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы с
содержанием никеля от 36 до 80%.

С целью улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или
медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50% никеля, называются низконикелевыми, а 60—80% — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высоким уровнем магнитных характеристик

Это обеспечивается не только их составом и химической чистотой сплава, а
также специальной тепловой обработкой. Она заключается в нагреве со скоростью 400—500° С в час, выдержке сплава при 1000—1150° С в течение 3—6 ч и последующем охлаждении со скоростью 100—200° С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600° С и быстрое охлаждение со скоростью 150° С в минуту.

Лучшие магнитные характеристики пермаллоев достигаются при отжиге их в вакууме.

Наибольшими значениями удельного электрического сопротивления, а следовательно, малыми потерями на вихревые токи обладают легированные пермаллои. Эти пермаллои обладают также повышенными значениями магнитных характеристик.

 

Все виды пермаллоев чувствительны к механическим деформациям материала: наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали
из пермаллоя, полученные такими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу.

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002— 0,5 мм, листов толщиной

1—2 мм и прутков диаметром 5—50 мм и более.

Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны в интервале температур
от —60 до +60° С.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13% алюминия, 9—10% кремния, остальное железо.

Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но они заменили пермаллои в сравнительно ограниченной области применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали [1], в которые вводят от 0,8 до 4,8% кремния с целью улучшения магнитных свойств стали. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний вызывает распад цементита Fe₃C—вредной примеси в стали, резко понижающей ее магнитные характеристики. Кремний также способствует росту
кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали.

Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные
характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому в сталь вводят кремний в количестве, не превышающем 4,8%.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или ненагретом состоянии, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь. Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов. Оно намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900° С.

При отжиге из листов удаляются примеси, снижающие магнитные свойства материала (углерод, кислород), кроме того, деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, у которых кристаллы железа расположены преимущественно в направлении прокатки, называются текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики у холоднокатаных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с направлением их прокатки. При другом направлении магнитного потока величины всех магнитных характеристик у холоднокатаных текстурованных сталей меньше, чем у горячекатаных. Поэтому наиболее рационально применять холоднокатаные стали в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки. Электротехническая сталь прокатывается в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1,5 мм и является доступным и дешевым материалом.

Вопрос 37. Металлические магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и других деталей. Первое требование, предъявляемое к постоянным магнитам,
заключается в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по величине напряженностью и магнитной
индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т. е. магнитно-твердые материалы должны иметь возможно большие коэрцитивную
силу и остаточную магнитную индукцию.

У всякого постоянного магнита с течением времени уменьшается магнитный поток, а следовательно, и удельная магнитная энергия. Этот процесс называется старением магнита. Один вид старения наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры магнита. Такому магниту можно возвратить прежние
магнитные свойства повторным намагничиванием. Другой вид старения связан с изменением структуры магнитно-твердого материала, поэтому является необратимым. Вторым требованием, предъявляемым к магнитно-твердым материалам, является устойчивость к старению.

Металлические магнитно-твердые материалы можно разделить на три основные группы:

мартенситные,

высовысокоуглеродистые стали;

сплавы на основе железа — алюминия — никеля; металлокерамические.

Мартенситные стали. Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях получается посредством их закалки—нагрева до температуры, при которой сталь
представляет собой раствор углерода в железе (аустенит), и последующего резкого охлаждения в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа
резко искажаются — вытягиваются в длину, а оставшаяся часть раствора углерода вызывает внутренние напряжения. Все это обеспечивает магнитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных
сталей.

В качестве мартенситных сталей применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1,3—
3,6%), в вольфрамовые — вольфрам (5,5—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовые стали — кобальт (5—17%), молибден (1,2—1,7%) и хром (6—10%). Все эти стали
содержат (0,9—1,1%) углерода, остальное — железо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. Все стали находят ограниченное применение ввиду невысокого уровня их магнитных характеристик.

Железо — никель — алюминиевые сплавы. Сплавы этого состава, легированные кобальтом, титаном или ниобием, подвергнутые особой термической обработке,
обладают высоким уровнем магнитных характеристик. Эти сплавы обозначаются марками: ЮНД12; ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК24Б, ЮНДК35Т5 и др. Буквы обозначают компоненты, входящие в состав сплавов на основе железа:
Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К—кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Постоянные магниты из этих нековких сплавов можно получать только методом литья с последующей обработкой их шлифованием.

Высокий уровень характеристик магнитной твердости
магнитов из этих сплавов достигается специальной термообработкой, заключающейся в следующем. Вначале производят нагрев магнитов до температуры 900—
1200° С с последующим охлаждением на воздухе или в воде. При этом все составные части сплава (алюминий, никель и др.) будут растворены в железе, образуя пересыщенный раствор.

С течением времени растворенные в железе компоненты сплава начинают выпадать в виде мелкодисперсных частиц.

Последние вызывают внутренние напряжения в кристаллах железа, что обеспечивает материалу высокий уровень магнитной твердости. Чтобы ускорить этот процесс, производят отпуск закаленного магнита, т. е. его нагревают до температуры 500—650° С, при которой начинают выпадать растворенные в железе компоненты. При этом соблюдают критическую скорость охлаждения: 15—20° С в секунду.

 Описанный процесс тепловой обработки магнитов из этих сплавов, называемый дисперсионным твердением, состоит из двух этапов — закалки и отпуска.

Уровень магнитных характеристик у сплавов с содержанием кобальта от 15% и выше можно повысить посредством термомагнитной обработки отлитых магнитов.
Для этого магнит нагревают до 1300° С и охлаждают в сильном магнитном поле со скоростью 10—15° С в секунду. Вследствие ориентации магнитных доменов в направлении действия внешнего магнитного поля, охлажденные магниты приобретают магнитную текстуру.

В результате этого их магнитная энергия возрастает в
среднем на 60—80% за счет резкого увеличения остаточной магнитной индукции. После закалки магнитов во внешнем магнитном поле их подвергают отпуску, т. е.
повторному нагреву до 600° С и охлаждению с оптимальной скоростью (15—20°С/с).

Магниты из этих сплавов значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали.

Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным
методам механической обработки вследствие большой твердости и хрупкости. Магниты из этих сплавов можно обрабатывать только шлифованием.

Нековкие металлокерамические материалы. Магниты очень малых размеров или сложной формы в массовом производстве стараются изготовлять из металлокерамических материалов.

Эти материалы получают из металлических порошков, которые берут в соотношениях, обеспечивающих магнитную твердость магнитам после их прессования и последующего спекания при высоких температурах.

Металлокерамические магниты изготовляют на основе порошков из сплавов: железо — никель — алюминий или железо — никель — алюминий — кобальт. Чистые металлы или их сплавы измельчают до частиц размером 10—75 мкм. Из порошкообразной исходной массы магниты прессуют при давлениях (10—15) · 10⁵ Н/м².

Отпрессованные магниты спекают в защитной атмосфере или вакууме при 1100—1300° С.

Спеченные магниты закаливают, а затем производят отпуск, охлаждая их
с заданной скоростью. Магниты, в состав которых входит кобальт, подвергают термомагнитной обработке под действием внешнего магнитного поля. Это заметно улучшает их магнитные характеристики.

Металлокерамические магниты в готовом виде имеют небольшую пористость (2—5%), которая несколько снижает их магнитные характеристики.

Достоинствами металлокерамических магнитов являются чистота их поверхности, не требующая дополнительной обработки, и точность заданных размеров.

 Магниты из металлокерамических материалов могут обрабатываться только шлифованием.

 

Вопрос 38. Классификация, состав, характеристики и применение вспомогательных материалов. Применение смазочных и защитных материалов на транспорте

Вспомогательные материалы: припои, флюся, клеи, вяжущие составы.

Припои представляют собой чистые металлы или
сплавы, применяемые в качестве связующего вещества при пайке металлических частей. Всякий припой должен выбираться с таким расчетом, чтобы он имел температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые им металлические части. Припои делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Легкоплавкие, или мягкие, припои имеют температуру плавления ниже 500° С, а тугоплавкие, или твердые, выше 500° С.

В марках припоев буквы и цифры обозначают следующее: буква П, расположенная на первом месте,— припой; стоящие за ней буквы обозначают следующее:
О —олово, Су — сурьма, С — свинец, А — алюминии, Ср —серебро, М—медь, Кр — кремний, Ви —висмут, Зл — золото, К — кадмий. Цифры, располагающиеся за буквами, указывают процент содержания массы основного металла в припое.

Например:

 ПОС-90: припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 90% по массе;
ПОСК-50-18 содержит олова —50%, кадмия—18%, свинца — остальное по массе.

Наиболее широко применяют оловянно-свинцовые припои. Они обладают большой жидкотекучестью и хорошо проникают в самые тонкие швы, хорошо схватываются с большинством металлов, медью, латунью, сталями, цинком и обеспечивают достаточно высокую прочность паяных швов. Припои с содержанием олова менее
15% применяют для паяния деталей, где не требуется припои с большим содержанием висмута (50—57%) обладают наиболее низкой температурой плавления (79—
95°С), но паяные ими швы хрупки.

К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые
(ПМЦ-54, ПМЦ-48 и др.) и медно-серебряные сплавы
(ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50 и др.), а также сплавы алюминия с медью, цинком и кремнием. Наиболее широко применяются медно-серебряные припои. Они отличаются
малым удельным электрическим сопротивлением и поэтому широко применяются для пайки токоведущих частей из черных и цветных металлов, которые хорошо
смачиваются этими припоями. При этом образуются
механически прочные и коррозионно-стойкие паяные швы.

Припои на алюминиевой основе с добавками меди,
кремния и олова отличаются повышенной механической прочностью и стойкостью к атмосферной коррозии. Эти припои применяются для пайки алюминиевых проводов
и других деталей из алюминия и его сплавов.

Медно-цинковые припои обладают хрупкостью и не
стойки к вибрациям и ударным нагрузкам, но электрическое сопротивление швов очень мало. Эти припои применяются для пайки деталей из меди, латуни, бронзы и
сталей.

Кроме припоя для пайки необходимы флюсующие
вещества — флюсы. Их назначение заключается в очистке поверхности спаиваемых металлов от окислов и других загрязнений и в предохранении поверхностей спаиваемых металлов от окисления в процессе пайки.

Флюсы могут представлять собой твердые порошкообразные вещества (бура, борная кислота, канифоль и др.) или жидкости (водный раствор хлористого цинка,
спиртовый раствор канифоли и др.). Иногда применяют полужидкие флюсы-пасты.

При пайке меди, латуни и бронз легкоплавкими припоями на свинцовой основе применяют флюсы, не вызывающие коррозии паяных швов. К таким флюсам относятся канифоль, раствор канифоли в этиловом спирте и другие составы на основе канифоли. Канифоль является слабоактивным флюсом, поэтому поверхности спаиваемых металлов должны быть тщательно зачищены перед нанесением канифольного флюса.

При пайке тугоплавкими (твердыми) припоями, плавящимися при температуре выше 500° С, канифоль и другие легко распадающиеся при высокой температуре
флюсы применять нельзя. При высокотемпературной пайке стали, меди и медных сплавов (латуни, бронзы и др.) в качестве флюсов чаще всего используют буру
Na₂B₄0₇ или смеси ее с борной кислотой Н₃ВО₃ и другими солями. Для пайки алюминия, легко окисляющегося на воздухе, применяют особо активные флюсы, могущие растворять плотную пленку окислов на алюминии. К таким флюсам относится состав из хлористого лития, фтористого натрия, хлористого цинка и хлористого калия. Во всех случаях выбора флюса надо иметь в виду следующее: температура плавления твердого флюса
должна быть ниже температуры плавления припоя, а
температура пайки — ниже температуры термического разложения флюса. Во избежание коррозии паяных швов твердыми припоями остатки флюса должны быть удалены промывкой швов горячей водой с помощью волосяной щетки.

Клеи и вяжущие составы широко применяются в производстве электрических аппаратов, приборов и других видов электрооборудования. От клеев и вяжущих составов не всегда требуются хорошие электроизоляционные свойства. Эти материалы, в первую очередь, должны обладать свойством склеивания — прилипания к металлическим и неметаллическим материалам (адгезией).

Склеивание каких-либо двух материалов происходит
в результате сцепления пленки клея с поверхностями
склеиваемых материалов. В результате химических реакций, протекающих в пленке клея, последняя превращается в твердое вещество, прочно соединяющее склеенные части. Сцепление пленки клея с поверхностью склеиваемых материалов возникает не только вследствие химических реакций, но также в результате появления
межмолекулярных и электростатических сил между пленкой клея и поверхностями склеиваемых материалов.

На прочность клеевого шва оказывают влияние толщина и сплошность клеевой пленки, объемная усадка ее после склеивания, состав и структура склеиваемых материалов, а также степень подготовки склеиваемых поверхностей. Клей должен целиком заполнять зазор между склеиваемыми частями без воздушных включений.

Толщина клеевой пленки не должна быть очень большой, но она должна обеспечивать непрерывность клеевого слоя на всей площади склеивания. Для обеспечения
сплошной клеевой пленки оптимальной толщины и проникновения клея в поры склеиваемых поверхностей их нужно предварительно подогнать друг к другу и тщательно очистить от загрязнений с помощью растворителей. Для лучшего склеивания многие материалы (металлы, пластмассы) подвергают пескоструйной обработке
или ошкуриванию для получения некоторой шероховатости склеиваемых поверхностей. Это обеспечивает повышение прочности клеевого шва. С этой же целью
склеиваемые детали необходимо подвергать сжатию при определенных давлениях. Очень многие клеи для своего отвердевания требуют нагрева до температуры 90—
180° С и выше.

Клеи составляют большую группу веществ. В электротехническом производстве применяют клеи на основе синтетических смол, обладающих наибольшей клеящей
способностью. Многие из этих клеев обладают хорошими электроизоляционными свойствами. К таким клеям относятся глифталевые клеящие лаки, широко применяемые для склеивания листочков слюды в производстве слюдяной слоистой изоляции. Сюда же относятся бакелитовые лаки, широко применяемые в производстве слоистых электроизоляционных пластмасс (гетинакс, текстолит и др.).

Большое применение получили клеи БФ, представляющие собой спиртовые растворы бутварно-фенольных смол. Эти клеи выпускаются трех марок: БФ-2, БФ-4 и
БФ-6. Они отличаются друг от друга составом и имеют свои особенности, которые обусловливают области их применения. Так, клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для
склеивания металлов, пластмасс, стекол, керамики, слюды и древесины. Клей БФ-4 обеспечивает высокую сопротивляемость клеевого шва вибрациям. Клей БФ-6
образует эластичный клеевой шов и поэтому рекомендуется для склеивания резин и тканей друг с другом и для приклеивания их к металлам и пластмассам.

Клеи БФ наносят в два-три слоя на каждую склеиваемую поверхность. Время сушки каждого слоя при комнатной температуре составляет 1 ч, после чего наносят следующий слой клея, который подсушивается тоже в течение 1 ч. После этого склеиваемые детали соединиют друг с другом и слегка притирают. Затем их помещают под пресс или в струбцину, чтобы обеспечить давление (4—12) • 10⁵ Н/м².

Отвердевание клея происходит при температурах 140—150° С (БФ-2 и БФ-4) и 90—100° С (БФ-6) в течение 0,5—3 ч. Увеличение времени нагрева повышает прочность клеевого шва. Для выдержки клеевого шва при повышенных температурах склеиваемые детали помещают в термостат или применяют пресс с обогреваемыми плитами. Образующиеся при опрессовании соединяемых деталей подтеки клея удаляют шпателем (металлической лопаточкой) или тряпкой.

Клеевые швы, образуемые клеями БФ, стойки к воде,
минеральным маслам, керосину, бензину и многим спиртам. Они не вызывают коррозии металлов и могут работать в интервале температур от  —60 до +80° С.

Широкое применение получили клеи на основе жидких и твердых эпоксидных смол. Как известно, эпоксидные смолы отличаются высокой адгезией к металлам, пластмассам, стеклам, керамике и другим материалам. Кроме того, эпоксидные смолы и клеи отличаются малой объемной усадкой при отвердевании, что повышает прочность клеевого шва. Эпоксидные клеи могут отвердевать при температуре 20° С и при повышенных температурах: 120—170°С (клеи горячего отвердевания), Эпоксидные жидкие смолы необходимо подвергать вакуумной обработке при 50—70° С с целью удаления из них воздушных включений, а затем смешивать с отвердителями.

Из эпоксидных клеев широко применяют клей на
смолах ЭД-15 и ЭД-16, представляющих собой жидкие сиропообразные массы, в которые вводят 15—20% отвердителя — полиэтиленполиамина. Исходные компоненты тщательно перемешивают. Приготовленный клей пригоден к применению в течение 2—6 ч, по истечении которых начинает сильно загустевать и постепенно превращаться в твердое вещество. Поэтому отвердитель (полиэтиленполиамин) необходимо вводить в смолу непосредственно перед применением клея. На предвари тельно подготовленные и очищенные поверхности наносят один слой клея, которому дают подсохнуть на воздухе в течение 15—30 мин. Затем склеиваемые поверхности соединяют друг с другом и сдавливают при давлении (1—2) • 10⁵ Н/м². Отвердевание клеевого шва происходит при 20° С в течение 18 ч. Для обеспечения более прочного клеевого шва необходима еще дополнительная обработка его при 100° С в течение 4 ч.         

Если в смолу ЭД-15 или ЭД-16 ввести другой отвердитель — малеиновый ангидрид (30%), то получится клей горячего отверждения. В этом случае клеевой шов
отвердевает при 120° С в течение 16—24 ч.

Чаще применяют ступенчатый режим отвердевания клеевого шва: 6—8 ч

при 120° С, затем 4—6 ч при 150° С. В обоих случаях отвердевания клеевых швов соединяемые поверхности должны находиться под давлением
(0,5—3) -10⁵ Н/м².

С целью повышения теплостойкости и снижения остаточных напряжений в клеевых швах в клеи вводят наполнители: пылевидный кварц, цемент и металлические
порошки (серебра, меди и др.) Последние позволяют получить клеевые швы с большой проводимостью. Это необходимо при склеивании токоведущих металлических
деталей в электрических аппаратах и приборах.

Основной характеристикой клеев (перед их применением) является вязкость, которая должна доводиться до значений, предписываемых технологической инструкцией
на данный клей. Для этого клеевую смесь приходится подогревать, а вязкость клея строго контролировать с помощью вискозиметров.

Эпоксидные клеи могут также представлять собой
порошки или прутки. Порошкообразный клей наносят тонким слоем на предварительно нагретые поверхности (100—120° С) склеиваемых металлических или пластмассовых деталей. При применении клея в виде прутка им натирают нагретые поверхности склеиваемых частей. В остальном технология склеивания не отличается от
описанной ранее для жидких эпоксидных клеев. Отверждение клеевых швов происходит при давлении (0,5—0,3) · 10⁵ Н/м² и при температурах 120—200° С в течение
от 10 до 0,5 ч соответственно. Эпоксидные клеевые швы могут работать в интервале температур от —60до +100° С. Следует отметить, что отвержденные эпоксидные клеевые швы и клеи БФ обладают хорошими электрическими характеристиками.

Кроме клеев в электротехническом производстве и на монтажах широко применяют вяжущие составы (связки). Они представляют собой тестообразные текучие массы, которые с течением времени затвердевают. В отличие от клеев эти составы применяют не для склеивания, а для заделки (крепления) металлической арматуры на изоляторах, например фланцев на проходных и опорных изоляторах, для наклейки чугунных шапок на подвесные изоляторы, а также для закрепления в головках подвесных и штыревых изоляторов металлических стержней.

Для армирования изоляторов нашли наибольшее применение цементно-песчаные вяжущие составы. Они состоят из 2—3 частей высококачественного портландцемента (марки 500 или 600) и одной части промытого
кварцевого песка. Портландцемент представляет собой
тонкомолотый цементный клинкер, получаемый в результате обжига смеси исходных материалов, содержащих известь и глину, или цементных природных мергелей
(природных глинистых известняков).

В состав цемента вводят также гидравлические добавки (до 15%) в виде гранулированного доменного шлака и других минеральных веществ, способствующих увеличению механической прочности отвердевшего цемента (цементного камня). Наряду с гидравлическими добавками в цемент добавляют инертные породы. Плотность портландцемента составляет 3000—3200 кг/м³. Он имеет большое преимущество перед другими цементами — способность соединяться со сталью и чугуном без какого-либо вредного воздействия на них. Качество портландцемента определяется его химическим составом, режимом обжига исходных материалов и тониной помола
исходных компонентов.

Важнейшими характеристиками цемента являются скорость схватывания и скорость твердения.

Схватывание цемента — это превращение цементного теста в непластичную твердую массу. Твердение цемента— это процесс нарастания его механической прочности во времени. Твердение цемента может происходить
на воздухе и в воде.

 

Смазочные материалы классифицируются по происхождению, назначению, физической природе и т. д.

По происхождению смазочные материалы делят на растительные, животные, нефтяные и компаундированные.

Смазочные материалы растительного и животного происхождения (масла и жиры) обладают ценными смазочными свойствами, но так как они являются пищевыми продуктами, то их следует расходовать экономно.

 В настоящее время их используют в очень ограниченном количестве, обычно в качестве компонентов каких-либо специальных смазочных материалов.

Основная масса смазочных материалов нефтяного происхождения.

Смазочные материалы нефтяного происхождения подразделяют
по способу производства и способу очистки.

По способу производства их делят на дистиллятные, остаточные и смешанные.

Большинство масел малой и средней вязкости являются дистиллятными, что позволяет получать материалы с малым содержанием асфальтосмолистых веществ, которые переходят в остаток от перегонки.

Большая группа технических масел (автотракторные, дизельные, компрессорные и др.) изготовляется смешиванием дистиллятных и остаточных масел.

Железнодорожный транспорт больше всего потребляет осевых масел, которые являются остаточными продуктами.

В зависимости от основного реагента, применяемого для очистки масел, различают масла сернокислотной и селективной очистки.

При очистке масел удаляют вредные примеси — асфадьтосмолистые вещества, нафтеновые кислоты, некоторые сернистые соединения и часть углеводородов (высокомолекулярных, полициклических, ароматических, нафтено-ароматических, непредельных). После сернокислотной очистки масло обрабатывают щелочью или
отбеливающими землями (или теми и другими) и затем несколько
раз промывают водой.

Масла, очищенные кислотой и щелочью с последующей промывкой, называют маслами сернокислотной очистки, очищенные кислотой и землей — маслами кислотно-контактной очистки. Масла, очищенные с помощью селективных растворителей, называют маслами селективной очистки.

В дистиллятных и остаточных фракциях содержатся парафины,
для удаления которых применяется депарафинизация. Для удаления высокосмолистых остатков производится деасфальтизация.

В некоторых случаях применяют компаундированные смазочные материалы, получаемые путем смешивания нефтяных продуктов с растительными или животными жирами.

За последнее время все большее количество смазочных материалов получается синтетическим путем.

По назначению различают масла:

-  для двигателей внутреннего сгорания, в том числе для автомобилей и тракторов (автотракторные) и дизелей (дизельные);

- для механического оборудования — индустриальные легкие, средние и тяжелые; для специальных механизмов (трансмиссионные, судовые), поршневых паровых машин, паровых и водяных турбин, воздушных компрессоров, воздуходувок, холодильных машин.

Все виды транспорта, особенно железнодорожный, потребляют громадное количество смазочных масел.

 Их роль заключается в уменьшении трения в подшипниках и опорах, уменьшении и предотвращении износа трущихся поверхностей и охлаждении деталей машин в узлах трения.

По физической природе смазочные материалы делятся на
жидкие, мазеподобные и полутвердые (консистентные).

 

Вопрос 39. Припои (легкоплавкие, тугоплавкие): понятие, классификация, требования, состав,   характеристики,   марки,   применение

Припои представляют собой чистые металлы или
сплавы, применяемые в качестве связующего вещества при пайке металлических частей. Всякий припой должен выбираться с таким расчетом, чтобы он имел температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые им металлические части. Припои делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Легкоплавкие, или мягкие, припои имеют температуру плавления ниже 500° С, а тугоплавкие, или твердые, выше 500° С.

В марках припоев буквы и цифры обозначают следующее: буква П, расположенная на первом месте,— припой; стоящие за ней буквы обозначают следующее:
О —олово, Су — сурьма, С — свинец, А — алюминии, Ср —серебро, М—медь, Кр — кремний, Ви —висмут, Зл — золото, К — кадмий. Цифры, располагающиеся за буквами, указывают процент содержания массы основного металла в припое.

Например:

 ПОС-90: припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 90% по массе;
ПОСК-50-18 содержит олова —50%, кадмия—18%, свинца — остальное по массе.

Наиболее широко применяют оловянно-свинцовые припои. Они обладают большой жидкотекучестью и хорошо проникают в самые тонкие швы, хорошо схватываются с большинством металлов, медью, латунью, сталями, цинком и обеспечивают достаточно высокую прочность паяных швов. Припои с содержанием олова менее
15% применяют для паяния деталей, где не требуется припои с большим содержанием висмута (50—57%) обладают наиболее низкой температурой плавления (79—
95°С), но паяные ими швы хрупки.

К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые
(ПМЦ-54, ПМЦ-48 и др.) и медно-серебряные сплавы
(ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50 и др.), а также сплавы алюминия с медью, цинком и кремнием. Наиболее широко применяются медно-серебряные припои. Они отличаются
малым удельным электрическим сопротивлением и поэтому широко применяются для пайки токоведущих частей из черных и цветных металлов, которые хорошо
смачиваются этими припоями. При этом образуются
механически прочные и коррозионно-стойкие паяные швы.

Припои на алюминиевой основе с добавками меди,
кремния и олова отличаются повышенной механической прочностью и стойкостью к атмосферной коррозии. Эти припои применяются для пайки алюминиевых проводов
и других деталей из алюминия и его сплавов.

Медно-цинковые припои обладают хрупкостью и не
стойки к вибрациям и ударным нагрузкам, но электрическое сопротивление швов очень мало. Эти припои применяются для пайки деталей из меди, латуни, бронзы и
сталей.

 

    Вопрос 40. Современные материалы в машиностроении и на транспорте

Применение современных материалов

Современные детали машин и конструкций работают в тяжелых усло­виях эксплуатации, создаваемых ростом динамических и цикличе­ских воздействий, сложным напряженным состоянием, широким диапазоном температур рабочих сред; они отличаются разнообразием форм и размеров. В связи с этим конструкционные стали должны обладать определенным комплексом механических свойств, которые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е. стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструк­тивной прочностью. Повышения конструктивной прочности можно достичь только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий.

Цветные металлы и их сплавы нашли широкое применение в строительстве благодаря своей прочности, легкости, высокой антикоррозийной стойкости. Они подразделяются на легкие (в большинстве своем на основе алюминия) и тяжелые (на основе меди, латуни, олова и т.п.).

Цветная металлургия является одной из наиболее конкурентоспособных отраслей промышленности России, причем российские компании в ряде подотраслей (алюминиевой, никелевой, титановой) входят в группу мировых лидеров.

 

Благодаря своим замечательным свойствам титан и его сплавы нашли широкое применение в авиа-, ракето—и судостроении. Из титана и его сплавов изготовляют полуфабрикаты: листы, трубы, прутки и проволоку. Основными промышленными материалами для получения титана являются ильменит, рутил, перовскит и сфен (титанит). Технология получения титана сложна, трудоемка и длительна: сначала вырабатывают титановую губку, а затем путем переплавки в вакуумных печах из нее производят ковкий титан. Губчатый титан, получаемый магнийтермическим способом, служит исходным материалом для производства титановых сплавов и других целей.

 

В настоящее время занимаются разработкой и применением в металловедении новейших методов исследования структуры материалов — электронного и рентгеновского. Их применение во многом способствовало важнейшим достижениям в области со здания новых материалов. В 1960-х гг. был осуществлен промышленный синтез алмаза, а также созданы синтетические вещества, не встречающиеся в природе, в частности кубический нитрид бора, свойства которого близки к алмазу. В первой половине XX в. появились полимеры — новые материалы со свойствами, резко отличающимися от свойств металлов. Полимеры широко применяют в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и ряде других областей. Полиэтилен называют полимером, которой позволил выиграть войну, так как его высокие диэлектрические свойства во многом определили эффективность радара.

Транспорт — один из крупных потребителей лакокрасочных ма­териалов. Только на парк подвижного состава (вагоны, суда, авто­мобили, троллейбусы, самолеты и т. д.) ежегодно расходуется де­сятки тысяч тонн лаков и красок. Специфические условия работы (воздействие атмосферных явлений и т. д.) предъявляют особые требования к применяемым на транспорте лакокрасочным мате­риалам. Для окрашивания подвижного состава железнодорожного транспорта используют в основном глифталевые и пентафталевые лаки и эмалевые краски, глифталевые грунты и шпаклевки. Для покрытия санитарно-технического оборудования применяют асфальтовые и пековые лаки. Глифталевые шпаклевки АШ-1 и грунт № 238 применяют для подготовки к окрашиванию наружной поверхности кузова и некоторых других частей цельнометалличе­ских пассажирских вагонов, а также тепловозов и грузовых кры­тых вагонов. Пентафталевые эмалевые краски используют для окраски кузо­вов и крыш цельнометаллических пассажирских вагонов, кузова и некоторых других частей тепловоза и электровоза. Внешнюю деревянную обшивку грузового вагона окрашивают мумией, тертой на олифе оксоль, а крышу — железным суриком на натуральной олифе. Для окрашивания рамы и ходовых частей вагонов применяют черный битумный лак № 177. Те же части теп­ловоза окрашивают черной пентафталевой эмалевой краской. В ка­честве антикоррозионного покрытия для тепловозов, используемых в районах с жарким климатом, применяют лак из клея БФ.

 

Для защиты сталей и сплавов  от коррозии применяют металлические по­крытия, фосфатирование, воронение, лакокрасочные покрытия, а также легирование.

Для защиты цистерн, трубопроводов, кранов, гальванических ванн и различных сосудов химической аппаратуры от коррозион­ного воздействия кислот, щелочей и растворов солей применяют гуммирование, под которым понимают покрытие металлов резиной или эбонитом. Поверхность металлов покрывают резиновым клеем или листами сырой резины. Затем производят вулканизацию и от­делку покрытия.

Важнейшим средством борьбы против коррозии является леги­рование, т. е. получение коррозионностойких (нержавеющих) ста­лей. Высоким сопротивлением коррозии обладают и специальные сплавы на основе никеля, титана и других металлов.

Скачано с www.znanio.ru

---