Лекции по "Металлургии"

Чаще для электронагревательных  приборов применяют хромоалюминиевые низкоуглеродистые сплавы ферритного класса: Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель), 0Х27Ю5А, обладающие высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением.  Чем выше содержание в сплавах хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента.

Количество углерода в сплавах  строго ограничивают (0,06 - 0,12 %), так как  появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок службы нагревателей. Ниже приведены характеристики этих сплавов (табл. 2.5).

Указанные сплавы изготавливают металлургической промышленностью в виде проволоки и ленты. Сплавы малопластичны, поэтому нагреватели, особенно нередко провисают под действием собственной массы. После первого нагрева до рабочей температуры, вследствие роста зерна нагреватели становятся хрупкими. Сопротивление  ползучести ферритных сплавов невелико.

 

Таблица 2.5 - Основные рабочие характеристики сплавов с высоким электрическим сопротивлением на железной основе

Сплав	Х13Ю4	0Х23Ю5	0Х27Ю5А
Максимальная рабочая температура,°С	900	1100	1200
Удельное электросоп- ротивление (для проволоки диаметром 1 мм), мкОмּм	1,24 -1,34	1,2 - 1,4	1,37 - 1,47

СПЛАВЫ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Высоким омическим сопротивлением обладают твердые растворы на основе никеля.

Наиболее известными сплавами с высоким электросопротивлением являются сплавы никеля с  хромом Х20Н80 (нихромы) с рабочей температурой до 1050°С.

Для удешевления нихромов и улучшения  их технологических свойств часть  никеля заменяют железом. Нихромы с  железом называют ферронихромами. Из ферронихромов следует упомянуть Х15Н60, содержащий 25% Fe, который имеет максимальную рабочую температуру 1000°С. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением применяют для нагревателей электрических печей, бытовых приборов, а также резисторов, терморезисторов и тензодатчиков.

 

ПРОВОДНИКОВЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Проводниковые металлы и сплавы должны обладать:

- возможно более высокой  электропроводностью;

- достаточно высокими  механическими свойствами;

- сопротивляемостью к атмосферной коррозии;

- способностью поддаваться  обработке давлением в горячем  и холодном состоянии.

Наилучшей проводимостью  после серебра обладают медь и  алюминий, они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди, но плотность алюминия мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводимости 1 кг меди. Следовательно, алюминий более экономически выгоден для использования в качестве проводникового материала.

Проводниковые материалы, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие  группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий, проводниковые сплавы, проводниковое железо.

Проводниковая медь. Для изготовления электрических проводов применяют электролитическую (катодную) медь, содержащую не более 0,05% суммы примесей. Катоды переплавляются в слитки, при этом содержание примесей в меди повышается. Согласно ГОСТ проводниковая медь М1 должна содержать в сумме не более 0,1% примесей (содержание кислорода не более 0,08%). Проводниковая медь имеет в отожженном состоянии s_В = 270 МПа. Предел  прочности может быть повышен до 480 МПа путем холодной деформации, но при снижении электрической проводимости.

Проводниковый алюминий. Недостатком алюминия является его сравнительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому для проводов его применяют в упрочненном состоянии (путем холодной деформации). В этом случае предел прочности составляет 250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению, которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.

Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей (в сумме не более 0,5%), из которых основными являются железо и кремний.

Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, А1, А2. Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его сопротивления обычно не применяется. Холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 - 98% электропроводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандартной меди.

Проводниковые сплавы. В тех случаях, когда требуется повышенная прочность или специальные свойства (например, повышенное сопротивление истиранию), применяют сплавы на алюминиевой и медной основе. Композицию сплавов подбирают таким образом, чтобы легирующий металл не растворялся в основном металле, а упрочнение сплавов достигалось за счет интерметаллических фаз.

Проводниковое железо. Удельное электросопротивление железа в 7 - 8 раз выше, чем у меди. Тем не менее, железо применяют в промышленности, т.к. оно является недефицитным материалом и имеет повышенную механическую прочность. При использовании железа в качестве проводникового материала оно должно быть достаточно чистым. Обычно для этих целей применяют армко-железо.

Железо используют при  изготовлении биметаллических проводов, в этом случае сердцевину провода изготовляют из железа, а поверхностный слой из материала, имеющего более высокую электрическую проводимость (медь, алюминий).

Сверхпроводники. Особую группу материалов с высокой электрической проводимостью представляют сверхпроводники.

С понижением температуры электрическое  сопротивление всех металлов монотонно  падает (рис. 2.4). Однако есть металлы  и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие

 

Рисунок 2.4 – Изменение  электрического сопротивления R металла в зависимости от температуры

 

сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз. При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепловые рассеяния, т.к. энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

Сверхпроводящее состояние  разрушается не только в результате нагрева, но также и в сильных  магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы.

Из всех элементов  способных переходить в сверхпроводящее  состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода (-263,83°С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22 - 26% Ti, 63 - 68% Nb, 8,5 - 11,5% Zr. Проволоку из сплава 35БТ состава 60 - 64% Ti, 33,5 - 36,5% Nb, 1,7 - 4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток  мощных генераторов, магнитов большой мощности, туннельных диодов для ЭВМ.

Полупроводниковые материалы. Полупроводниковые материалы по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Подобно металлам для полупроводников характерна проводимость электронным переносом и дырками (вакантное место, оставленное электроном, наделенное свойствами положительного заряда).

Диапазон изменения  электросопротивления у полупроводниковых материалов весьма широк; однако эти материалы характеризуются некоторыми другими специфическими свойствами, отличающими их от металлов и изоляторов. Например, если электросопротивление металлов возрастает с повышением температуры, то у полупроводниковых материалов оно падает; примеси уменьшают электропроводность металлов, но увеличивают проводимость полупроводниковых материалов. Полупроводники обладают фотопроводимостью, т.е. под действием излучений у них возникают дополнительные свободные носители заряда. В приборной технике полупроводники нашли широкое применение, поскольку они могут служить выпрямительными элементами, генерировать огромные термо-э.д.с., усиливать ток, позволяют увеличить ресурс и надежность электронных устройств, уменьшить размеры и вес приборов, а также сократить потребление электрической энергии.

В авиационной технике  полупроводниковые материалы используют в приборах для генерации и усиления электрических сигналов и выпрямления переменного тока (диоды) и в качестве фотосопротивления и фотодиодов. Магнитные свойства полупроводниковых материалов позволяют применять их при изготовлении малогабаритных антенн, трансформаторов, катушек индуктивности и т.д.

Полупроводниковые материалы  могут быть разделены на три группы:

1. Полупроводниковые  элементы - B, C, Se, Si, Ge, Sn, Te, Sb, P, As, S;

2. Полупроводниковые химические  соединения и сплавы - (SiC, ZnSb, InSb, ZnAs, AlSb, Cu₂O, NiO  и др.);

3. Органические вещества - полиацены,  керамические материалы и др.

Из простых полупроводников  наиболее распространенными являются германий и кремний.

Качество полупроводниковых материалов зависит от чистоты и совершенства строения исходного материала (монокристалла). Содержание примесей в полупроводниках не должно превышать 10^-4 - 10^-9%. Особенно нежелательны примеси Al, B, W, V, Fe, Co, Mn и др. Степень чистоты большинства чистых элементов составляет 99,99%. Дальнейшее очищение монокристаллов и сплавов осуществляется зонной плавкой. Монокристаллы изготовляют тремя методами: направленной кристаллизацией, из растворов, методом газовой фазы.

Ge и Si маркируют по буквенно-цифровой  системе. Так Ge электронный, легированный Sb, обозначают ГЭЛС; дырочный, легированный Ga - ГДЛГ. Цифры означают удельное электросопротивление (омּм) в числителе и диффузионную длину неосновного носителя заряда в знаменателе. Например, ГЭЛС 0,3/0,2.

Si монокристаллический  дырочный маркируется КМД - 2 (где  цифра означает удельное электросопротивление), а Si монокристаллический электронный - КМЭ - 2.

 

СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ  КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного  расширения широко применяются в  машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe - Ni, у которых коэффициент линейного расширения a при температурах от -100 до 100°С с увеличением содержания Ni до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600 - 700°С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов.

Это свойство сплавов Fe - Ni широко используется в технике. Так, детали машин и  приборов, которые должны сохранять  постоянство размеров при нагреве до 100°С и охлаждении до - 100°С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов), изготовляют из ферромагнитного сплава 36Н (~ 0,05% С, 36% Ni, остальное Fe), получившего название инвар. Сплав 36Н имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения в системе Fe - Ni, a = 1,5 . 10 ^-6°С^-1.

Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов проводников  применяют сплавы Fe - Ni, добавочно легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффициент линейного расширения и близкую температурную зависимость. Для вакуумных впаев в молибденовые стекла применяют сплав 29НК, называемый коваром ( 29% Ni, 18% Co, остальное Fe).  При нагреве при впаивании сплава 29НК на его поверхности образуется пленка оксидов, взаимодействующая со стеклом. Это приводит к образованию плотного сцепления (адгезии между стеклом и сплавом).

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных  кинескопах), имеющих a < 8,7 . 10 ^-6°С^-1, применяют и более дешевые ферритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ (0,35% Мо; 0,36% V; 18%  Cr; 0,6% Ti). Эти сплавы имеют одинаковые свойства, но сплав 18ХТФ дешевле, так как он не содержит молибдена.

СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ “ПАМЯТИ ФОРМЫ”

При напряжении выше предела упругости  после снятия нагрузки металл не воспроизводит начальные размеры и форму. Сравнительно недавно (40-е года ХХ века) открыты сплавы, обладающие эффектом “памяти формы”. Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект “памяти формы”), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Так, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре и выпрямить при низкой температуре, то при повторном нагреве проволока вновь самопроизвольно закручивается в спираль.