Занятие 9. Металлы и сплавы с особыми свойствами и электротехнические материалы

По электрическим свойствам материалы могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками.

Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости, криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электросопротивлением.

Среди металлов высокой электрической проводимости широко распространены медь (удельное электросопротивление ρ=0,017мкОм·м), алюминий (ρ = 0,028 мкОм·м) и железо (ρ = 0,098 мкОм·м). Имеют практическое значение также серебро (ρ = 0,006 мкОм·м) и золото (ρ=0,022 мкОм·м).

Электрические и механические характеристики меди в значительной степени определяются наличием примесей и напряженностью структуры металла. Наименьшим электрическим сопротивлением обладает чистая медь. Любые примеси снижают ее электропроводность. Деформационное упрочнение ухудшает проводниковые свойства меди, но увеличивает ее механическую прочность. Холоднотянутая (твердая) медь - МТ применяется в основном там, где необходимы, наряду с достаточной электрической проводимостью (ρ = 0,018 мкОм·м), прочность, твердость, высокое сопротивление истирающим нагрузкам (например, контактные провода, коллекторные пластины электрических машин). Отожженная (мягкая) медь - ММ имеет высокую электрическую проводимость (ρ не более 0,01724 мкОм·м) и применяется в виде проволок для изготовления токопроводящих жил кабелей, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волноводов и т.д.

Алюминий как проводниковый материал занимает второе место после меди. Для электротехнических целей используют специальные марки алюминия А5Е (общее содержание примесей 0,5%) и А7Е (примесей 0,3 %), в которых содержание железа и кремния находится в определенном соотношении, а концентрация Ti. V. Сг и Мn снижена до тысячных долей процента. Удельное электрическое сопротивление проводникового алюминия не более 0,0289 мкОм·м.

Железо значительно уступает меди и алюминию по электрической проводимости, но оно обладает более высокими механическими характеристиками. В качестве проводникового материала железо (низкоуглеродистые стали) применяют в тех случаях, когда прочностные свойства имеют решающее значение, например, для рельсов подвижного состава с электрической тягой.

К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком охлаждении (ниже -173°С) высокую электрическую проводимость, но не переходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является алюминий особой чистоты А999 (99,999 % А1). При температуре жидкого азота минус 195,6°С удельное электрическое сопротивление составляет около 0,003 мкОм·м, а при температуре жидкого водорода минус 252,6°С - около 0,00005 мкОм·м.

К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не менее 0,3 мкОм·м) относятся медноникелевые сплавы: манганин (МНМц 3-12), константан (МНМц 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60); на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (0Х23Ю5) и др.

Манганин - сплав на основе Сu, легированный 3 % Ni и 12 % Мn, обладает стабильным удельным электрическим сопротивлением в интервале температур от -100 до + 100 °С. Низкое значение термоЭДС в паре с медью и высокая стабильность электросопротивления во времени позволяют широко использовать манганин при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов высоких классов точности.

Константан (около 40 % Ni и 1,5 % Мn, основа - Сu) по стойкости к нагреву превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и электронагревательных приборах, работающих при температуре до 500°С. Высокая термоэлектродвижущая сила константана в паре с медью и железом исключает возможность применения его в электроизмерительных приборах, однако, она позволяет применять константан при изготовлении термопар.

Сплавы высокого электросопротивления (нихрому, фехраль, хромель к др.) применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов и печей. Рабочие температуры таких сплавов 900... 1200 °С.

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно положения равновесия. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Мерой поляризуемости диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, равная отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости такого же конденсатора с вакуумом. Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме диэлектрика некоторой критической величины напряженности электрического поля происходит пробой. (Под напряженностью электрического поля понимают отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между подводящими напряжение электродами). Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, а достигнутую к этому моменту напряженность - электрической прочностью.

В приборостроении в ряде случаев требуются материалы с минимальным или заданным по величине температурным коэффициентом линейного расширения, материалы с малым температурным коэффициентом модуля упругости и др. Сплавы, имеющие подобные свойства, принадлежат системе Fe-Ni.

Минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения (1,5 · 10-6 1/°С) в интервале температур от -60 до + 100°С имеет сплав с 36 % никеля - 36Н, называемый инвар. Малое значение температурного коэффициента линейного расширения сплавов типа инвар имеет ферромагнитную природу и связано с большой магнитострикцией, т.е. изменением размеров ферромагнетика при его намагничивании. Размеры изделий данного сплава определяются двумя составляющими: нормальной, зависящей от энергии связи между атомами, и магнитострикционным увеличением размера, вызванным внутренним магнитным полем ферромагнетика. С увеличением температуры размер любого тела растет вследствие ослабления межатомных связей, но в сплавах типа инвар этот рост компенсируется уменьшением магнитострикционной составляющей, поскольку увеличение тепловых колебаний атомов влечет за собой снижение намагниченности, а, следовательно, и магнитострикции.

Частичная замена в инваре никеля на кобальт и дополнительное легирование медью уменьшает коэффициент линейного расширения сплава в том же температурном интервале до 1,0 · 10-6 1/°С (32НКД - суперинвар). Сплав 29НК (ковар) имеет такой же коэффициент, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. У сплава 47НД (платинит) коэффициент линейного расширения такой же, как у обычного стекла и у платины.

Сплавы с малым температурным коэффициентом модуля упругости называют элинварными, например 36НХ (элинвар), 42НХТЮ, 44НХТЮ.

Ферромагнитные материалы в зависимости от конфигурации их петли магнитного гистерезиса подразделяют на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые сплавы используют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной (размагничивающей) силой Нс > 4 кА/м и обладают значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам Нс и остаточной магнитной индукции Вr.

Увеличение коэрцитивной силы магнитно-твердых сталей достигается получением неоднородной напряженной структуры, представленной высокоуглеродистым мартенситом с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использованы углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХЗ, ЕХ5К5 и др.). Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, повышают ее коэрцитивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК40Т8АА, обладающие значительно большей коэрцитивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве материалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Fe-Ni-Al, сплавы на основе РЗМ (Sm, Pr, Y), получаемые методом порошковой металлургии.

Из магнитно-мягких сплавов изготавливают электромагниты, магнитопроводы электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппаратов. Основные требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам, - низкая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание. Низкие значения Нс и высокая магнитная проницаемость μ достигаются в ферромагнетиках при однофазной, близкой к равновесию структуре с минимумом внутренних напряжений.

Магнитно-мягким материалом является, например, техническое железо. Оно обладает достаточно высокой начальной и максимальной магнитной проницаемостью (μн = 0,3 и μmax = 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой с = 64 А/м). Недостатком железа является низкое удельное электросопротивление (ρ не более 0,1 мкОм·м), обусловливающее значительные тепловые потери, связанные с вихревыми токами, возникающими при перемагничивании. Поэтому применение технического железа ограничено устройствами, работающими на постоянном токе.

Наиболее широкое распространение в качестве магнитно-мягких материалов, работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), получили кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния - увеличение удельного электросопротивления стали, и, следовательно, сокращение потерь при перемагничивании. Дальнейшее уменьшение тепловых потерь достигается изготовлением магнитопроводов (роторов и статоров двигателей, сердечников трансформаторов и т.д.) из набора тонколистовых деталей с прослойкой изоляции (полимеров, оксидов).

Электротехнические стали маркируют четырехзначными числами. Первая цифра характеризует вид и структуру проката: 1 - горячекатаная изотропная сталь, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра указывает на содержание кремния: 0 - менее 0,4 %, 1 - более 0,4 до 0,8%, 2 - более 0,8 до 1,8 %,... 5 - более 3,8 до 4,8 %. Третья цифра определяет тепловые потери при определенных значениях индукции В и частоты f. Например, единица указывает, что потери нормированы при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц (P1,5/50). Четвертая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем потери меньше.

В радиотехнике, в телефонии для достижения больших значений индукции в слабых магнитных полях для магнитопроводов применяют железоникелевые сплавы - пермаллои, содержащие 45... 83 % Ni и отличающиеся высокой магнитной проницаемостью (μн до 88 мГн/м и μmax до 310 мГн/м). К пермаллоям относятся, например, сплавы 45Н, 50Н (низконикелевые); 79НМ, 81НМА (высоконикелевые). Пермаллои применяют при частотах до 25 кГц. Наряду с пермаллоями применяют литейные сплавы системы Fe-Al-Si (альсиферы), обладающие свойствами, близкими к пермаллоям. Альсиферы не содержат дорогостоящих легирующих элементов, но они менее технологичны.

Для работы в высокочастотных полях в качестве магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики и ферриты. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из конгломерата тонкодисперсных низкокоэрцитивных частиц, например, размолотого альсифера, скрепленных прослойками органического или неорганического диэлектрика. Высокое удельное электросопротивление магнитодиэлектрика обусловливает малые потери на вихревые токи и определяет возможность его применения в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике и т.д.

Ферриты представляют собой материалы, состоящие из оксидов Fe, Zn, Mn, Ni, получаемые методом порошковой металлургии. Ферриты широко применяют в устройствах, работающих в слабых полях на низких и высоких радиочастотах.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: