Исследование и выбор материалов электрических контактов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

 

Факультет     .

^{название  института}

Кафедра    

^{название  кафедры}

Дисциплина Материаловедение

^{Наименование дисциплины}

 

 

 
 
Курсовой проект

 

на тему: «Исследование и выбор материалов электрических контактов»

^{тема курсового  проекта}

^{Вариант №}

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы                                                    Руководитель: к.т.н., профессор

Работа защищена с оценкой:                                          .

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Введение……………… .………………………………………………….........3

2. Общая характеристика медно-никелевых сплавов.……………………….....3

3. Классификация медно-никелевых сплавов.………………………...………...5

4. Влияние примесей на свойства медно-никелевых сплавов …………...…….7

5. Характеристика Камелона……………………………………….….….….......8

6. Расчетная  часть..……………………………………………….……………...10

7.Заключение……………………………………………………………………..19

8.Справочная  литература…………………………………………………….….20

 

 

 

1.Введение.

Одним из основных критериев работоспособности  материалов является прочность.

В процессе эксплуатации под действием  приложенных нагрузок могут возникнуть недопустимо большие деформации и разрушения. Остаточные деформации влекут за собой изменение формы  и размеров деталей. Разрушение деталей  наблюдается в виде поломок или  повреждений рабочих поверхностей. Задача обеспечения необходимой  прочности сводится к тому, чтобы  определить размеры и форму деталей, исключающие возможность возникновения  недопустимо большой остаточной деформации, а также правильно  подобрать материалы.

Если говорить об изучении процессов, происходящих в материалах электрических контактов, наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные и скользящие).

К контактам также предъявляются требования надежности  электрического соединения,   отсутствия   вибрации,   долговечности,   малого   переходного сопротивления, стойкости против внешних влияний.

В работе контактов следует различать  четыре состояния: замкнутое, размыкание, разомкнутое и замыкание.

2. Общая характеристика медно-никелевых сплавов.

В группу медно-никелевых сплавов  входят такие сплавы на основе меди, в которых никель является основным легирующим компонентом, оказывающим  решающее влияние на свойства сплава. В зависимости от содержания никеля и других легирующих компонентов, такие сплавы обладают различными физико-механическими характеристиками: прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и жароупорностью и другими свойствами.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы (рисунок 1). Никель существенно упрочняет медь, причем максимальную прочность и твердость имеют сплавы примерно эквиатомного состава (рисунок 2). Важно отметить, что при этом характеристики пластичности и ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристики жаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивления меди, сильно повышает стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии — из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия.

           

 

Рисунок 1 - Диаграмма состояния Cu—Ni.    Рисунок 2 - Влияние никеля на механические   свойства медно-никелевых сплавов.

 

 

В России маркировку сплавов проводят следующим  образом:

Каждый  элемент, входящий в сплав, имеет своё собственное буквенное обозначение. Некоторые из них представлены в таблице 1.

Таблица 1. Буквенные обозначения некоторых элементов в России.

Элемент	Обозначение	Элемент	Обозначение
Zn	Ц	Pb	С
Mn	Мц	Fe	Ж
Al	А	Si	К
Ni	Н	P	Ф
Sn	О	Ti	Т
Be	Б	Cr	Х
Cu	М

 

Название сплава состоит из букв элементов, входящих в него. Вначале  ставятся буквы основных компонентов, определяющих свойства сплава, а затем  буквы остальных компонентов  в порядке уменьшения содержания этих элементов в сплаве. Среднее  содержание элементов в сплаве указывается  цифрами, разделёнными тире, сразу после  буквенного обозначения сплава в  том же порядке, в котором расположены  буквы элементов в названии сплава. Содержание основного компонента не указывается, а рассчитывается как  разность 100% и суммарного содержания всех легирующих компонентов.

Например, сплав МН10 содержит в своём составе 10% (по массе) никеля (Н), остальное –  медь (М). Сплав МНЦС16–29–1,8 содержит в своём составе 16% никеля (Н), 29% цинка (Ц), 1,8% свинца (С), остальное – медь (М).   

Медно-никелевые сплавы используются в различных областях промышленности, начиная от судостроения и заканчивая изготовлением деталей прецизионных механизмов. Очень часто изделия  из медно-никелевых сплавов работают в агрессивных коррозивных средах: морской воде, парах воды и других газах.                                                                         

3. Классификация медно-никелевых сплавов.

Медно-никелевые сплавы по механическим, физико-химическим свойствам и областям применения можно условно разделить  на следующие основные группы: конструкционные; термоэлектродные; сплавы сопротивления и сплавы с особыми свойствами.

Конструкционные медно-никелевые сплавы.

Конструкционные сплавы – высокопрочные и коррозионностойкие сплавы, имеют красивый серебристый цвет. Их применяют для изготовления деталей с повышенными механическими и коррозионными свойствами (см. таблицу 2).

Таблица 2. Свойства и назначения некоторых конструкционных медно-никелевых сплавов.

Название и марка сплава	Типичные механические свойства			Примерное назначение
Мельхиор МН19	35	35	70	Медицинский инструмент, детали точной механики, изделия широкого потребления
Мельхиор МНЖМц30–1–1	38	45	70	Трубы для конденсаторов
Нейзильбер МНЦ15–20	40	45	70	Детали приборов точной механики, техническая  посуда, художественные изделия, изделия  широкого потребления

Мельхиоры содержат 20 – 30% никеля и  часто дополнительно легируются железом и марганцем. Нейзильберы  относятся к тройной системе Cu – Ni – Zn и содержат 5 – 35% никеля и 13 – 45% цинка.

Также в группу конструкционных  сплавов входят нейзильбер МНЦС16–29–1,8, используемый в производстве деталей часовых механизмов, куниаль МНА6–1,5 и МНА13–3, из которых изготовляют детали повышенной прочности и пружины ответственного назначения, сплавы МН5 и МНЖ5–1, используемые в производстве прутьев и труб и другие сплавы.

Термоэлектродные медно-никелевые сплавы.

Важнейшими представителями термоэлектродных сплавов являются хромель, алюмель, копель и сплавы для компенсационных  проводов. Эти сплавы отличаются большой  электродвижущей силой и высоким  удельным электросопротивлением при  малом температурном коэффициенте электросопротивления. Применяются  они для изготовления прецизионных приборов, термопар и компенсационных  проводов к ним.

Например, копель (МНМц43–0,5) применяют  для создания радиотехнических приборов и в пирометрии, сплав МН0,6 –  как компенсационные провода  к платино-платинородиевым термопарам, а сплав МН16 – как компенсационные  провода к платино-золотым и  палладий-платинородиевым термопарам.

Медно-никелевые сплавы сопротивления и сплавы с особыми свойствами.

К группе сплавов сопротивления и сплавов с особыми свойствами относятся сплавы, обладающие высокой жаропрочностью и жароупорностью и применяющиеся для изготовления разного рода электронагревательных приборов и электропечей.

Например, константан (МНМц40–1,5) применяется  для производства реостатов, термопар, нагревательных приборов, работающих при температурах до 500^оС. Манганин (МНМц3–12) используется в производстве электроизмерительных приборов и приборов электросопротивления, работающих при температурах ниже 100^оС.

 

4. Влияние  примесей на свойства медно-никелевых  сплавов.

Добавки других элементов в медно-никелевые  сплавы в качестве легирующих компонентов  или их присутствие в качестве примесей существенно влияет на механические, технологические и физико-химические свойства этих сплавов.

Алюминий значительно растворяется, как в меди, так и в никеле. Его часто добавляют в сплавы как раскислитель и дегазатор. Добавки  алюминия несколько увеличивают  прочность и пластичность, но не влияют на электропроводность и термо-ЭДС. Также они понижают температуру магнитных превращений.

Железо значительно облегчает  процессы обработки сплавов, однако значительно понижает их жаропрочность  и термо-ЭДС. Поэтому примеси железа в термоэлектродных сплавах и сплавах сопротивления нежелательны. Однако добавки железа к мельхиорам повышают их стойкость против ударной коррозии.

Кремний ограниченно растворим  как в никеле, так и в меди и иногда применяется в качестве раскислителя. Кремний снижает пластичность сплавов, вызывая брак по трещинам при  обработке давлением. На термоэлектродные сплавы кремний влияет отрицательно, и его содержание не должно превышать 0,002%. В сплавах сопротивления  кремния может быть не больше 0,1%.

Марганец положительно влияет на механические свойства и жаростойкость медно-никелевых  сплавов. Кроме того, марганец является хорошим раскислителем, он парализует вредное влияние серы. Полезно  добавлять марганец в мельхиоры, так как он устраняет хрупкость  сплавов после отжига при наличии  в них углерода.

Магний иногда применяется в  качестве раскислителя и дегазатора. Также он парализует вредное влияние  серы.

Цинк является одним из основных компонентов в нейзильберах. Однако он является вредной примесью в термоэлектродных сплавах и сплавах сопротивления  из-за того, что легко испаряется.

Хром растворим в никеле в  твёрдом состоянии, причём при нагревании растворимость повышается. Хром повышает электросопротивление и жаростойкость.

Сера является очень вредной  примесью. При затвердевании её соединения с никелем выделяются по границам кристаллитов, придавая сплаву хрупкость. При содержании серы 0,01% сплавы легко  разрушаются при обработке давлением. Вредное действие серы можно нейтрализовать, вводя в сплавы марганец, магний или литий.

Кислород также отрицательно влияет на медно-никелевые сплавы. Сплавы, содержащие кислород склонны к «водородной  болезни». Кроме того, он придаёт  сплавам хрупкость.

Углерод малорастворим в медно-никелевых сплавах. При содержании никеля 30% растворимость углерода составляет всего лишь 0,045%. При содержании углерода выше предела растворимости, он выделяется в виде графита по границам кристаллитов, что способствует быстрому разрушению готовых изделий от интеркристаллитной коррозии.

Висмут и свинец – вредные  примеси. При их содержании более 0,002% сплавы легко разрушаются при  горячей обработки давлением. Свинец вводится лишь в нейзильбер МНЦС16–29–1,8 для улучшения его обрабатываемости резанием. Но этот сплав можно обрабатывать давлением только в холодном состоянии.