Ответы на экзамен 2 (Билет №25)

Посмотреть архив целиком

5



Билет №25

13.1.1. Медь и ее сплавы

Медь Сu — металл красноватого цвета, с высокой температу­рой плавления (Тпл= 1083°С) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: у Cu ρ= 1,72•10-8 Ом•м, а у Ag = 1,58•10-8 Ом •м. Обладает достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к коррозии. Ос­новные физические свойства меди приведены в табл. 12.1. Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легпрокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005 мм ), хорошо паяется.

Медь — сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования. Содержание меди в земной коре составляет ~3•10-3 %; она химически малоактивна. В сухом и влаж­ном воздухе, а также в пресной воде при 20°С медь достаточно ус­тойчива к коррозии; незначительно корродирует только в морской воде. В сухом воздухе ниже 185°С с кислородом не взаимодействует. При нагревании до 375°С медь окисляется с образованием однооки­си СuО, имеющей черный цвет, а выше 375°С образуется полуокись Сu2О, имеющая красный цвет. На нее мало влияют соляная и серная кислоты небольшой концентрации (до 80%). Однако в концентриро­ванной азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на ее поверхности постепенно образуется зеленый налет основного кар­боната меди (карбонат-гидроксид меди) Сu2(ОН)2СО3 .

В природе медь встречается в самородном состоянии и, главным образом, в виде сульфидных руд. Из медной руды в результате ряда последовательных процессов обогащения, обжига и восстановления получают так называемую сырую, или черную медь, содержащую обычно до 3% примесей. Эти примеси значительно снижают элек­тропроводность меди, поэтому медь, предназначенную для электро­технических целей, обязательно подвергают электролитической очи­стке — рафинированию. Рафинированную медь переплавляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают или протягивают через волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

При изготовлении проволоки болванки сначала путем горячей прокатки превращают в катанку диаметром 8—18 мм, которую для


Рис.13.1. Зависимость предела прочности на разрыв σв, относительно удлинения перед разрывом ∆L/L и удельного сопротивления ρ меди марки Ml от температуры отжига (время отжига 1 час)


удаления с поверхности окислов меди (СuО и Сu2О) протравлива­ют слабым раствором серной кислоты и далее протягивают в холодном состоянии через фильеры волочильной доски (см. гл. 11.3.2) получая проволоку заданного профиля и размеров. При холодно^ прокатке и волочении получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу (нагартовки) приобретает повы­шенную твердость, упругость, предел прочности на разрыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается от­носительное удлинение и относительное сужение перед разрывом.

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить вы­сокую механическую прочность σв, твердость и сопротивляемость истиранию. Например, для изготовления контактных проводов элек­трифицированного транспорта, коллекторных пластин электриче­ских машин, шин для распредустройств и т..п.

Рекристаллизация меди начинается при температуре примерно 200 °С, а температура рекристаллизационного отжига составляет ~600°С (табл. 13.2). Влияние температуры отжига на свойства меди показано на рис. 13.1, из которого видно, что при отжиге механиче­ские свойства изменяются гораздо сильнее, чем ее удельное сопро­тивление. После отжига получают мягкую (отожженную) медь (ММ) которая пластична, характеризуется большим удлинением перед раз­рывом и имеет электропроводность на 3—5% выше, чем у МТ (см. табл. 13.1). Однако при отжиге предел прочности на разрыв и твер­дость снижаются. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают в процентах при 20°С удельную проводимость металлов и сплавов. Удельная электро-пооводность стандартной меди при 20°С равна 58 МСм/м, соответст­венно р = 0,017241 мкОм•м, а ТКр = 4,3•10-3 К-1 .

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожиль­ных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т.д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значе­ния. Круглую проволоку из меди марок МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Ленточную медь широко используют для экранирования кабелей связи и радиочастотных кабелей. Несложный расчет с помощью формулы (12.10) показывает, что медный экран толщиной 0,5 мм (для Си γ = 58,5•10-6 См/м, μа = μо μ = 12,56•10-7 Гн/м) становится эф­фективным при частоте поля не ниже 17 кГц. Следовательно, мед­ный экран эффективен в высокочастотных магнитных полях. В низ­кочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой Магнитной проницаемостью μ (см. гл. 14.1). В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покры­вают никелем, серебром, золотом.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее химической природы (см. рис. 12.4). Например, 0,5% Zn, Cd или Ag снижают удельную электропроводность меди на 5%, при той же концентрации Ni, Sn или А1 — на 25—40%, a Be, As, Fе, Si или Р — на 55% и более. Очень вредно присутствие в меди ки­слорода — он приводит к образованию оксидов меди, вызывающих увеличение удельного сопротивления. Наличие серы снижает пла­стичность меди, в результате при низких температурах медь стано­вится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Маркировка меди. По степени чистоты медь стандартизируется на следующие марки:

Марка Содержание Си, %, Марка Содержание Си, %

не менее не менее

МООб 99,99 М1р 99,90

МОО 99,96 М2 99,70

МОб 99,97 М2р 99,70

МО 99,95 МЗ 99,50

М1б 99,95 МЗр 99,50

М1у 99,90 М4 99,00

Ml 99,90

Буква «б» означает, что медь «бескислородная», с повышенной механической прочностью; «р» — медь, раскисленная фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» — медь катодная пере­плавленная.

Бес­кислородная медь со специальными легирующими добавками обладает повышенными механическими свойствами.

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как и у серебра. Ва­куумную медь получают путем ее переплавления в вакуумных ин­дукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении ~1 •10-3 Па.

Сплавы меди

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойст­ва и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют ее сплавы — бронзы и латуни. Эти сплавы состоят из одной или нескольких фаз, представляющих твердые растворы.

Бронзы — это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Cd и др.), которые дают название бронзам. Маркируют бронзы буквами Бр, по­сле которых идут буквы, указывающие легирующие элементы, и циф­ры, показывающие количество этих элементов в целых процентах. Например, бронза марки БрБ2 — бериллиевая бронза (содержит Ве~2%, остальное Си), марки БрОЦС6-6-3 — оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержит Sn 6%, Zn 6%, Pb 3%, остальное медь). Атомы примеси (в том числе легирующей), внедряясь в кристалличе­скую решетку, увеличивают ее деформацию и концентрацию дефек­тов. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопро­тивление бронз больше [ρ = (1,8 - 2,8) •10-8 Ом•м ], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (σв = 250—1100 МПа) и твер­дость (НВ = 20—260 МПа), меньше относительное удлинение перед разрывом (δ = 2—65%). Бронзы лучше обрабатываются на металлоре­жущих станках и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь. У кадмиевой бронзы при сравнительно небольшом сниже­нии удельной электропроводности существенно повышены механиче­ская прочность, твердость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифици­рованного транспорта и коллекторных пластин в электрических ма­шинах. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некоторые виды бронз упроч­няют термообработкой. У твердотянутых бронз механическая проч­ность σв и удельное сопротивление ρ выше, чем у отожженных бронз (состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 13.3).

Латуни это сплавы системы Си—Zn с максимальным содержанием Zn 45 %. При повышении концентрации Zn до 45% увеличива­ется механическая прочность ав. Максимальная пластичность наблю­дается при содержании Zn около 37%. В некоторые марки латуней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количе­стве один или несколько химических элементов (Sn, Pb, Fe, Mn, Nj или Al). Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывающей про­центное содержание меди. Например, латунь марки Л63 содержит меди 63%, остальное цинк. У сложных латуней в маркировке указыва­ется легирующий элемент. Например, латунь марки ЛС59-1 — это свинцовая латунь, содержащая Си 59%, свинца 1%, остальное цинк. Главная отличительная особенность латуни от чистой меди — повы­шенная механическая прочность ав при достаточно высоком удлине­нии перед разрывом 5. Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, шты­рей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штеп­сельных разъемов. Состав и свойства некоторых латуней приведены в табл. 13.3.

13.1.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий А1 — это серебристо-белый металл, легкий и легко­плавкий, с высокой электро- и теплопроводностью и пластичностью (см. табл. 12.1). По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Его ρ = 2,8•10-8 Ом•м, Tпл= 657—660°С, плот­ность 2,7 Мг/м3 . Из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления (см. табл. 13.2) для нагрева от 20°С до Тпл и рас­плавления алюминиевой проволоки требуется в 1,58 раза больше те­пловой энергии, чем для нагрева от 20°С до Тпл и расплавления такой же массы медной проволоки. Преимущество алюминия как провод­никового материала заключается в том, что он дешевле и более дос­тупен, чем медь. Удельное сопротивление алюминия больше р меди в 1,63 раза, плотность — в 3,5 раза меньше. Поэтому два одинаковых по длине отрезка проволоки из алюминия и меди с одним и тем же сопротивлением окажутся разными по диаметру и массе. Несмотря на то, что диаметр алюминиевой проволоки примерно в 1,35 раза больше диаметра проволоки из меди, алюминиевая проволока будет легче медной примерно в 2 раза. Это положение имеет немаловаж­ное значение для облегчения веса электротехнических конструкций.

Алюминий — самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет ~8,8%. Производство алю­миния проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов А12О3-хН2О или нефелинов K2O-Al2O3-2SiO2 и др.) получают чистый глинозем А12О3, который растворяют в расплавленном крио­лите (Na3[AlF6] ) и при ~950°С путем электролиза выделяют алюми­ний. Выплавка (электролиз) алюминия — очень энергоемкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт-ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Полученный металл содержит алюминия обычно 99,7%. Путем электролитического рафинирования его чисто­ту можно довести до 99,99% и более. Для полупроводниковой техни­ки алюминий дополнительно очищают методом зонной плавки (см. гл. 9.1) до чистоты 99,9999%.

Присутствие в алюминии примеси существенно снижает его удельную электропроводность и изменяет механические свойства. При этом на электропроводность алюминия влияет не только кон­центрация примеси, но и ее природа (рис. 13.2). Присутствие в алю­минии Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5% снижает удельную элек­тропроводность на 2—3%, присутствие в том же количестве Си, Ag или Mg снижает у на 510%. Особенно сильно снижают у алюминия такие примеси, как Ti, Mn и V.

Благодаря высокой пластичности, алюминий хорошо поддается прокатке и волочению, которые производят аналогично соответст­вующим операциям для меди. При холодном волочении и прокатке в результате наклепа получают твердый алюминий (AT), который имеет повышенные механическую прочность, твердость и удельное сопро­тивление. Механические свойства и удельное сопротивление наклепаного алюминия можно понизить путем рекристаллизационного отжига, проводимого при температуре 350—400°С (см. табл. 13.2). После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (AM). Ме­тодом волочения или прокатки из алюминия, так же как из меди, получают проволоку (круглую диаметром от 0,08 до 10 мм, прямо­угольную, сегментную или секторную) или пластины, ленту и фольгу (толщиной до 5—7 мкм).




Рис. 13.2. Зависимость удельной электропроводности от концентрации различных примесей.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. На­пример, алюминий марки А97 содержит алюминия 99,97%, осталь­ное — контролируемая примесь. Алюминий различают трех классов: 1) особо чистый — марка А999 (А1 не менее 99,999%); 2) химически чистый — марки А995, А99, А97, А95, содержащие А1 не менее 99,995, 99,99, 99,97, 99,95%, соответственно; 3) технически чистый — марки А85, А8, А7, А6, А5, АО, А, АЕ, содержащие А1 не менее 99,85 99,80, 99,70, 99,60, 99,50, 99,00, 99,00, 99,5%, соответственно. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очи­стки и контроля и тем он дороже.

В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не пре­вышать 0,5%, при этом Си должно быть не более 0,015%, Мn — не более 0,01% и Mg — не более 0,02%. Алюминий марки А97 применя­ют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитиче­ских конденсаторов и других изделий.

Алюминий — активный металл. Благодаря высокому сродству к кислороду, на воздухе он быстро покрывается тонкой (толщина порядка нм) и плотной пленкой оксида алюминия А12О3, которая за­щищает внутренние слои от дальнейшей коррозии. Пленка А12О3 об­ладает высоким удельным сопротивлением (ρ > 1 •1014 Ом-м) и при на­пряжениях менее 1 В может служить естественной межвитковой изоляцией. Путем анодирования (электрохимического анодного окис­ления) можно увеличить толщину оксидной пленки, при этом повы­сится пробивное напряжение. Оксидная пленка толщиной 0,03 мм имеет Unp= 100 В, толщиной 0,04 мм — Unp = 250 В.

Недостатком такой изоляции является ограниченная гибкость про­волоки и заметная ее гигроскопичность. Оксидная изоляция получила наибольшее применение в производстве электролитических конденса­торов и микросхем. Оксидная пленка алюминия, имея высокое удель­ное сопротивление в месте контакта проводников, создает достаточно высокое переходное сопротивление. Это ее отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными методами. По­этому при пайке алюминия применяют специальные припои или раз­рушают оксидную пленку ультразвуком с помощью ультразвукового паяльника, либо в месте контакта используют пластическое обжатие. Алюминий достаточно эрозионностоек к действию электриче­ских разрядов, а значит, его можно использовать в качестве электродов в приборах, где должно отсутствовать катодное распыление ме­талла.

Алюминии по отношению к большинству металлов обладает отри­цательным электродным (электрохимическим) потенциалом, который равен —1,67 В (у меди +0,34 В). Поэтому алюминий, находясь в кон­такте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других метал­лов необходимо защищать от увлажнения — покрывать лаками и т.п.

Сплавы алюминия

Сплавы алюминия обладают более высокими значениями меха­нической прочности σв, твердости НВ, износостойкости, нагревостойкости и удельного электросопротивления ρ, но меньшим значе­нием относительного удлинения перед разрывом δ, чем чистый алюминий.

Алюминиевые сплавы можно условно разделить на конструкцион­ные и электротехнические. Конструкционные сплавы — на литейные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой (деформируемые сплавы).

Литейные сплавы алюминия маркируют двумя буквами АЛ и цифрой, обозначающей порядковый номер сплава. Наиболее извест­ные сплавы алюминия с кремнием (и небольшими добавками Mg и Мп), называются силуминами (например, АЛ2, АЛ4, АЛ9). Для полу­чения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств в силумины добавляют 0,05—0,08% натрия. Такие сплавы называют модифицированными. К литейным алюминиевым сплавам относят сплавы следующих систем: А1—Si—Си (например, АЛЗ, АЛ5, АЛ6), А1—Си (например, АЛ7, АЛ 19, АЛ21), А1—Mg (например, АЛ8, АЛ27, АЛИ). Эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами, свариваемостью и удовлетворительными механическими свойст­вами (см. табл. 13.4).

Деформируемые сплавы алюминия подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые тер­мической обработкой. Сплавы, не упрочняемые термической обра­боткой, имеют высокую пластичность, поэтому из них получают изделия холодной штамповкой. Однако у них невысокая механическая Прочность. К ним относятся сплавы алюминия с Mg и Мп в суммар­ном количестве до 6%, например сплавы АМц, АМг2, АМг5, а также сПлавы с небольшими добавками Mg и Si — сплавы АД31. Алюми­ниевые сплавы АД31 (Mg 0,6% и Si 0,5%), подвергнутые закалке и естественному старению, — сплавы АД31Т1, наряду с алюминием марки А5Е используют для изготовления электропроводящих шин. Механические свойства деформируемых сплавов алюминия приведены в табл. 13.4.

К алюминиевым деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы, известные как дюралюмины и авиаль.

Дюралюмины — это сплавы системы А1—Си—Мп; Мп введен для повышения коррозионной стойкости сплавов. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18. Они хорошо деформируются в горячем и хо­лодном состоянии. Для их упрочнения применяют закалку в воде и естественное старение (около 5 сут). Сплав Д16 используют в строи­тельных конструкциях средней и повышенной прочности, для об-щивки и изготовления некоторых элементов самолетов, для кузовов грузовых автомобилей и т.д.

Сплавы авиаль (АВ) менее прочны, чем дюралюмины, зато обладают большей пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Спла­вы авиаль используют в легких конструкциях, где требуется их де­формация при монтаже. Наиболее прочным алюминиевым деформи­руемым сплавом является сплав В95, содержащий добавку Zn (см. табл. 13.4). Однако он менее коррозионностоек, чем дюралюминий, и непригоден для работы при температуре выше 150°С, так как ухуд­шается его механическая прочность.

Жаропрочные алюминиевые сплавы могут быть как литейными (на­пример, AJ121), так и деформируемыми (например, АК4). Эти спла­вы используют для изготовления деталей, работающих при темпера­турах 250—350°С. Повышенная жаропрочность достигается высоким содержанием Си, а также Мп, Mg и Ti (см. табл. 13.4).

Электротехнические сплавы алюминия. В соответствии с ГОСТ 14838—78 для изготовления холоднотянутой электротехнической проволоки используют алюминий марки АД1 и алюминиевые де­формируемые сплавы марок АМц, АМг2, АМг5П, Д1П, Д16П, Д18 и В65, где А обозначает алюминий, Д — деформируемый сплав, Мц — марганец, Мг — магний, П — сплав холодной высадки (разновидность пластической деформации), В — высокопрочный Деформируемый сплав, цифра — концентрацию легирующего хи­мического элемента. Эти сплавы содержат алюминия не менее 99,30%, a Fe, Si, Mn и Mg в количестве 0,2-0,7, 0,25-0,6, 0,2-1,0 и 0,2—4,8%, соответственно.

Химические элементы, образующие с алюминием твердые рас­творы, увеличивают механическую прочность, но снижают удельную электропроводность. Наиболее сильно снижают удельную электро­проводность Cr, Li, Mg, Nb, Ti, V, Mn, поэтому их количество в электротехнических алюминиевых сплавах должно быть ограничен­ным. Железо также повышает механическую прочность сплавов, но При этом мало влияет на их удельную электропроводность, так как не входит в твердый раствор, а присутствует в алюминии в виде дис­персных частиц.

Все электротехнические сплавы алюминия содержат железо Fe и Сличаются друг от друга различным его содержанием. Остальные элементы в этих сплавах представлены на более низком уровне.

Из электротехнических сплавов системы А1—MgSi с добавкой Fe наиболее известен сплав альдрей, обладающий высокими механи­ческими свойствами при небольшом удельном сопротивлении (см. табл. 13.4); его плотность d=2,l Мг/м3, TKJIP = 23-10~6 Кг1, р = 3,22-10~8 Ом-м, ТКр = 0,0036 Кг1. Нагревостойкость альдрея -начало рекристаллизации и снижения механической прочности, рав­на 180—200°С. Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки по схеме: деформация волоче­нием -> закалка в воде при температуре 510—550°С -» повторная де­формация волочением —>• старение при температуре 140—150°С. Вы­деляющееся при этой обработке из твердого раствора химическое соединение Mg2Si в мелкодисперсном состоянии обеспечивает ему высокие механическую прочность ств и Нагревостойкость. По меха­ническим свойствам альдрей приближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электропроводности — к твердому алюми­нию (AT). Известно, что контактный провод из сплава типа альдрея при рабочем токе 60 А, скорости движения 70 км/ч с медноуголь-ным токосъемником имеет износостойкость большую, чем у медного провода.

Из системы А1—MgSi с добавкой Fe известны и другие сплавы. Например, сплав, содержащий Fe до 1% и минимальную концентра­цию Si, имеет удельную электропроводность, составляющую 61% от электропроводности меди, и механическую прочность ав у отожжен­ных образцов 100—165 МПа. Известны сплавы системы А1—MgSi с малыми добавками В, Zn, Zr, Be, Ag и других химических элементов.