Материаловедение

Оптоволоконная связь

2012-10-29T13:24:41Z

ОПТОВОЛОКОННАЯ СВЯЗЬ

Особенности оптических систем связи.

Тема об оптоволоконной линии связи является весьма актуальной на данный момент времени. Многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть – бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном (медном) кабеле. Их скорость мала, даже для передачи видео информации, из одного места в другое, удалённое на большое расстояния, она не годится. А волоконная оптика как раз то, что нам нужно - её скоростью передачи информации очень большая. Низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования. Имеет хорошую помехозащищенность, легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности.

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Технические особенности оптоволоконной связи

Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. Оптические волокна имеют диаметр около 1 – 0,2 мм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена большим количеством сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга. Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие. Есть в волоконной технологии и свои недостатки: при создании линии связи требуются активные высоконадежные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование. а) инструменты для оконцовки, б) коннекторы,

в) тестеры, г) муфты и спайс-касеты

Оптическое волокно

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть, сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод). Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная. Модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны. Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов. Если при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.

Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодывое волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже. Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0,3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на: монтажные, станционные, зоновые, магистральны. Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров. Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети. При изготовлении ВОК в основном используются два подхода: конструкции со свободным перемещением элементов конструкции с жесткой связью между элементами По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос. Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей. Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

Строительство и наладка ВОЛС

ВОЛС внутри одного здания. В этом случае для связи применяется двухволоконный ОК (типа "Лапша"), который при необходимости может быть проложен в трубке под полом или вдоль стен в декоративных коробах. Все работы могут быть произведены самим заказчиком, если поставляемый кабель будет оконцован соответствующими коннекторами. ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.

Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В практике специалистов фирмы "ВИМКОМ ОПТИК" получил распространение третий способ, так как он экономичен, надежен, обеспечивает малые вносимые оптические потери за счет применения розеток и коннекторов с керамическими элементами, а также удобен для пользователей. Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннектора. Он предназначен для установки на стене или любой вертикальной поверхности. Оптические кроссы фирмы АМП могут иметь емкость от 6 до 64 портов типа SC, FC или ST. Возможна комбинация портов различных типов внутри кросса.

Многоразовый механический соединитель оптических волокон КОРЛИНК (Corelink) предназначен для оперативного ремонта волоконно-оптических линий; для сращивания оптического кабеля, как в стационарных, так и в полевых условиях; для тестирования оптического волокна. КОРЛИНК используется для механического сращивания одномодовых и многомодовых волокон диаметром 125 мкм. Он позволяет многократно соединять оптические волокна с минимальными затратами и за минимальное время. КОРЛИНК может быть использован для соединения волокон с диаметром буферного покрытия 250мкм и 900мкм в любых сочетаниях. Прозрачный корпус позволяет визуально контролировать процесс монтажа. Кроме того, есть возможность более точной ориентации волокон для уменьшения потерь. Основные достоинства это простая и экономичная технология монтажа; малые габариты; быстрое и надежное соединение одномодовых и многомодовых волокон; многократное использование; малые потери. Вносимое затухание < 0,1dB Обратное отражение –55dB Рабочая температура –40 до 80° С

Габаритные размеры 51х7,6х3,3mm

Количество повторных циклов соединения не менее 10 Среднее время монтажа 30 секунд.

Для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические "сплайсы" (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция "сплайса" надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке ~ 0.1 dB. Такие "сплайсы" особенно удобны при быстром восстановлении повреждений ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).

За последние годы разработано несколько способов сращивания оптических волокон. Универсальным считается способ сращивания волокон путем сварки на специальном аппарате. Такие аппараты производят фирмы: BICC(Великобритания), Ericsson (Швеция), Fujikura, Sumitomo(Япония). Высокая стоимость сварочных аппаратов стала причиной создания альтернативных технологий сращивания оптических волокон. Монтаж оптических линий связи фирма "ВИМКОМ ОПТИК" проводит с помощью сварочного аппарата фирмы "Sumitomo" type 35 SE. Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режиме, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметр работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединений волокон и, если это необходимо, дает команду повторить сварку.

Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые волокна с потерями 0.01dB, что является превосходным результатом. В аппаратах других конструкций, например BICC, волокно изгибается, и в месте изгиба свариваемого волокна водится излучение лазера, которое регистрируется в месте изгиба второго свариваемого волокна фотоприемником. При таком способе измерений волокно подвергается чрезмерной деформации изгиба, что может привести к образованию трещин на этом участке волокна. Sumitomo проводит измерения неразрушающим способом на основе обработки видеоинформации по специально разработанным алгоритмам.

Для некоторых специальных применений оптические волокна выпускаются с особым покрытием оболочки или со сложным профилем показателя преломления на границе "жила-оболочка". В такие волокна очень трудно ввести зондирующее излучение в области изгиба. Для аппаратов Sumitomo работа со специальными волокнами не вызывает затруднений. Подобные аппараты довольно дороги, но мы работаем именно на таких аппаратах. Этим достигаются две цели: 1) высокое качество сварки, 2) высокая скорость работ, что немаловажно при выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

В процессе монтажа ВОЛС осуществляется тестирование линии с помощью оптического рефлектометра. Модель 7920 Helios – это современный оптический рефлектометр, основанный на принципе открытой архитектуры. Прибор имеет промежуточные размеры между мини- и большими рефлектометрами, имеет встроенный дисковод 3,5” (формата MS-DOS) для хранения и последующей обработки результатов измерений, встроенный принтер, электролюминесцентный дисплей. Helios предназначен для работы, как в полевых, так и в лабораторных условиях на всех видах волоконно-оптических трасс. Helios обладает повышенным быстродействием и позволяет проводить все необходимые измерения при максимальном динамическом диапазоне менее чем за 1 минуту. Он автоматически подбирает параметры измерений

Ферромагнетизм

2012-10-29T13:23:50Z

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ

Природа ферромагнетизма

Возникновение магнитных свойству ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют некомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней 3d – оболочке имеется четыре некомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово – механических понятий.

По Я.И.Френкелю и В. Гейзенбергу главную роль в возникновении ферромагнитного состоянию играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.

Рис.5.1 Зависимость интеграла обменной энергии А от отношения межатомного расстояния а к диаметру незаполненной электронной оболочки d

Энергию А, возникающую в результате обмена электронами обмена электронами родственных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интегралом обменной энергии А на рисунке 5.1, что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке А энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависит от расстояния между атомами.

На рисунке 5.1 показано изменение интеграла обменной энергии в функции от отношения межатомного расстояния к диаметру незаполненной электронной оболочки d. При а/d > 1,5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.

Хотя максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложный характер, чем это следует из теории Френкеля – Гейзенберга, данная теория позволяет качественно объяснить причину незаполненных внутренних электронных оболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.

Доменная структура

Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей – доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность од6нородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.

Рис. 5.2. Стенка Блоха

Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированны в пространстве равно вероятно. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменных стенок векторы намагниченности плавно поворачиваются на рисунке 5.2. Объем доменов может колебаться в широких пределах от 10 до 10см³.

Ширина границ между антипараллельными доменами для железа 13·10м, то есть около 500 элементарных ячеек. Толщина границы зависит главным образом от соотношения энергий: обменной. Магнитной, анизотропии и магнитоупругой. Размеры самих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций и других неоднородностей. Обычно домены имеют правильную форму.

На рисунке 5.3 показана идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика.

Доменная структура поликристалла приведены на рисунке 5.4.

В магнитных материалах, предназначенных для устройств записи и хранения информации, создаются изолированные цилиндрические магнитные домены (ЦМД). На Рис.5.4 показаны ЦМД в тонкой магнитной пленке. Емкость отдельного ЦМД - элемента может достигать бит. В отсутствии внешнего магнитного поля смещение в ЦМД – материалах доменная структура

Рис. 5.3. Идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика

Структура ферромагнетиков

Ферромагнетики в основном кристаллизируются в трех типах решеток: кубической, пространственной, кубической объемно-центрированной и гексонольной, показанной на рисунке 5.5.

Зависимости В = f(Н) показывают, что кристаллы являются магнитоанизотропными. На рисунке эта зависимость показана для железа. Направления намагничивания указаны в квадратных скобках. При отсутствии внешнего поля векторы намагничивания располагаются в легком направлении. Площадь, заключенная между кривыми легкого и трудного намагничивания, пропорциональна энергии, которую требуется затратить для изменения направления намагничивания от легкого до трудного.

Рис. 5.4. Доменная структура поликристалла

Энергию естественной кристаллографической магнитной анизотропии –Е_кхарактеризуют константами кристаллографической магнитной анизотропии. Для кубического кристалла

где К₀, К₁, К₂ – константы кристаллографической магнитной анизотропии;

- направляющие косинусы вектора намагниченности по отношению к осям x, y, z ребер куба.

Магнитострикционная деформация

Это обратимое изменение формы и размеров образца при переходе ферромагнетика через точку Кюри при отсутствии внешнего поля (самопроизвольная магнитострикция) и при воздействии внешнего поля на ферромагнетик при <.

Сумму энергий кристаллографической магнитной анизотропии и магнитоупругой результате магнитострикции называют энергией магнитной анизотропии.

Рис.5.5. Анизотропия магнитных свойств железа

Магнитная проницаемость

В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала.

Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением

где - абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды.

Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным, чем в вакууме (парамагнитные материалы), или наоборот, менее интенсивным (диамагнитные материалы).

Таким образом, интенсивность магнитного поля, т.е. индукция В, зависит от среды, в которой существует поле.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной . В системе СИ для нее принято значение Ом·с/м.

Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью), так что

Магнитная проницаемость – отвлеченное число. Для диамагнитных материалов и сред <1, например, для меди =0,999995. Для парамагнитных материалов >1, например для воздуха =1,0000031. При технических расчетах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице.

У ферромагнитных материалов, играющих исключительную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, т.е. величины индукции или от величины напряженности магнитного поля.

Зависимость показана на рис.5.5 . Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости

, .

При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного и магнитных полей и обычно, при условии << вводят понятие дифференциальной проницаемости

Зависимость . Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для при наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля на рисунке 5.3. Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

Рис.5.6 Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н

Потери в магнитных материалах

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис и дополнительных потерь . Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери).

, Дж/м³.

При перемагничивании с частотой f (Гц)

, Вт/кг,

где - плотность материала, кг/м³.

<<<

- соответствует , - соответствует области насыщения

Рис.5.7 Зависимость магнитной проницаемости от температуры Т

Потери на вихревые токи для листового образца

где -амплитуда магнитной индукции, Тл; f - частота переменного тока, Гц; d - толщина листа, м; - плотность, кг/м³; - удельное электросопротивление, Ом·м

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля. J при включении магнитного поля Н быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой

где J_no – намагниченность при t , - время релаксации.

На рисунке 5.4 показана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченности от времени действия магнитного поля. В магнитотвердых материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.

Тангенс угла магнитных потерь используется в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке 5.5.

Рис.5.8 Зависимость намагничивания J магнитного материала от времени действия магнитного поля t

Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем

Активная мощность

где ; -магнитная восприимчивость

Электрические свойства магнитных материалов

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов зависит от состава и направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. Электрические свойства технических Fe, Co, Ni показаны в таблице 5.1.

Рис.5.9. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) индуктивной катушки с сердечником из магнитного материала

Таблица 5.1. Характеристики некоторых материалов

материал	Р, мкОм·м	Температурный коэффициент электрического сопротивления,
Fe	0,097 (20°С)	6,2
Co	0,32 (500°С)	13,8 (500°С)
Ni	0,68 (0-100°С)	6,7

Рис.5.10 Кристаллическая структура направления плоскости, перпендикулярной легкого и трудного намагничивания

В чистых монокристалличеких образцах металлов наблюдается значительная анизотропия электросопротивления. Так, в монокристаллах кобальта в направлении оси С r_с = 0,103 мкОм м, а в этой оси r_р= 0,055 мкОм м монокристалла кобальта по рисунку 5.6.

В ферритах по сравнению с металлическими ферромагнетиками удельное электрическое сопротивление много выше, сопоставимо с полупроводников и может меняться в широких пределах в зависимости от состава, типа элементов структуры, вида примесей. Так для феррита иттрия удельное сопротивление 10-10Ом·м, для феррита никеля 10- 10 Ом·м, для феррита лития 1-10 Ом·м. Энергия активации проводимости ферритов находится в пределах 0,2 - 2 эВ. В ферритах часто наблюдается поляронная (прыжковая) проводимость, обусловленная перескоком локализованных электронов из одного состояния в другое. Поляроны – квазичастицы, образованные локализованными на ионах электронами вместе с окружающим их полем поляризации. В случае поляронов мало радиуса энергия ионизации примесного центра 0,2-0,6 эВ.

Классификация магнитных материалов

Все вещества при рассмотрении магнитных свойств принято называть магнетиками, когда они способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики; парамагнетики; ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля. К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные вещества, – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железо) их называют ферромагнетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях. Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики. При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика. Ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.

Процесс смешения границ доменов приводит к росту размеров тех доменов, которые самопроизвольно намагничены в направлениях, близких к направлению вектора H. Процесс вращения магнитных моментов доменов по направлению H играет основную роль только в области, близкой к насыщению (т.е. при H близких к H_s).

Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 5.12). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. МДС (магнито - движущая сила), а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения

магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (Оа) и достигает соответствующего максимального значения B_a. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок aб на рисунке 5.12) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение B_r, называемое остаточной индукцией (отрезок Об на рисунке 5. 12).

Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления намагничивающего тока, а, следовательно, и направления Рис.5.12 Кривая изменения напряженности поля и

магнитной индукции постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигает значения H_c, называемого коэрцитивной силой (отрезок Ов), при котором магнитная индукция B=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля H_г= -H_a магнитная индукция достигнет значения B_г= -B_a. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция B_д становится равной -B_б. Наконец, при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличения ее до прежнего значения Н_амагнитная индукция увеличится также до прежнего значения B_a. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса по рисунку 5.12 получается в действительности только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения I_a. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной на рисунке 5. 13. При напряженности поля H > H_max получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).

Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные наибольшие значения тока I_a, получить несколько симметричных петель гистерезиса и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания.

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

а) Магнитно-мягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы H_c (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями от гистерезиса. Намагничивание магнитно -мягких материалов происходит в основном за счет смещение междоменных границ, а в магнитно –твердых –за счет вращения вектора намагниченности (в магнитно –твердых материалах на основе редкоземельных элементов преобладают процессы смещения). К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы.

Пермаллои – это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 ⁰С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте. Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

Магнито - мягкие материалы намагничиваются в относительно слабых магнитных полях и обладают высокими значениями начальной µ_ни максимальной µ_max магнитных проницаемостей, малым значением коэрцитивной силы H_c. Значения B_max- максимальной магнитной индукции – соответствует намагниченности насыщения ферромагнетиков.

б) Для характеристики магнитно-твердых материалов используют обычно ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте, а в первом изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции. Как показано на рисунке 5.14. Магнитная энергия в воздушном зазоре постоянного магнита будет максимальна при некоторых значениях Н_Д и В_Д.Условие

Определяет наилучшее использование магнита и является важнейшим параметром, характеризующим качество материала. Множитель ½ иногда опускается. Коэффициент выпуклости

Характеризует форму кривой размагничивания – степени прямоугольности. Для магнитно – твердых материалов. Используемых в различных областях современной техники , , .

Рис.5.14 Зависимость магнитной энергии W от индукции В

Магнитно-твердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали.

5.9 Пермаллои

Пермаллои – железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50%Ni) и высоконикелевые (72-80%). Такое подразделение обусловлено смещением магнитных электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Обе группы пермаллоев для улучшения элктромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатанными с последующим отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоя не допустимы механические напряжения (удары, рихтование, сдавливание обмоткой и другие) из-за ухудшения магнитных характеристик.

Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений

Механические, магнитные и электрические свойства магнитомягких ферритов

Механические свойства, как и у керамики - твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. При спекании - усадка от 10 до 20%. Хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом. Наиболее широко в качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые и марганец - цинковые ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe₂O₄ и МnFe₂O₄ являющиеся ферромагнетиками, с немагнитным ZnFe₂O₄. В переменных полях для оценки допустимого частотного диапазона ферриты кроме µ характеризуются tgб- тангенсом угла магнитных потерь. Для ферритов потерями на вихревые токи и гистерезис в области слабых полей можно пренебречь.

При повышении частоты, начиная с некоторой, характерной для данной марки феррита, значения tgб возрастает более резко, при этом уменьшается µ_нач. Эту частоту называют критической f_к_p. Частоту, при которой µ_нач уменьшается до 0.7 от ее значения f = 0 называют граничной – f_гр. Причина уменьшения и роста tgб связывается со сложными резонансными и релаксационными процессами. Зависимости µ и tgб от частоты в логарифмическом масштабе для разных марок никель-цинкового феррита показана на рисунке 5.15. Цифра в обозначении марки феррита означает величину начальной магнитной проницаемости µ_нач.

Магнитные и электрические свойства трех марок никель-цинковых ферритов приведены в таблице r ферритов в зависимости от химического состава и термической обработки изменяется от 10 до 10⁸ Ом м. Основной недостаток ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами - малое значение их магнитной проницаемости. Некоторые типы изделий из магнитомягких ферритов показаны на рисунке.

Марка

феррита

µ_макс

Н, А/м

(при µ_макс )

f_кр, МГц

ρ, Ом м

T_к, °C

2000НН

200 НН

10 ВЧ

7000

300

160

3700

0.2

3.0

250

103

108

120

500

Рис.5.16 Типы изделий из магнитомягких материалов

Специальные магнитные материалы

Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД). применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройства (типа) на ЦМД может составлять 10⁵ бит. Чем меньше Нc, тем выше быстродействие ЦМД - устройства. Обычно Нс должна быть не больше 10 А/м. Основные материалы с ЦМД устройства приведены в таблице 5.3.

Аморфные магнитомягкие материалы (АММ)

Аморфные магнигомягкие материалы (АММ) являются магнетиками с неупорядоченным расположением атомов, получаемом наиболее часто в результате быстрой закалки расплава со скоростью охлаждения 10⁴10⁶ град/с. Аморфные тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) можно получать катодным распылением или вакуумным напылением редкоземельных и переходных металлов. Металлические аморфные сплавы содержат 75-85% одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni) и 15-25% стеклообразователя, в качестве которого используют бор. углерод, кремний, фосфор. По магнитным свойствам АММ близка к электротехническим сталям и пермаллоям. Наиболее перспективные сплавы - железоникелевые. высококобальтовые и высокожелезистые. Для получения оптимальных свойств применяют термомагнитную обработку, что позволяет повысить Bs и прямоугольность петли гистерезиса.

Таблица 5.3 Свойства материалов устройства с ЦМД

Материал	Свойства, особенности технологии,применени
Ортоферриты RFeO3 R - редкоземельный элемент (Y, Sm , Eu , Ег . Yb)	Высокая подвижность доменных границ, прозрачность в красном свете (l = 0.6 мкм ). Плотность информации не велика. 103 – 104 бит/см2
Ферриты гранаты R₃Fe₅O₁₂	Плотность информации выше 10⁵ – 10⁶ бит/см², но подвижность доменных границ ниже, чем у ортоферритов. Применяются в виде монокристаллических пленок.
Аморфные магнит. пленки сплав. Cd-Co, CdFe	Плотность информации до 10⁹ бит/см² . Относительно низкая стоимость. Низкая термостабильность и низкое эл. сопротивление - недостатки.
Гексагональные ферриты ВаFе12О19) и др.	Высокая намагниченность насыщения. Субмикронное ЦМД , однако низкая подвижность ограничивает применение. •

Магнитные свойства двух промышленных сплавов после термообработки показаны в таблице 5.4.

Таблица 5.4 Характеристики и магнитные свойства сплавов

Марка

Bs, Тл

µмакс

Нc, А/м

Br/Bs при H, А/м

ρ, мкОм*м

45НПР-А

44НМР-А

0.78

0.88

310000

750000

1.6

0.56

0.93

0.72

1.4

1.6

АММ имеют повышенную твердость и коррозионную стойкость. Удельное сопротивление АММ в 3 - 5 раз больше, чем у кристаллических,

Применение: магнитные экраны, сердечники малогабаритных трансформаторов, магнитных усилителей, головки магнитозаписывающих устройств.

Магнитодиэлектрики

Как и ферриты являются высокочастотными магнитными материалами. По сравнению с ферритами имеют более стабильные свойства, но по ряду электромагнитных параметров уступают ферритам. Получаются по технологии аналогичной технологии пластмасс. МД состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика, частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом. В качестве ферромагнетика наиболее часто используют альсифер, карбонильное железо, пермаллой, в качестве связки как органические материалы такие как бакелит, полистирол, шеллак, так и неорганические - жидкое стекло, стеклоэмали и другие. Прессование изделий из МД - колец, сердечников и т.д. производится при давлениях (14 - 20) 10² МПа (14 - 20 Т/см²), чем выше давление, тем выше магнитная проницаемость.

Примеры магнитных характеристик промышленных магнитодиэлектриков показаны в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Магнитные характеристики магнитодиэлектриков

Основа магнитодиэлектрика

Марка

µ_нач

Пределы линейности тангенса угла потерь

На частоте f, МГц

на величине

Н, А/м

Альсифер

ТЧ-90

ТЧ-22

79-91

19-24

до 0.5

>>20

до 240

>>1200

Карбонильное

P-10

P-100

µ_эфф

100

2400

2.9

1.55

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы применяются в основном для изготовления постоянных магнитов многих устройств в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике. По сравнению с электромагнитами постоянного тока имеют ряд преимуществ, главные из которых: повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания - это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений, посторонних включений при высокой магнитострикций и других. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Сплавы на основе железа - никеля - алюминия

Сплавы на основе железа никеля - алюминия применяют в основном легированные медью и кобальтом. Высококобальтовые сплавы с содержанием Со более 15% используют обычно с магнитной и кристаллической текстурой. Намагничивание этих сплавов происходит главным образом за счет процессов вращения векторов намагничивания. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому магниты из них изготавливают методом литья. Обрабатывается шлифовкой, в том числе с применением алмазного инструмента, ультразвука и др. Самые дешевые бескобальтовые сплавы ЮНД и другие, но магнитные свойства у них относительно низки. ЮНДК-15 и ЮНДК-18 магнитоизотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами. Сплавы ЮНД с 24% Со имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке. ЮНДК-35Т5БА обладают наибольшей энергией W_max (W_max=35-40 кДж/м3). ЮНДК-40Т8 -титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых системах. Имеет наиболее высокую коэрцитивную силу.

Металлокерамические магниты

Получают методами порошковой металлургии из сплавов Fe-Ni-AI-Co и из деформируемых сплавов Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Fe-Co-Mo, Pt-Co и Ag-Mn-Al.

Механическая прочность их в 3-6 раз выше, чем у литых магнитов, но пористость в 3-5% снижает W_mav на 10-20%.

Магнитотвердые ферриты

Применяются главным образом феррит бария ВаО*6Fе2Оз, феррит кобальта CoO*Fe2O3 и феррит стронция SrО*6Fе2Оз. Высокая Н_с этих материалов связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например ρ=104 -107 Ом*м, Промышленность выпускает бариевые изотропные (БИ) и бариевые анизотропные (БА) магниты, получаемые прессованием в магнитном поле. Анизотропные магниты обладают более высокими магнитными свойствами (Wmax,Hс). По сравнению с литыми бариевые магниты имеют много большую Нс и малую B_s, отличаются высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, различных механических воздействий, структурного старения. Стоимость магнитов из ферритов почти в 10 раз меньше, чем у магнитов из сплава ЮНДК-24. Недостатки - большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры.

Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Сплавы на основе РЗМ обладают очень высокими значениями Н_с и W_max. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R- редкоземельный металл. Для бинарных соединений этой группы W_max = 190 кДж/м³, для тройных сплавов типа R₂(Co_1-_xFe_x), где х < 0.6 на основе самария и празеодима W_max= 240 кДж/м³(теоретическое значение).

Магниты из этих сплавов получаются наиболее часто жидкофазным спеканием из порошков. Например, магниты на основе SmCo5 спекаются после прессования при температуре 1100 °С в течение 30 минут в атмосфере чистого аргона.

Проводники

2012-10-29T13:20:13Z

ПРОВОДНИКИ

Классификация проводников

На современном этапе нет общепринятой классификации проводниковых материалов. Существует, правда, деление проводников по механизму прохождения тока. Если ток обусловлен дрейфом свободных электронов под воздействием электрического поля, то такие проводники называются проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода являются электролиты, прохождение тока через которые обусловлено ионной электропроводностью, а она, как известно, связана с переносом вещества в соответствии с законами Фарадея. Поэтому состав электролита постепенно меняется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Проводники с электронной электропроводностью, как известно, это металлы и сплавы металлов. Металлические проводники в физике, химии, технике классифицируют по разным признакам:

1) по составу ( чистые металлы и сплавы );

2) по значению проводимости (проводники высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при 20 ос не более 0,05 мкОм м, и проводники высокого сопротивления, у которых значение удельного сопротивления при 20 ос не менее 0,3 мкОм м);

3) по положению в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (щелочные металлы, благородные, щелочноземельные, многовалентные простые, актиниды, переходные и редкоземельные);

4) по особенностям строения электронных оболочек: нормальные и переходные металлы. К первой группе относятся металлы, используемые для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Ко второй группе принадлежат элементы 5 группы периодической системы элементов (висмут, сурьма, мышьяк), которые плохо проводят ток (их даже иногда называют полуметаллами). К этой же группе относятся металлы и сплавы высокого сопротивления, широко применяемые для изготовления резисторов, электронагревательных приборов. нитей ламп накаливания и т.д.

Третья группа включает щелочные металлы (натрий, калий и другие подгруппы 1а) и благородные, к которым в физике относятся только одновалентные металлы подгруппы 1б и т.д.

Четвертая группа. По мере увеличения порядкового номера химических элементов в периодической системе происходит заполнение электронных оболочек в последовательности, определяемой квантовомеханической теорией. Однако, при некоторых порядковых номерах энергии двух соседних оболочек оказываются очень близки, благодаря чему сначала заполняется не очередная, а последующая оболочка. Элементы с таким «сбоем» называются переходными. Они образуют в таблице Менделеева несколько рядов: от скандия до никеля иттрий - палладий, лантан - платина, а также редкоземельные или лантаноиды (от церия до лютеция). Остальные металлы называются нормальными.

Все газы и пары, в том числе пары металлов, при малых напряженно тях поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, при котором начинается фотонная и ударная ионизация, то газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема оказывается особой проводящей средой, так называемой плазмой.

Электропроводность металлов

При воздействии на металл электрического (или магнитного) поля (или разности температур ) в нем возникают потоки заряженных частиц и энергии. Явления возникновения этих потоков или токов принято называть кинетическими эффектами или явлениями переноса, иначе - транспортными эффектами, имея в виду воздействие стационарных полей на неподвижные проводники. В таком случае ток или поток пропорционален разности потенциалов (или разности температур), а коэффициент пропорциональности определяется только геометрическими размерами проводника и физическими свойствами самого металла. При единичных геометрических размерах этот коэффициент зависит только от свойств данного металла и является его фундаментальной физической характеристикой, которая носит название кинетического коэффициента. При нахождении проводника в переменном поле возникающие в нем токи зависят не только от геометрических размеров и кинетического коэффициента, но и от частоты переменного поля, формы проводника, взаимного расположения элементов электрической цепи. Сопротивление проводника при переменном токе существенно зависит от его частоты, обусловленной спинэффектом - вытеснением тока из центра проводника на периферию. Из многих возможных кинетических явлений наиболее известны в технике два: электропроводность - способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля, и теплопроводность - аналогично по отношению к разности температур и тепловому потоку. Оба эти явления выражаются ( количественно ) законами Ома и Фурье соответственно:

j = gE; w = kT.

где j- плотность тока, А/м; g- кинетический коэффициент электрической проводимости (см. в разделе «Диэлектрики», где его название - удельная электрическая проводимость); Е - напряженность электрического поля В/м; w - плотность теплового полтока; Т – разность температур; k – коэффициент теплопроводности.

На практике обычно используют удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление, Ом м

r = 1 / g.

Однако, для проводников разрешается пользоваться внесистемной единицей измерения Ом мм²/м, или рекомендуется применять равную по размерности единицу СИ мкОм/м. Переход от одной единицы к другой в этом случае: 1 Ом м = 10⁶ мкОм м = 10⁶ Ом мм²/м. Сопротивление проводника произвольных размеров с постоянным поперечным сечением определятся:

R = rl / S,

где l – длина проводника, м; S – площадь проводника, м².

Металлы обычно характеризуются как вещества пластичные с характерным «металлическим» блеском, хорошо проводящие электрический ток и теплоту. Для электропроводности металлов типичны: низкое значение удельного сопротивления при нормальной температуре, значительный рост сопротивления при повышении температуры, достаточно близкий к прямой пропорциональности; при понижении температуры до температуры, близких к абсолютному нулю, сопротивление металлов уменьшается до очень малых значений, составляющих для наиболее чистых металлов до 10^-3 или даже меньшую долю сопротивления при нормальных, + 20 ⁰С, температурах. Для них также характерно наличие связи между удельной электропроводностью и удельной теплопроводностью, которая описывается эмпирическим законом Видемана – Франца, как отношение k / g приближенно одинаково для разных материалов при одинаковой температуре. Частное от деления k / g на абсолютную температуру T (L0 = k / (gT)). называется числом Лоренца, является (для всех металлов) величиной мало отличающихся при всех температурах.

Теория кинетических явлений в металлах может объяснить форму зависимостей кинетических коэффициентов от температуры, давления и других факторов, с ее помощью также можно вычислить и их значения. Для этого рассмотрим внутреннее строение металлов.

Фундаментальная идея этого раздела физики возникла на рубеже 19 – 20 го столетия: атомы металла ионизированы, а отделившиеся от них валентные электроны свободны, т. е. принадлежат всему кристаллу. Ионы строго упорядочены, образуют правильную кристаллическую решетку; их взаимодействие с отрицательно заряженным облаком свободных электронов такое, что делает кристалл стабильным, устойчивым образованием. Наличие свободных электронов хорошо объясняет высокую электропроводность металлов, а их делокализация обеспечивает высокую пластичность. Значит, наиболее характерной особенностью внутреннего строения металлических проводников является наличие коллективизированных электронов, что подтверждает их электронное строение. В ее простейшей модели совокупность коллективизированных электронов объясняют как электронный газ, в котором частицы находятся в хаотическом тепловом движении. Равновесие устанавливается (если пренебречь столкновениями между электронами) за счет столкновения электронов с ионами. Поскольку тепловое движение полностью не упорядочено, то, несмотря на заряженность электронов, тока в цепи (макроскопического) не наблюдается. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то свободные электроны, получив ускорение, выстраиваются в упорядоченную составляющую, которая ориентирована вдоль поля. Поскольку ионы в узлах решетки неподвижны, упорядоченность в движении электронов проявится макроскопическим электрическим током. Удельная проводимость в этом случае может быть выражена с учетом средней длины свободного пробега l электрона в ускоряющем поле напряженностью Е:

l= е Е t / (2 m) как g= е² nl/ (2 mv_t),

где е - заряд электрона; n- число свободных электронов в единице объема металла; l - средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями; m- масса электрона; v_t- средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

С учетом положений квантовой механики

g= К п^2/3/ l ,

где К - числовой коэффициент.

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников при нормальной температуре занимает всего три порядка. Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов при определенной температуре примерно одинаковы. Концентрации свободных электронов различаются незначительно, поэтому значение удельного сопротивления в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, а она определяется структурой материала проводника. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют минимальные значения удельного сопротивления. Примеси, искажая решетку, приводят к увеличению удельного сопротивления

Температурный коэффициент удельного сопротивления или средний температурный коэффициент удельного сопротивления выразится

a = 1 / r (dr / dt); a` = 1 / r (r₂ - r₁) / (T₂ – T₁),

где r₁ и r₂ – удельные сопротивления проводника при температурах Т₁ и Т₂ соответственно при Т₂ > T₁.

В технических справочниках обычно приводится величина a`, с помощью которой можно приближенно определить r при произвольной температуре Т:

r = r₁ (1 + a_r` (Т - Т₁)).

Это выражение дает точное значение удельного сопротивления р только для линейной зависимости r(Т). В остальных случаях этот метод является приближенным; он тем точнее, чем уже интервал температур, который использован для определения a_r`. Удельное сопротивление большинства металлов, увеличивающих свой объем при плавлении, уменьшает плотность. У металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, удельное сопротивление уменьшается; к таким металлам относят галлий, сурьму и висмут.

Удельное сопротивление сплавов всегда больше, чем у чистых металлов. Особенно это заметно, если при сплавлении они образуют твердый раствор, т.е. совместно кристаллизуются при затвердевании и атомы одного металла входят в решетку другого. Если сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию и застывший раствор - смесь кристаллов каждой из составляющих, то удельная проводимость g такого сплава изменяется с изменением состава почти линейно. В твердых же растворах эта зависимость (от содержания каждого из металлов) не линейна и имеет максимум, соответствующий определенному соотношению компонентов сплава. Иногда при определенном соотношении между компонентами они образуют химические соединения (интерметаллиды), при этом они обладают не металлическим характером электропроводности, а являются электронными полупроводниками.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников определяется так же, как и для диэлектриков по формуле

ТК_l= a(l) = l/ l (dl/ dТ), (3.1)

где ТК_l= a(l) - температурный коэффициент линейного расширении К^-1.

Этот коэффициент необходимо знать, чтобы иметь возможность оценить работу сопряженных материалов в различных конструкциях, а также исключить растрескивание или нарушение вакуумного соединения металла со стеклом или керамикой при изменении температуры. Кроме того, он входит в расчет температурного коэффициента электрического сопротивления проводов

ТК_R= a(R) = a(r) - a(l).

Для чистых металлов обычно a(r) » a(1), поэтому можно приближен. но считать, что a(R)~a(r), но для некоторых сплавов, имеющих малые значения a(r), следует пользоваться формулой (3.1).

ТермоЭДС проводников

ТермоЭДС возникает при соприкосновении двух различных проводников (или полупроводников), если температура их спаев неодинакова. Если два различных проводника соприкасаются, то между ними возникает контактная разность потенциалов. Для металлов А и В

U_cb - U_c+ К Т / е ln(n_0с / n_о_b),

где U_с и U_b- потенциалы соприкасающихся металлов; концентрация электронов в соответствующих металлах; К - постоянная Болъцмана; Т - температура; е - абсолютная величина заряда электрона.

Если температура спаев металлов одинакова, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Если же температура слоев различна (Т₂ и Т₁, например ), то в этом случае

U= К / е (Т₁ -Т₂) ln(n_c/ п_b). (3.2)

На практике выражение (3.2) не всегда соблюдается, и зависимость термоЭДС от температуры может быть нелинейной. Провод, составленный из двух изолированных проволок разных металлов или сплавов, называется термопарой и используется для измерения температур. В таких случаях стараются использоватъ материалы, имеющие большой и стабильный коэффициент термоЭдС. для измерения высоких температур иногда приходится (особенно при измерении температур в агрессивных средах) применять термопары с меньшими коэффициентами термоЭдС, но выдерживающими высокие температуры и не окисляющиеся в агрессивных средах. Во многих случаях термопары приходится защищать металлическими или керамическими кожухами. Катушки измерительных приборов, добавочные резисторы и шунты в них приходится подбирать с минимальными коэффициентами термоЭдС относительно меди, чтобы избежать появления паразитных термоЭдС. которые могут вызвать дополнительные погрешности измерения.

Сплавы для термопар имеют различные сочетания, в том числе один электрод может быть из чистого металла. Наиболее распространенными являются никелевые и медно-никелевые сплавы. Для температур в пределах 1000 – 1200 ⁰С используются термопары хромель – алюмель (ТХА), при более высоких температурах применяются электроды платина – платинородий; в этих сплавах родия составляет от 6,7 до 40,5 %. Марки таких термопар следующие: ПлРд-7, ПлРд-10, ПлРд-30, ПлРд-40.

Материалы высокой проводимости

Среди металлов высокой проводимости наиболее широко применяются медь и алюминий. Медь из-за малого удельного сопротивления (наименьшего среди металлов, исключая серебро) используют в качестве проводникового материала; кроме того, она обладает достаточно высокой механической прочностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей обрабатываемостью (прокат, волочение, ковка, а также пайка и сварка). Производство меди основано на переработке медных руд - оксидных и сульфидных соединений меди, хотя медь может встречаться в природе и в самородном состоянии.

По механической прочности различают медь твердую не отожженную - МТ и мягкую отожженную медь - ММ. По содержанию химических примесей медь подразделяется на марки по ГОСТ 859 - 78.Электрические характеристики меди следующие: удельная проводимость наиболее чистой электролитической меди при 20 ⁰С - 59,5 МСм/м; удельная проводимость отожженной стандартной меди при 20 - 58 МСм/м; удельное сопротивление стандартной меди при 20 ⁰С - 0,017241 мкОм м; температурный коэффициент удельного сопротивления при 0..150 °С a(r). 10 - 4,3 1/К; отношение удельного сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой меди при tплавления - 2,07; термоЭдС относительно платины при температуре холодного спая О ⁰С - 0,14 мВ; работа выхода электронов - 4,07...4,61 кВ из металла; число Лоренца L₀. = 2,45.10-8 В²/К². При низких температурах удельное сопротивление меди становится весьма малым, однако сверхпроводимостью она не обладает. Число Лоренца не постоянно и при уменьшении температуры понижается, однако при Т < 100 ⁰К снова возрастает. В электротехнике медь применяется для изготовления проводников, шин распределительных устройств, токоведущих частей приборов и электрических аппаратов, анодов в гальванопластике. В электронной технике из меди изготавливают: аноды генераторных ламп (с принудительным охлаждением); стойки антикатодов трубок рентгеновского излучения; траверсы сеток приемно-усилительных ламп, все внешние токоподводящие вводы; проводящую часть печатных плат и т.д. Медь используется в спаях со стеклами, хотя у нее коэффициент линейного расширения больше, чем у стекол, н зато она обладает низким пределом текучести, мягкостью и высоким коэффициентом теплопроводности. Для впаивания в стекло медному электроду придается специальная форма в виде тонкого рантика (так называемые рантовые спаи). Для повышения механической прочности медь применяется в виде сплавов бронз и латуней.

При изготовлении конструкционных и проводящих частей приборов и аппаратов, (в том числе для щеткодержателей и коллекторных пластин) используют следующие бронзы: оловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017 - 74); бронзы литейные (ГОСТ 613 - 79); бронзы безоловянные литейные (ГОСТ 493 - 79). Проводниковые бронзы применяются для изготовления контактов, троллейных проводов, зажимов и электродов. Латуни представляют собой медно-цинковые сплавы и так же, как и бронзы, обладают более высокой механической прочностью и повышенными значениями удельного электрического сопротивления. Латуни делятся на обрабатываемые давлением и литейные. Обычно они паяются мягкими и твердыми припоями и допускают электрическую и газовую сварку. Марки латуней, обрабатываемых давлением, определены ГОСТ 15527 -70, а литейных - ГОСТ 17711-80. Вторым по значению удельной электрической проводимости после меди при нормальной температуре является алюминий. При низких температурах он становится даже более проводящим, чем медь; это происходит при температуре около 70 ⁰К. Классы и марки первичного алюминия устанавливаются в зависимости от способа получения и его химического состава. Особо чистым является алюминий марки А999, в котором примеси составляют всего 0,001%, а чистого алюминия содержится не менее 99,999 %. существует четыре марки химически чистого алюминия, в которых количество каждой примеси нормируется, например, марка А995; чистого алюминия не менее 99,995 %, примеси (не более); железо 0,0015%, кремний - 0,0015 %, медь - 0,001 %, цинк 0,001 %, титан - 0,001 %. При этом общее количество примесей не должно превышать 0,00 5%. Технически чистого алюминия существует восемь марок. Наиболее распространен алюминий марки АЕ, который должен обеспечивать для изготовленной из него и отожженной при температуре 350 - 20 °С проволоки удельное электрическое сопротивление при температуре 20 ⁰С не более 0,028 мкОм м. Согласно ГОСТ 4784 - 74 ‚ Сплавы алюминиевые деформируемые имеются четыре марки сплавов, представляющих собой алюминий с нормируемым количеством примесей. Марки АДОС, АДО, Ад1 и Ад, в которых алюминия должно быть не менее 99,7%, 99,5%, 99,3% и 98,8% соответственно.

Электрические характеристики алюминия следующие: при 20 °С удель-ная проводимость чистого алюминия (отожженного при 320 °С в течение З ч ) составляет 38 МСм/м; удельное сопротивление р алюминия АБ 0,028 мкОм-м; температурный коэффициент удельного сопротивления при 0 …. 150 ⁰С a(r) 10^-3 = 4 1/К; отношение сопротивления расплавленного алюминия к сопротивлению твердого алюминия при температуре плавления - 1,64; работа выхода - 4,25 эВ; число Лоренца L0 = 2,1 10^-8 В²/К².

При нормальной температуре, одинаковых сечениях и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 1,63 раза. Значит, чтобы получить алюминиевый провод такого же сопротивления, что и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т.е. его диаметр должен быть больше в 1,3 раза. При ограниченных размерах изделий замена в них меди на алюминий невозможна, но зато масса двух одинаковых по длине и электрическому сопротивлению медного и алюминиевого проводов показывает, что алюминиевый, хотя и толще медного, но весит примерно в 2 раза меньше.

В электротехнике алюминий заменил дорогостоящую медь. Он используется для изготовления электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, в качестве обмоток асинхронных двигателей, для производства сплавов, для изготовления конденсаторов и конденсаторной фольги, для электровакуумной техники (электроды в разрядниках, катоды в ионных рентгеновских трубках) и т.д.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны этим операциям над медью; алюминий хорошо варится, но обычными методами не паяется. На воздухе он активно окисляется, покрываясь тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка, предохраняя алюминий от дальнейшей коррозии, создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых деталей и делает затруднительной их пайку. Для пайки алюминия обычно используют ультразвуковые паяльники, специальные припои. В местах контакта меди с алюминием, особенно под воздействием влаги, образуется местная гальваническая пара, причем полярность ее Такая что ток идет от алюминия к меди ( по внешней поверхности ), и алюминий разрушается коррозией. Для защиты от коррозии необходимо тщательно изолировать места соединения меди и алюминия (покрыватьлаком, например). Несмотря на то, что алюминий имеет низкую механическую прочность, его сплавы обладают повышенной механической прочностью.

Сплавы делятся на алюминиевые деформируемые (ГОСТ 4784-74) и алюминиевые литейные (ГОСТ 2685-75). Первые предназначены для изготовления гюлуфабрикатов (прутков, профилей, полос, листов, проволоки, панелей, труб, Штамповок и поковок ) методами холодной или горячей обработки. Вторые - для изготовления фасонных отливок.

К материалам высокой проводимости относится большая группа металлов, применяемых в электротехнике (с ними можно ознакомится в соответствующей литературе), но по массовости применения, они не идут ни в какое сравнение с алюминием и медью

Криопроводники и сверхпроводники

К криопроводникам и сверхпроводникам относятся металлы, работающие при очень низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Явление сверхпроводимости было открыто В. Камерлинг-Оннесом в 191I г. Им было обнаружено, что при охлаждении до температуры сжижения гелия сопротивление замороженной ртути резким скачком падает практически до нуля, во всяком случае, до значения столь малого, что оно не поддается измерению. В настоящее время известно 35 таких металлов и большое количество сплавов и химических соединений, у которых при очень низких температурах удельная проводимость становится практически бесконечной величиной. Наличие у вещества такой проводимости называется СВЕРХПРОВОДИI1МОСТЬЮ, а температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода (Т_с). Вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Этот переход является обратимым: при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость исчезает и вещество переходит снова в обычное состояние с конечным значением удельной электропроводности g. Современная теория сверхпроводников объясняет это явление взаимодействием электронов друг с другом через посредство кристаллической решетки и образование связанных пар электронов, т.е. куперовских пар. Из-за электростатического притяжения электрон слегка притягивает ближайший к себе ион, тот, в свою очередь подтягивает к себе другой электрон (находящийся по другую сторону нона). Эти два электрона имеют противоположные спины (и импульсы). Одновременно они отталкиваются, будучи одноименно заряженными. В некоторых металлах при весьма низких температурах притяжение через посредство решетки оказывается сильнее этого отталкивания, и электроны связываются попарно. Т.к. энергия связи электронов в паре невысока, то каждая такая пара существует ограниченное время. затем разрушается, однако в целом энергия электронной системы из-за этого процесса спаривания уменьшается и металл переходит в сверхпроводящее состояние. При этом электронные пары не испытывают рассеяния, что и приводит к почти полному исчезновению сопротивления. Ток, наведенный в замкнутом контуре из сверхпроводника, может существовать сколь угодно долго. При этом сверхпроводники представляют собой идеальные диамагнетики: магнитное поле, пронизывающее проводник при обычной температуре, выталкивается из него в сверхпроводящем состоянии при условии, что напряженность внешнего магнитного поля не превышает определенного критического значения Н_с. В противном случае сверхпроводящее состояние разрушится. В зависимости от характера перехода из сверхпроводящего состояния в обычное при увеличении магнитного поля различают сверхпроводники 1-го рода - свинец, ртуть, индий, олово, алюминий, у которых переход в нормальное состояние происходит скачком, и сверхпроводники 2-го рода, у которых этот переход происходит постепенно (ниобий, ванадий и технеций, а так же большое число сплавов и химических соединений). Явление сверхпроводимости обнаружено у некоторых веществ, не обладающих этим эффектом при нормальном давлении, при воздействии высокого гидростатического давления. Сверхпроводящие свойства отмечены у полупроводников, например у антимонида индия InSb, и даже у диэлектриков - серы и ксенона (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Параметры сверхпроводников

Сверхпроводники	Температура перехода Т_с, К	Критическое значение индукции, В_с, Т_л
Алюминий Al	1,2	0,01
Олово Sn	3,7	0,031
Индий In	3,4	0,03
Ртуть Hg	4,2	0,46
Свинец Pb	7,2	0,08

Помимо сверхпроводимости в современной электротехнике используется КРИОПРОВОДИМОСТЬ, т.е. работа металла при криогенных температурах, когда удельное сопротивление становится очень мало, но является конечной величиной. Металлы, обладающие таким свойством, но без перехода в сверхпроводящее состояние, называются КРИОПРОПРОВОДНИКАМИ. для получения качественных криопроводников требуется высокая чистота металла. Как правило, используются металлы, имеющие при криогенных температурах (которые выше температур сверхпроводимости) наименьшее удельное сопротивление. К ним относятся: при температуре жидкого водорода - алюминий, а при температуре жидкого азота бериллий (20.3 и 77,4 К соответственно).

Материалы высокого сопротивления

К материалам высокого сопротивления относятся металлы и сплавы, используемые для электроизмерительных приборов, резисторов. У них помимо высокого удельного сопротивления должны быть высокая стабильность сопротивления во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, малая термоЭДС в паре с медью. Иногда они должны работать при высоких температурах, быть технологичными и по возможности не содержать дорогостоящих компонентов. Резистивные материалы должны иметь высокое удельное сопротивление. обладать высокой коррозиционной стойкостью, высокой стабильностью и малой термоЭДС в паре с медью. Очень важно, чтобы эти требования выполнялись, если материал предназначен для изготовления образцовых и добавочных резисторов и шунтов электроизмерительных приборов. для переменных низкоомных резисторов надо иметь весьма малое и стабильное (во времени) контактное сопротивление. В зависимости от назначения, условий эксплуатации, с учетом номинального сопротивления в качестве материалов для резисторов применяют металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, а также оксиды металлов, углерод, композиционные материалы (иногда на основе благородных металлов - платины, палладия, золота и серебра). Конструктивно резисторы выполняются в виде объемных элементов, проволоки различных диаметров и пленки, осаждаемой на диэлектрическое основание (подложку). для пленок введен параметр - сопротивление квадрата, или сопротивление на квадрат (или удельное поверхностное сопротивление), численно равное сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине, при протекании тока параллельно поверхности подложки. Сопротивление квадрата определяется по формуле

R_k = r / d, (3.3)

где r- удельное объемное сопротивление пленки толщиной d.

Для резисторов и термопар наиболее распространенными являются сплавы типа манганина. Это сплавы на никелевой и медно-никелевой основе. Собственно манганин - наиболее распространенный сплав при изготовлении точных резисторов. Манганин марки МНМцЗ-12 содержит: марганца 11,5 - 13,5 %, никеля и кобальта 2,5 - 3,5 %, остальные % - медь. Обычно при повыщении стабильности характеристик его отжигают при температуре 400 °С в течение 2 ч в вакууме или в нейтральных газах ( аргон, азот ) с медленным охлаждением. Холоднотянутая проволока подвергается 10-часовому старению при температуре 140 ⁰С. Кроме того, требуется длительная выдержка манганина при комнатной температуре, примерно около 1 года. Основные свойства манганина этой марки таковы: при 20 ⁰С удельное сопротивление

r= 0,48 мкОм м: температурный коэффициент удельного сопротивления при той же температуре a_r = (5 - 30) 10^-6 1/К, термоЭДС относительно меди равна 1 мкВ 1/К +1: Т_плавл = 960 ⁰С, наибольшая допустимая рабочая температура (длительно ) ТР 300 ⁰С.

Константан также относится к этой группе сплавов, но в его составе марганца всего 1 – 2 % , никеля - 39 – 41 %, остальные %- медь. Марка константана - МНМц4О-1,5. Его основные свойства: r= 0,48 – 0,52мкОм м; a_r = (5- 25 ) 10^-6 1/К; Т_раб = 450 ⁰С; термоЭДС в паре с медью достаточно высока и составляет 45 - 55 мкВ 1/К. что является недостатком при использовании его в измерительных схемах, но достоинством в термопарах.

Резисторы на основе кремния, как правило, тонкоплёночные. Для них использованы следующие марки сплавов: РС-4800, РС-370, РС3001, РС-1714, РС-1004, а также сплавы многокомпозиционные, состоящие из кремния, железа, хрома, никеля, алюминия и вольфрама (типа МЛТ). В обозначении марок буквы означают: РС резистивный сплав, две первые цифры - номинальное содержание основного легирующего компонента, две остальные - то же для второго компонента. Сплавы в виде порошков предназначены для изготовления методом испарения и конденсации в высоком вакууме тонкопленочных резисторов и других вспомогательных слоев в электронике. Резисторы из сплавов МЛТ получают термическим вакуумным испарением из вольфрамовых испарителей и путем конденсации пленок на диэлектрические подложки. Для увеличения удельного сопротивления сплавов в них часто вводят оксиды металлов. Для получения нужных свойств пленки после осаждения термообрабатывают. При толщине пленок от 0,1 до 1 мкм можно получить сопротивление квадрата от десятков Ом м до 35 кОм при a_r= (2,5 -± 4)-10^-4 1/К. В микросхемах распространен сплав МЛТ-ЗМ, у него сопротивление квадрата R= 200 -500 Ом.

Сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия в основном применяются для электронагревательных элементов. Они относятся к жаростойким с высоким удельным сопротивлением и подразделяются на: никель-хромовые (нихромы); никель-хромовые, легированные алюминием, железохромоникелевые и железохромоалюминиевые (хромали). У всех этих сплавов характеристики зависят от их химического состава. Так, для нихрома марки Х20Н80 (хром - 15 – 18 %, никель - 55 – 61 %, марганец - 1,5 %, остальные % - железо) удельное сопротивление r = ( 1,1-1,2) мкОм м; r = (100 - 200) 10^-6 1/К; предельная Т_раб = 1000 ⁰С. Для хромали марки Х23Ю5 (хром- 22 -25 %, никель - 0,6 %, марганец - 0,7 %, алюминий - 4,5 - 5,5 % ) удельное сопротивление r= ( 1,3 - 1,5 ) мкОм м; a_r= 65 10^-6 1/К, а предельная Т_раб = 1200 ⁰С. Нихромы стойки к окислению на воздухе при высоких температурах, т.к. на их поверхности образуется защитная пленка оксидов СrО + NiО с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к a_r= 1 сплава. Однако для этого слоя оксидов опасны термоудары, при этом пленка трескается, туда проникает кислород - происходит дополнительное окисление и срок службы сплава уменьшается. Железохромоалюминиевые сплавы всех марок становятся хрупкими в интервале температур от 450 до 500 ⁰C, что связано с выделением в структуре образований с повышенным содержанием хрома (порядка 80 %). Эта хрупкость может быть устранена нагревом сgлава до 750 - 800 °C с последующим охлаждением в воде.

Для всех сплавов агрессивными являются фосфорсодержащие среды, галоиды и сера, кроме железохромоалюминиевые сплавов, для которых газы, содержащие серу, допустимы.

Для жаростойких материалов и нагревательных элементов используют обычно карбиды и силициды тугоплавких металлов - ниобия, циркония, тантала и гафния. Из карбида ниобия методом порошковой металлургии изготавливают трубчатые, стержневые и Y-образные нагреватели длиной до 600 мм, наружным диаметром до 18 мм и толщиной стенки 2 - 3 мм. Печи с такими нагревателями работают в вакууме до 2500 ⁰С, а в аргоне - до 3000 °С. Карбид циркония работает примерно при таких же температурах. Точка плавления карбида ниобия минус 3760 °С, циркония - 3530 ⁰С, тантала - 3880 ⁰С, а гафния - 3890 ^ОС. При комнатных температурах карбиды инертны к щелочам и кислотам. Из неметаллических нагревателей, чаще всего используются селит и глобар из карбида кремния, которые являются полупроводниковыми соединениями. Их Т_раб = 1400 - 1500 ⁰С; при этой температуре срок службы таких нагревателей составляет около 1500 - 2000 ч. Силициды представляют собой соединения кремния в основном с металлами. Эти соединения широко используются в электротехнике, металлургии, космической, электронной в атомной технике. В электротермии наиболее популярен дисилицид молибдена (Мо - Si),который в изделиях может работать при 1700 ⁰С в окислительной среде. Элементы выполняются также методом порошковой металлургии. Свойства дисилицида молибдена: удельное сопротивление r= 0,2 мкОм м при 20 ⁰С; при 1600 ⁰С r= 0,8 мкОм м; температурный коэффициент линейного расширения a₁ = 8,25 10^-6 1/К. При работе в вакууме силициды молибдена диссоциируют, поэтому их использование ограничено и зависит от парциального давления кислорода.

Тензометры

Сплавы. применяемые в преобразователях деформации различных изделий под действием механических сил, называются тензометрическими. В основу работы тензопреобразователей принцип изменения сопротивления при деформации конструкции, на которую наклеен тензодатчик, Коэффициент тензочувствительности оценится

d = DR / R / DL / L. или d = 1 + Dr / (r E S) / F + 2 m, (3.4)

где DR- изменение сопротивления R при изменении DL длины элемента L; Dr- изменение удельного сопротивления r материала тензодатчика под влиянием нагрузки F; S- площадь поперечного сечения проволоки преобразователя: Е - модуль IОнга; m- коэффициент Пуассона материала проволоки.

Наиболее часто длятензометров применяется проволока, наклеиваемая зигзагообразно на лаковую или бумажную основу (диаметр проволоки примерно 0,02 0,05 мм ). К концам проволоки пайкой или сваркой гюдсоединяются выводные проводники, как правило, медные. Сверху датчик лакируется. И приклеивается к изделию. Материалами для проволоки могут быть различные металлы и сплавы. например манганин, константан, нихром, никель, висмут, платиносеребряные или титаноалюминиевые сплавы, хотя они чаще применяется для изготовления пленочных тензометров (сплав АЛI9. Д20 и др.). Пленочные тензометры получают путем вакуумной возгонки материала и последующей его конденсацией на подложку. Часто применяются фольговые тензометры из весьма тонкой фольги толщиной 4 -12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся часть образует так называемую “решетку’ - зигзагообразный тензометр.

Контактные материалы

В качестве контактных материалов используются чистые тугоплавкие металлы и различные сплавы, а также металлокерамические композиции. Наиболее ответственные контакты служат для периодического замыкания и размыкания электрических цепей, особенно сильно точных. По условиям работы контакты делят на неподвижные, разрывные или скользящие, к ним предъявляются разные требования, и, следовательно, используются разные материалы. По значению коммутируемого тока контакты делят на слаботочные - до единиц ампера и сильноточные - для токов от единиц до тысяч ампер. Контакт должен быть надежным соединением двух проводников, способных проводить электрический ток с малым и стабильным во времени электрическим сопротивлением.

Структура площади контакта состоит из: “площадок” с металлическим

контактом, сопротивление которых определяется суммарным сопротивлением металлов пары, образующих контакт, через который протекает ток без переходного сопротивления; контактных площадок, покрытых тонкими адгезионными пленками, пропускающими ток благодаря туннельному эффекту; площадок, покрытых пленками оксидов и сульфидов, являющимися изолирующими и не пропускающими электрический ток. Общая площадь контакта, опредёляемая как сумма этих площадок, оказывается значительно меныпе контактной поверхности, представляющей условную площадь контакта. При этом состояние поверхностей контактов непосредственно влияет на переходное сопротивление и нагрев контактов при прохождении через них тока. Переходное сопротивление многоточечного контакта, имеющего п контактирующих поверхностей первого вида, если они все нагружены до предела текучести материала контактов, определяется по формуле

Rn = r / 2 (ps / (nF)1/2, (3.5)

где r- удельное сопротивление материала контактов; s- предел текучести материала контактов при сжатии; n- число коyтактирующих поверхностей; F- сила контактного cжатия.

Если контакты плоские, то их переходное сопротивление обратно пропорционально силе нажатия F.

Основные причины износа контактов при их эксплуатации зависят от условий эксплуатации. но сводятся к следующим эрозия контактов - нарушение формы рабочих поверхностей. перенос материала с одного контакта на другой, образование кратеров. наростов и даже заклинивание контактов; электрический износ контактов, обусловленный электрической дугой, искрением Контактов при размыкании и вибрацией контактов; механический износ, связанный не только с силой удара контактов, но и с контактным нажатием и частотой замыканий контакта; химический износ, на который влияют состав окружающей среды, ее влажность и температура на поверхности контактов; сваривание в отрыв в зависимости от силы контактного нажатия, вибрации и термического действия тока на контакты, усилие при размыкании сварившихся контактов и плохое прикрепление контактов к контактодержателю. В качестве материалов для слаботочных контактов обычно используются благородные и тугоплавкие металлы - серебро, платина, палладий, золото, вольфрам и их сплавы.

Большинство благородных металлов обычно применяют для контактов в виде гальванического покрытия (кроме серебра, которое может применяться в чистом виде). Твердость покрытий в этом случае существенно выше, чем у более толстых слоев металла. Например, для серебра твердость по Бринеллю составляет в толстом слое порядка 25, а в виде Гальванического покрытия может достигать 100. Гальванические покрытия более износостойки в электрическом поле. Толщина гальванопокрытия обычно колеблется в пределах от 1 мкм до нескольких десятков микрометров. Для сильноточных контактов обычно используются медь, серебро, их сплавы, а также композиционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, состоящие из компонентов, не обладающих взаимной диффузией и представляющих смесь обычно двух - трех фаз, одна из которых значительно более тугоплавкая, чем другая. Наиболее распространенные композиции - это серебро - оксид кадмия; серебро – никель; серебро - графит; серебро - никель - графит; серебро - вольфрам; серебро - оксид меди; медь - вольфрам; медь - графит. Серебро и медь обеспечивают высокую электра и теплопроводность, а тугоплавкая часть повышает износостойкость, термостойкость и сопротивление свариванию контактов В низковольтных аппаратах часто используется серебро - оксид кадмия; для высоковольтных (дугогасительных камер) - железо - медь - висмут и др.

Основные области применения контактных материалов:

серебро - реле, сигнальная аппаратура. телефонная и телеграфная аппаратура, магнитные пускатели, управление флуоресцентными лампами, контакты вспомогательных цепей контакторов и магнитных пускателей и пр.;

серебро медь - реле, телефонные реле, радиоапi1iаратура и т.д.;

серебро медь - никель - стенные выключатели, реле уличных сигналов, преобразователи тока, реле автоматики и настройки радио, авиационные легко- и средненагруженные реле, электромагнитные счетчики, автомобильные и железнодорожные сигнальные реле и пр.;

серебро - кадмий - реле, выключатели перегрузки и термостаты холодильников, стартеры, тепловые выключатели;

серебро - кадмий – никель; серебро - кадмий - индий - реле в диапазоне токов от десятых долей ампера до 30 А;

серебро - палладий - сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели, органы ТВ управления, выключатели и термостаты холодильников, контактные кольца и пр.;

серебро - платина - радиоаппаратура, электромагнитные счетчики;

серебро - оксид циркония - выключатели, репе на токи от мАдо 100 А;

платина - иридий - прецизионные реле, работающие без дуги, часы, реле радиоэлектроники, морские и автомобильные регуляторы скорости, электробритвы, термостаты и нагреватели, сигнальные реле, телеграфные реле и пожарные сигнализаторы;

платина - родий - генераторы переменного тока (маломощные);

платина - никель - телефонная и телеграфная аппаратура;

золото - серебро, золото - серебро - платина - прецизионные реле, работающие без дуги, измерительные приборы, телефонная и телеграфная аппаратура, скользящие контакты потенциометров в слаботочной технике;

вольфрам - кассовые аппараты, прерыватели зажигания в автомобилях и тракторах, масло и бензиноизмерители, контрольные реле в авиа приборах, реле-регуляторы напряжения. часы, телетайпы, телеграфные реле, электробритвы, вакуумные низко и высоковольтные выключатели. электроды ртутных выключателей;

серебро - оксид меди - сильнонагруженные контакторы переменного и постоянного тока, автоматические предохранители, тепловозостроение;

серебро - вольфрам - магнитные пускатели и контакторы с большой

частотой включений, выключатели бытовых приборов. кнопки управления, высоковольтные выключатели, контакты мощных регулирующих трансформаторов, тяжелонагруженные реле, выключатели авиационного оборудования, стартеры, выпрямители тока и т. д.;

медь - вольфрам - мощные масляные и воздушные высоковольтные выключатели, малогабаритные высоковольтные выключатели, дверные выключатели морских судов, контакты к аппаратам стыковой сварки, мощные масляные выключатели дуговых печей и преобразователи тока;

медь - молибден - маломаслянные высоковольтные выключатели.

Этот ряд можнопродолжить, т.к. для замены контактов из сплавов благородных и просто дорогих металлов часто используются сплавы, в которых драгметаллы присутствуют в малых количествах (серебро - магний - никель, серебро - магний - никель - цирконий и ряд др.). Кроме того, в этом списке не указан ряд сплавов из благородных металлов. С ними можно познакомиться в соответствующей литературе.

Припои, флюсы и контактолы

Припои, флюсы, контактолы применяются для создания механически прочного, герметичного шва или постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке припои нагреваются до температуры плавления, в зависимости от которой их принято делить на две группы - мягкие и твердые. К мягким припоям - относятся припои с температурой плавления до 300 ⁰С, а к твердым - выше 300 ⁰С. Мягкие припои в основном являются оловянно-свинцовыми согласно ГОСТ 21931-76. Если в припое содержится 1 – 5 % сурьмы, то они называются сурьмянистыми. Наиболее распространенными из мягких припоев являются: ПОС-61, в котором 61 % Sn, остальные % - свинец (температура кристаллизации 190 ⁰С, удельное сопротивление r= 139 мкОм м ); ПОССу-61-0,5 - оловянно-свинцовый, малосурьмянистый, содержащий 61 % Sn, 5 % сурьмы, остальные % - свинец (температура кристаллизации 189 ⁰С. удельное сопротивление r= 0,140 мкОм м ); ПОСК-5О-18 - припой, содержащий 50 % Sn, 18 % кадмия, остальные % - свинец (температура кристаллизации 145 °С, удельное сопротивление r= 0,133 мкОм м). Эти припои применяются для лужения и пайки монтажных проводов (диаметром 0,05 - 0,08 мм), спиральных пружинок в электроизмерительных приборах, резисторов, конденсаторов, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, для лужения и пайки пассивной части микросхем и других элементов, чувствительных к перегреву. Стандартными твердыми припоями являются медно-цинковые и серебряные. Первые должны удовлетворять ГОСТ 23 137-78, а вторые - ГОСТ 19738-74. Наиболее распространенными из них являются следующие: ПМЦ-36 - припой медно-цинковый, содержащий 36 % Сu, остальные % - цинк (температура кристаллизации 950 ⁰С, используется для пайки латуни с содержанием меди до 64 % );ПСР- 25 и до ПСР-70 - серебряные припои, содержащие от 25 до 70 % Аg, меди - от 40 до 26 %, цинка - от 35 до 4 % (температура их кристаллизации около 600 - 750 °С).

Для пайки алюминия применяют специальные припои. Из них наиболее распространены П425А (температура плавления 415 - 425 ⁰С), в составе которого 19 - 21 % М, 14 – 16 % Сu, 64 – 66 % Zn; ПСИЛО (силумин), состоящий из 90 – 87 % А1 + 10 – 13 % Si (температура плавления 577 ⁰С); АВИА-1 - сплав. в котором содержится 55%Sn, 20 % Сd, 22 % Zn, (температура плавления 200 ⁰С). При пайке алюминия низкотемпературными припоями (АВИА-1 и др.) его поверхность предварительно должна быть покрыта никелем. Фосфорные припои марки МФI и прочие с содержанием фосфора в сплаве (Сu- Р) от 8,5 до 10 %, имеющие температуру плавления 725 - 850 ⁰С, являются самофлюсующимися, т.е. пайка ими производится без применения флюса. Недостаток их - хрупкость шва. Стали не пригодны для пайки. Используются для пайки медных, латунных, бронзовых деталей, работающих в режимах малых статических нагрузок. Иногда в качестве припоев используют чистые металлы. Например, кадмий применяют для пайки и лужения никеля, чистое олово для лужения и пайки меди и ее сплавов, низкоуглеродистой стали и платины, а чистая медь - для пайки низкоуглеродистой стали и никеля.

В качестве флюсов используется очень большое количество материалов. Назначение флюсов - удалять загрязнение и оксиды с поверхности спаиваемых металлов, уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя, защищать поверхность металла и припоя в процессе пайки от окисления. Флюсы подразделяются на несколько групп по различным признакам. Флюсы, применяемые при пайке мягкими припоями в основном с активными неорганическими веществами.

Активные флюсы. К ним относятся:

канифоль (24 %), хлористый цинк (4 %), этиловый спирт(72 %) - для пайки черных, цветных и драгметаллов (остатки флюса необходимо удалять растворителем);

канифоль (16 %), хлористый цинк (4 %), вазелин технический (80 %), - при пайке черных и цветных металлов (шов прочный, но требует очень тщательной промывки) для изделий простой конфигурации;

хлористый цинк (1.4 %), глицерин (3 %), спирт этиловый (4 %), вода дистиллированная (91,6 %) - при пайке платины, ее сплавов и никеля, с последующей тщательной промывкой в воде;

флюс для пайки алюминия и его сплавов (хлористый барий – 4 %. хлористый калий – 29%, хлористый натрий – 19 %. фтористый кальций – 4% ) - пайка припоями марки АВИА-1 и АВИА-2.

При пайке твердыми припоями используют обычно несколько марок флюсов. Наиболее популярные из них:

Ф70А (температура плавления 370 ⁰С) предназначен для пайки алюминия, его сплавов, как между собой, так и с другими металлами (хлористый калий – 33 – 37 %. хлористый литий – 40 – 41 %. борофтористоводородный калий – 2 – 29 %);

Ф8ООСт (температура плавления 800 ⁰С) предназначен для пайки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов латунью и другими твердыми припоями (температура плавления 850 - 1100 ⁰С). Такой припой представляет собои буру (тетраборнокислый натрий 100 %).

Флюсы могут быть твердыми веществами (соли, оксиды, кислоты),пастами и растворамисолей и кислот. Очень частофлюсы изготавливаются на местах, поэтому и марки идут не по стандартам. В марках флюсов буквы означают: Ф - флюс, К - канифоль, Сп - спирт, П - гюлиэфирная смола, У - уксусная кислота, М - муравьиная кислота, -Х хлористые соли и т.д.

Контактолами(иначе электропроводящий клей) называются мало- низкие или пастообразные композиции из различных синтетических смол, используемые в качестве токопроводящих клеев и покрытий. Токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные горошки металлов или графита. для регулирования вязкости используют растворители. Полимерные связующие определяют низкую плотность, высокую прочность и эластичность, а также хорошие адгезионные свойства электропроводящих композиций. Электрические свойства определяются свойствами дисперсного наполнителя - его электропроводностью, концентрацией, формой и размером частиц, В настоящее время известно более 50 типов контактолов. Наиболее высокой проводимостью и стабильностью свойств обладают контактолы с содержанием серебра. Их используют для склеивания поверхностей серебра, меди, стекла, керамики. Если серебро предварительно обработано растворами жирных кислот, то такой клей используется для монтажа элементов радиоэлектроники, таких как ниточные резисторы, фоторезисторы и другие элементы. Некоторые виды клея, имеющие высокую термостойкость и большой срок службы, используются в производстве керамических конденсаторов и для монтажа интегральных схем. А контактол К-20 обладает максимальной для подобных материалов электропроводностью (r= 0,5 мкОм м). Марки и характеристики некоторых проводящих клеев приводятся ниже:

клей марки К-17: наполнитель - серебро, r= 1 - 2 мкОм м, температура отверждения 170 - 200 °С, максимальная рабочая температура - 200 ⁰С, срок службы 6 месяцев;

клей К-20: наполнитель тот же, температура отверждения 20 - 80 ⁰С, максимальная рабочая температура 80 ⁰С, срок службы 6 месяцев.

Неметаллические проводники

Неметаллические проводники,например, углеродистые материалы, широко используются в электротехнике. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. для повышения электропроводности в щетках часто используют порошкообразные металлы, медь с добавками свинца, олова и серебра. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Для прочности щетки спекают в неокислительной атмосфере при температуре около 1300 °С. Некоторые виды щеток подвергают графитизации при 2500 - 3000⁰С в неокислительной атмосфере, для перевода кокса и сажи в графит и удаления примесей. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или носком для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами.

Основные технические параметры щеток: удельное сопротивление, допустимая плотность тока, допустимая линейная скорость. Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление.

В настоящее время различают щетки угольно-графитовые (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ) и медно-графитовые (М и МГ) с содержанием порошка меди, приведенные в таблице 3.2).

Таблица 3.2. Параметры электрических щеток

Тип щетки	Уд. сопр.,мкОм м	Доп.плот.тока, мА/м	Доп.лин. ск.,м/с
Г	10 - 46	7 - 11	12 – 25
УГ	18 - 60	6 - 8	10 – 15
ЭГ	10 - 45	9 - 11	25 – 45
М	От 0,05	12 - 20	12 – 25
МГ	До 1,2	12 - 20	12 - 25

Электрические щетки применяют в электрических машинах различного назначения и мощности, в том числе и в быстроходных машинах с колъцами для подвода или съема тока.

Классификация физико-химических способов обработки металлов

2014-01-22T13:28:53Z

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В современном машиностроении при изготовлении ответственных деталей применяются физико-химические способы размерной и упрочняющее-чистовой обработки. Эти способы дополняют, а иногда заменяют традиционные процессы резания. Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки и упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Физико-химические способы имеют следующие достоинства и преимущества перед процессами резания:

1). Копирование формы инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при его простом поступательном движении;

2). Обработка материалов ведется при практической независимости режимов обработки от твердости и вязкости материала;

3). Выполнение уникальных операций (обработка отверстий с криволинейной или спиральной осью, изготовление очень маленьких отверстий, узких и глубоких канавок;

4). Малые значения сил, действующих в процессе обработки, а при некоторых методах отсутствие механического контакта инструмента и заготовки;

5). Используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

6). Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров;

7). Возможность механизации и автоматизации процесса физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания.

Однако физико-химические способы обработки более энергоемки, чем процессы резания. Основные физико-химические способы размерной и упрочняюще-чистовой обработки заготовок следующие:

1. Электроразрядные — электроэрозионный, электроконтактный и абразивно-эрозионный.

2. Электрохимические — электрохимикогидравлический и электрохимикомеханический.

3. Ультразвуковые — размерная ультразвуковая обработка и наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент.

4. Лучевые — лазерный, электроннолучевой и плазменный.

5. Магнитноимпульсная — индукционная и электродинамическая.

6. Магнитноабразивная.

7. Комбинированные — анодно-механический, элетроэрозионно-химический, ультразвуковой-электрохимический и электролазерный.

В этих методах удаление припуска происходит путем электрической или химической эрозии. Они особенно эффективны при изготовлении таких изделий: штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др.

Технико-экономический эффект их применения тем выше, чем сложнее конфигурация обрабатываемых деталей: время изготовления обычных фасонных поверхностей снижается в 2 … 3 раза, сложных – в 5 … 10 раз. Большинство физико-химических методов разработано в СССР.

Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. — Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания

Способ обработки	Рабочий процесс	Используемая энергия	Мощность удельная, N_уд, Вт/см²	Рабочая среда	Род обрабатываемых материалов
1	2	3	4	5	6
Электро-эрозионный	Эрозия в импульсных разрядах	Тепловая	10⁴... 10⁸	Жидкость диэлектрическая	Электропроводящие
Электро-контактный	Механическое удаление нагретого металла	то же	10⁴	Воздух, газ	то же
Электро-химический	Анодное растворение	Химическая	10³... 10⁴	Электролит	_____,,_____
Анодно-механический	Анодно-механическое удаление	Химическая + механическая	то же	то же	_____,,_____
Ультразвуковой	Хрупкое разрушение при ударном вдавливании абразивных зерен	Механическая	_____,,_____	Абразивная	Металлы и неметал- лы (тверд., и хрупк.)
Электронно-лучевой	Эрозия под действием потока электронов	Тепловая	10⁶... 10⁸	Вакуум 10^-4... 10^-6	Электропроводящие
Ионно-лучевой	Катодное распыление	то же	10⁶... 10⁷	Вакуум 10^-2... 10^-4	Лучше электропроводящие
Светолучевой	Световая эрозия	____,,_____	10⁶... 10⁸	Газ, жидкость	Любые
Процессы резания	Большие упруго-пластические деформации	Механическая	10²... 10³	Газ, СОЖ	_____,,_____

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Разработчиками данного метода являются советские ученые Н.И.Лазаренко и Б.Р.Лазаренко. Поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов [1,2,3].

Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла (1943 г.). С этой целью они поместили электроды (инструмент 1 и заготовку 3) в жидкий диэлектрик 4, который охлаждая расплавленные частицы металла и не позволяя им оседать на противолежащий электрод (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Схема электроискрового станка

1 – электрод — инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – пластина изолирующая.

В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов (С), заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом (R). Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент 1 перемещали к заготовке 3. По мере их сближения возрастала напряженность поля в пространстве между заготовкой и инструментом. Это пространство называют межэлектродным промежутком (МЭП) или просто промежутком (зазором).

При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов (минимальным электродным зазором), возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 4, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента 1, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент 1 прошил заготовку 3. Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Так была изобретена электроэрозионная размерная обработка материалов (ЭЭО). Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

В начале 50-х годов XX столетия были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить не только на коротких искровых разрядах, но и на более продолжительных искро-дуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия осуществления процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.

Рисунок 2.2 — Схема электроимпульсной установки

1 – электродвигатель; 2 – импульсный генератор; 3 – электрод — инструмент; 4 – заготовка; 5 – ванна для диэлектрической жидкости.

Этот метод основан на том, что полярный эффект при импульсах малой и средней продолжительности приводит к повышенной эрозии анода, что используется при электроискровой обработке. При импульсах большой продолжительности (дуговой разряд) значительно быстрее разрушается катод. Поэтому при электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов и обрабатывают при действии униполярных импульсов, создаваемых электрическими машинами или электронным генератором. Продолжительность импульсов – 500 … 10000 мкс. Электрод — инструмент изнашивается значительно меньше, чем при электроискровой обработке. Производительность выше, так как мощность импульсов больше.

Метод наиболее целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, фасонных отверстий в деталях из твердых, нержавеющих и жаропрочных сплавов. При электроимпульсной обработке съем металла в единицу времени в 8 … 10 раз больше, чем при электроискровой.

Для повышения точности и уменьшения шероховатости обрабатываемых поверхностей заготовок при ЭЭО был предложен метод высокочастотной электроискровой обработки. Он основан на использовании электрических импульсов малой энергии при частоте 100 …150кГц.

Рисунок 2.3 — Схема высокочастотной электроискровой обработки

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – трансформатор; 4 – прерыватель; 5 – выпрямитель.

В данной схеме дугового разряда нет, так как электрод- инструмент 1 и заготовка 2 включены во вторичную цепь трансформатора. Производительность метода в 30 … 50 раз выше по сравнению с электроискровым при значительном увеличении точности и уменьшении шероховатости. Износ инструмента незначителен. Метод исключает структурные изменения и микротрещины в поверхностном слое материала обрабатываемой заготовки.

В настоящее время применяют несколько технологических схем электроэрозионной обработки.

1). Прошивание – удаление металла из полостей, углублений, отверстий, пазов, с наружных поверхностей (рисунок 2.1.). Прошиванием можно получать поверхности как с прямой, так и с криволинейной осью. Существует два варианта прошивания:

— прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой (рисунок 2.1.);

— обратное копирование, когда электрод-инструмент находится под заготовкой. Движение подачи здесь может осуществлять заготовка.

Рисунок 2.4 — Схема обратного копирования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – ванна; 4 – диэлектрик; 5 – продукты обработки.

Этот вариант облегчает удаление продуктов обработки и за счет сокращения числа боковых разрядов через частицы расплавленного металла в межэлектродном промежутке повысить точность обработки деталей.

Электроэрозионное шлифование

Рисунок 2.5 — Схема электроэрозионного шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – насадка.

Металлический электрод-инструмент 1 в форме диска совершает вращательное и поступательное движения к заготовке 2 со скоростью . Заготовка может вращаться навстречу или попутно. Жидкость подается поливом из насадка 3. Инструмент чугунный или медный диск. Обработку ведут на постоянном или переменном токе. Используемое напряжение – 10 … 40 В. Метод не обеспечивает высокой точности и низкой шероховатости, но высокопроизводителен вследствие использования больших электрических мощностей.

Данный метод также используется для обработки плоских поверхностей (рисунок 2.6.).

Рисунок 2.6 — Схема электроконтактной обработки плоской поверхности

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – трансформатор.

Разрезание профильным или непрофилированным инструментом.

Оно включает разделение заготовки на части – отрезание (инструмент – диск или пластина), получение непрямолинейного контура – вырезание, которое выполняется только непрофилированным электродом — инструментом – проволока диаметром 0,02 … 0,3 мм или стержня, которые могут перемещаться в различных направлениях со скоростью υ_u в любой части заготовки. Материал проволоки – латунь, медь, вольфрам, молибден. На рисунке 2.7. дана схема станка для выполнения вырезных работ.

Рисунок 2.7 — Схема копировально- вырезного электроэрозионного станка с ЧПУ

1 – катушка с проволокой; 2 – электропривод натяжения проволоки; 3 – генератор импульсов; 4 – инструмент — проволока; 5 – электропривод подачи проволоки; 6 – электропривод винта продольной подачи стола; 7 – устройство системы ЧПУ; 8 – считывающее устройство и программоноситель; 9 – стол; 10 – электропривод винта поперечной подачи стола.

Для устранения влияния износа электрода — инструмента на точность прорезаемых пазов проволоку или стержень перемещают (обычно перематыванием) вдоль оси с определенной скоростью. Разрезание (вырезание) выполняют в ванне с диэлектрической жидкостью.

4). Электроэрозионное упрочнение, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элемента электрода-инструмента. Кроме того, нанесенный на заготовку слой закален до высокой твердости и имеет за счет этого повышенную износостойкость.

1. Общее описание процесса

Удаление металла с заготовки происходит в среде диэлектрика за счет микроразрядов, расплавляющих часть металла. Рассмотрим основные стадии протекания электроэрозионного процесса снятия припуска.

По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность (Е) электрического поля возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами:

В/м (2.1)

Где U – разность потенциалов электрода — инструмента и заготовки, В;

S – зазор между электродами, м.

Наибольшая напряженность возникает на участке, где межэлектродный зазор минимален. Зазор зависит от высоты h_в местного или макровыступа на заготовке.

Если электроды сблизить до расстояния нескольких десятков мкм, то напряженность поля в районе выступа будет наибольшей, произойдет пробой межэлектродного промежутка в этой точке, возникает электрический разряд, через промежуток протекает ток, то есть имеет место направленное движение электронов. В электрическом поле, возникшем в межэлектродном зазоре, в направлении, обратном движению электронов, происходит перемещение более тяжелых частиц-ионов. Электроны, имеющие меньшую массу, быстро достигают положительно заряженной поверхности заготовки и нагревают металл, вызывая расплавление и испарение его в месте прохождения тока. В результате образуется углубление в форме сферической лунки радиусом R (рисунок 2.8.).

Рисунок 2.8 — Форма лунки

Вылетевшие из лунки частицы металла охлаждаются жидкостью, которая находится в зазоре, и застывает в виде шариков. В качестве жидкости используют различные диэлектрики: керосин плюс минеральное масло в соотношении 1:1; 1:2; дистиллированную воду. Поверхность приобретает форму с явно выраженными углублениями в виде лунок. Такие лунки формируют микрорельеф, характеризующий шероховатость поверхности. Поверхностный слой дна лунок испытывает воздействие термического цикла нагрева и быстрого охлаждения жидкостью. Свойства этого слоя отличны от свойств металла в глубине заготовки.

В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих значительную массу, не успевают достичь отрицательно заряженного электрода и вызвать удаление материала с его поверхности. Съем металла происходит преимущественно с анода, который выбирают в качестве заготовки. Количество и активность ионов, достигающих поверхности инструмента, определяет интенсивность его износа. Очевидно, чем меньше будет износ инструмента, тем точнее можно получить деталь. Для этого стремятся сформировать импульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь катода.

Полярность, при которой заготовка является анодом, называется прямой. Если увеличить длительность импульсов тока, то растет интенсивность съема металла с катода (инструмента) потоком ионов. Можно подобрать такое время протекания тока, при котором доля съема металла электронами составит лишь незначительную часть от общего объема удаленного с электродов материала. Поэтому здесь необходимо катодом выбрать заготовку.

Полярность, при которой анодом является инструмент, называется обратной. При электроимпульсном режиме — обратная полярность.

Полярность зависит не только от длительности импульса, но и от используемых в качестве электродов материалов. Для снижения износа инструмента (от воздействия потока электронов) его выполняют из материалов, слабо разрушающихся под действием искровых разрядов: графитовых, медно-графитовых композиций.

Количественной оценкой износа является относительный зазор. Это есть отношение массы (объема) съема металла с инструмента к массе (объему) снятого металла с заготовки.

Стадии протекания эрозионного процесса

Первой стадией эрозионного процесса является пробой межэлектродного промежутка в результате образования зоны с высокой напряженностью поля. Для диэлектрических жидкостей … напряженность (Е) поля в момент разряда достигает десятков мегавольт на метр. Под действием разряда происходит ионизация промежутка, через который между электродами начинает протекать электрический ток, то есть образуется канал проводимости — узкая цилиндрическая область, заполненная нагретым веществом (плазмой), содержащим ионы и электроны. Через канал проводимости протекает ток, при этом скорость нарастания его силы может достигать сотен килоампер в секунду. На границах канала происходит плавление металла, образуются лунку сферической формы.

Второй стадией является образование около канала проводимости газового пузыря из паров жидкости и металлов. Вследствие высокого давления (до 2∙10⁷ Па) канал проводимости стремится расшириться, сжимая окружающую его газовую фазу. Граница канала проводимости движется с высокой скоростью в радиальном направлении. Скорость расширения может достигать 150 … 200 м/с. На наружной границе образуется так называемый фронт уплотнения, в котором давление скачкообразно меняется от исходного в жидкости до высокого его значения на границе Р_ф.

Третьей стадией будет прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря и продолжение его расширения по инерции. Ударная волна гасится окружающей жидкостью.

Рисунок 2.9 — Схема электрического разряда между электродами

1 – катод; 2 – микропорция металла, выплавленная на поверхности катода; 3 – газовый пузырь; 4 – расплавленные частицы металла; 5 – рабочая жидкость – диэлектрик; 6 – анод.

В начале этой стадии в зазоре (0,01…0,05 мм) находятся жидкий металл 2 в углублениях электродов 1 и 6; газовый пузырь 3, внутри которого имеются пары 4 металлов заготовки и инструмента; жидкий диэлектрик 5. Когда газовый пузырь достигнет наибольшего размера, давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл вскипает и выбрасывается в межэлектродный промежуток.

Не всякий импульс, вырабатываемый генератором, вызывает эрозию электродов: так как велик зазор; мало напряжение; вынос твердых частиц из зазора затруднен и процесс может прекратиться. (Поэтому в крупногабаритных заготовках применяется принудительное прокачивание диэлектрика).

Система очистки и подачи рабочей жидкости в электроэрозионном станке

Для повышения производительности, точности обработки и улучшения поверхности деталей целесообразно осуществлять прокачку рабочей жидкости через межэлектродный промежуток. Для этого предназначена гидравлическая система станка.

Рисунок 2.10 — Схема гидравлической системы станка

1 – бак; 2 – насос; 3 – манометры; 4 – фильтр; 5 – устройство для регулирования расхода рабочей жидкости; 6 – заслонка; 7 – преобразователь; 8 – ротаметр; 9, 10 – краны; 11 – полый электрод — инструмент; 12 – заготовка; 13 – рабочая ванна; 14 – сливное отверстие.

Рабочая среда из бака 1 подается насосом через фильтры 4 и устройство 5 регулирования расхода в рабочую зону. При этом возможны два варианта подачи рабочей среды: либо при открытом кране 9 через полый электрод-инструмент 11 в промежуток с заготовкой 12, либо через кран 10 непосредственно в рабочую ванну 13. Бак 1 состоит из нескольких секций для отстаивания рабочей среды. Секции разделены перегородками, через которые жидкость попадает методом перелива из одной секции в другую. Рабочая ванна 13 является частью силовой схемы станка — от ее жесткости зависит точность обработки деталей. В мелких станках ванна непосредственно крепится на столе, а рабочая жидкость периодически сливается в бак. В крупных станках ванна может подниматься и опускаться. Она всегда заполнена жидкостью.

Есть схемы с введением дополнительной емкости (по принципу сообщающихся сосудов), которая опускается и опорожняет рабочую ванну. Насос 2 чаще центробежного типа. Напор-5…10 м, производительность-2…180 л/мин. Если необходимо высокое давление, то используют шестеренные насосы (Р =0,5…250 МПа).

Фильтры 4 грубой и тонкой очистки стоят последовательно для задержки шлама:

— бумажные по несколько штук в пакете;

— намывные – со вспомогательными фильтрующими веществами – мелкопористые частицы с большой активной поверхностью;

— сетчатые;

— магнитные, центрифуги, сепараторы, гидроциклоны.

Устройство для регулирования расхода 5 рабочей среды. Оно выполнено в виде эжектора. При отведенной заслонке 6 жидкость отсасывается из межэлектродного промежутка, а при закрытой заслонке 6 она прокачивается через зазор. Таким образом, регулируя положение заслонки 6 преобразователем 7, можно изменять расход рабочей среды через межэлектродный зазор.

В настоящее время выпускаются агрегаты снабжения и очистки рабочей среды, cкомпонованные в одном корпусе. Они могут работать в автоматическом режиме по заданной программе или от адаптивной системы.

РАЗМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Введение. Честь открытия новых способов обработки принадлежит русским и советским ученым. Известный русский химик Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс электролитического полирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плиту на время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения. Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшить зазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительно прокачивать через межэлектродный промежуток. Это было рождением нового вида обработки — размерной электрохимической обработки (ЭХО) – за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы войны результаты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до сего времени. В 1948г. была создана электрохимическая установка для изготовления отверстий в броневой стали. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И .Мороза, Л.Б. Дмитриева и др. .

Существует несколько основных схем электрохимической обработки.

1). Обработка с неподвижными электродами.

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы.

Рисунок 3.1 — Схема обработки с неподвижными электродами

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – диэлектрик.

Требуемая форма углубления или отверстия получается за счет нанесения на заготовку 2 слоя диэлектрика 3. Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой поверхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заготовкой 2 возрастает, а скорость прокачки электролита снижается. Процесс будет неустановившимся с нестационарным по времени режимов обработки.

2). Прошивание углублений, полостей и отверстий.

Рисунок 3.2. — Схема прошивания

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение — поступательное движение со скоростью к детали 2. Межэлектродный зазор (S) — постоянный, т.е. режим стационарный. Электролит прокачивается со скоростью .

По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля.

К такой схеме относят и получение отверстий струйным методом.

Рисунок 3.3 — Схема прошивания струйным методом

1 - электрод-инструмент (токопровод); 2 – заготовка;

3 – диэлектрический корпус.

Электрод-инструмент состоит из токопровода 1, омываемого потоком электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2.

В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

3). Точение наружных и внутренних поверхностей.

Рисунок 3.4 — Схема точения наружных поверхностей

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

По такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью _. При точении внутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью .

Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3.

Рисунок 3.5 — Схема точения внутренних поверхностей

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – прокладки диэлектрические.

4). Протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках

Заготовки должны иметь предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки с помощью диэлектрических прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается (иногда вращается).

По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.

5). Разрезание заготовок

При разрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный-проволока.

Рисунок 3.6 — Схема разрезания профилированным инструментом

1 – электрод — инструмент (диск); 2 – заготовка.

При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкой должен быть постоянным.

Для выполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежестких материалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволоки из латуни, меди или вольфрама.

Рисунок 3.7 — Схема разрезания непрофилированным инструментом

1 – инструмент — электрод (проволока); 2 – заготовка.

Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки проволока непрерывно перематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе все новым ее элементам.

6). Шлифование

При этом используется вращающийся металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью .

Рисунок 3.8 — Схема шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

Теоретические основы электрохимического процесса формообразования (ЭХО)

Законы электролиза М.Фарадея

Майкл Фарадей (1791 — 1867 г.г.)-английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. В 1831 г. он выявил законы электромагнитной индукции, а в 1833…1834 г.г. установил законы электролиза.

При ЭХО образующиеся при подключении обрабатываемой детали к положительному полюсу источника питания, положительно заряженные ионы металла отводятся от поверхности анода под действием электрического поля.

Электрическая ячейка состоит в основном из двух не контактирующих электродов, погруженных в электролит, между которыми имеется разность потенциалов.

Если условия электролиза выбраны правильно, прохождение тока через ячейку приводит к растворению материала анода со скоростью, определяемой согласно первому закону Фарадея:

— количество вещества, осажденного или растворенного при электролизе, пропорционально количеству пропущенного электричества

m=Q , г (3.1)

где m — масса материала, растворенного с анода, г;

— коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент);

Q — количество электричества, пропущенное через электролит Кл (А∙с).

При использовании постоянного тока количество электричества находится из зависимости:

Q =

где I – сила тока, А;

– время его прохождения, с.

Тогда зависимость (3.1.) можно записать в виде

m = , г (3.2)

Электрохимический эквивалент () находится следующим образом

= , г/А∙с

где А — атомная масса элемента;

n — валентность металла;

F — число Фарадея, равное 96500 (это количество электричества, необходимое для растворения 1 грамма – эквивалента металла), Кл/г — экв. или 26,8 А∙ч/г-экв .

Числовые значения для различных элементов приводятся в справочных материалах.

Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты входящих в него элементов и через массовое содержание в % элемента k_iв сплаве.

(3.3)

Количества различных веществ, осажденных или растворенных одинаковым количеством электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Объединенный закон Фарадея гласит, что масса материала в граммах (m), осажденного или растворенного на электроде, пропорциональна произведению . Таким образом, обобщенный закон Фарадея можно записать так

m = I/26,8 ,г (3.4)

где — время протекания тока, ч.

Поскольку каждый компонент сплава имеет свой электрохимический эквивалент, то соответственно и свою скорость анодного растворения.

Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, которая позволяет найти скорость подачи инструмента при изготовлении деталей.

Из уравнения (3.1) m = массу материала, растворенного с анода, можно записать через площадь обрабатываемого участка S и перемещение электрода — инструмента к детали:

m = , г. (3.5)

где — плотность материала, г/см³.

Силу тока можно выразить через площадь участка S и плотность тока j.

I=S∙j

Тогда уравнение (3.2) примет вид

, г. (3.6)

Если левую и правую части выражения (3.6) разделить на время , то отношение называется скоростью линейного растворения материала анода:

;

Таким образом , см/с (3.7)

Плотность тока j по закону Ома мажет быть выражена через напряжение U и удельную проводимость, без учета потерь напряжения на электродах и в токоподводящих цепях.

, А/см² (3.8) где — ход электрода, см.

С учетом формул (3.7) и (3.8) закон анодного растворения может быть записан в следующем виде:

, см³/с (3.9)

Если зазор не изменяется в процессе анодного растворения, то режим ЭХО стационарный. В формуле (3.9) учитывается действие только электрического поля. Не учитываются гидродинамические факторы, а именно принудительное удаление продуктов обработки принудительной прокачкой электролита.

Масса металла, растворимого с анода получается меньше, чем по формуле (3.2) закона Фарадея, так как количество электричества тратится на:

— побочные реакции на электродах; образование газов; вторичные реакции.

Эти потери учитываются коэффициентом — выходом по току, поэтому

, см³/c (3.10)

— зависит от плотности тока, материала заготовки, скорости прокачки, температуры и степени защелоченности электролита.

Электролит — хлорид натрия:

— для конструкционных и низколегированных сталей ;

— для жаропрочных сплавов ;

— для титановых сплавов ;

Электролит-нитрат натрия:

— для большинства сталей ;

— для алюминиевых сплавов ;

Для нормального протекания электрохимических реакций необходимо обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка (из зазора), поэтому электролит должен иметь определенную скорость.

Электролит может иметь ламинарный или турбулентный характер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении – быстрее! Однако расчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетах принимают течение ламинарным!

Подбор электролита

От состава электролита зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Для получения высоких технологических показателей процесса необходимо, чтобы:

а) в электролите не протекали вовсе или протекали в минимальном количестве побочные реакции, снижающие выход по току;

б) растворение заготовки происходило только в зоне обработки;

в) на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток.

Таких универсальных электролитов не существует, поэтому при подборе состава электролита приходится в первую очередь учитывать те требования, которые являются определяющими для выполнения данной операции.

Для увеличения скорости растворения берут электролиты с большей удельной проводимостью, а для повышения точности лучше использовать электролит с пониженной проводимостью.

Электролиты подбирают в зависимости от обрабатываемого материала.

Требования при подборе электролита:

1) Содержащиеся в водном растворе электролита анионы (« — » — заряженные ионы) и катионы («+» — заряженные ионы) должны хорошо диссоциировать (разъединяться) при любых комбинациях.

2) Потенциал материала электрода — инструмента был более положительным, чем потенциал осаждения катионов. Это препятствует осаждению металлических катионов на электрод- инструмент.

Данное условие выполняется, если катионы электролита обладают большим отрицательным стандартным потенциалом.*

(* это потенциал, измеренный относительно нормального водородного электрода, на поверхности которого в стандартных условиях протекает обратимая реакция e).

3) Наличие в электролите активирующих анионов, разрушающих под действием тока поверхностные оксидные пленки. Это обеспечивает преимущественное протекание на аноде реакции растворения и высокую производительность.

4) Необходимо, чтобы сродство компонентов обрабатываемого сплава к анионам электролита и их сродство к кислороду были близки между собой. Это обеспечивает избирательность растворения сплава, высокое качество поверхности и точность обработки.

5) Соответствие концентрации анионов, имеющих близкое сродство к тому или иному компоненту обрабатываемого сплава, содержанию этого компонента в сплаве. Это позволяет достичь равномерного анодного растворения всей поверхности заготовки.

6) Обеспечение в ходе реакций в электролите перехода продуктов реакции анодного растворения в нерастворимое состояние. Это дает возможность постоянно удалять продукты обработки из раствора (например, отстоем, фильтрованием, центрифугированием) и поддерживать требуемый состав электролита.

7) Необходимо, чтобы электролит обладал невысокой вязкостью для облегчения прокачки и ускорения процессов тепло – и массопереноса в зазоре.

8) Электролит должен обладать невысокой коррозионной активностью к оборудованию, быть безвредным для здоровья, пожаро-и взрывобезопасным.

В качестве электролитов наиболее часто используют растворы неорганических солей: хлориды (калия хлорид); нитраты (азотнокислые соли, производные азотной кислоты – HNO₃ (калийная селитра KNO₃); сульфаты натрия и калия – соли серной кислоты.

В растворы могут вводиться добавки:

— буферные вещества для снижения защелачивания электролита (борная, лимонная, соляная кислоты);

— ингибиторы (от латинского – удерживаю) коррозии (нитрит натрия); производные азотистой кислоты – HNO₂;

— активирующие вещества, которые снижают пассивирующее действие оксидной пленки;

— поверхностно — активные вещества для снижения гидравлических потерь и устранения кавитации (моющая жидкость ОП — 7);

— коагуляторы – ускорители осаждения продуктов обработки (1…5 г/л полиакриламида).

Чаще используются следующие электролиты: 8…18% растворы хлорида натрия (NaCl) и 15…20% растворы нитрата натрия (Na₂SO₄).

Для каждого электролита удельная проводимость может быть самой различной в зависимости от его состава, концентрации, температуры.

Для хлорида натрия наибольшая удельная проводимость при концентрации – 250 г/л, а для нитрата натрия – 210 г/л.

С увеличением концентрации электролита удельная проводимость растет, достигает максимума, а затем снижается, так как сильнее проявляется взаимное притяжение ионов, которое снижает их подвижность и возможность переноса зарядов.

С повышением температуры возрастает подвижность ионов и растет удельная проводимость

, 1/ом∙см (3.1)

где — удельная электропроводность электролита при 18^°С, 1/ом∙см;

— температурный коэффициент сопротивления (=0,0225);

Т – фактическая температура электролита, °С.

В процессе ЭХО раствор необходимо подкислять до получения нейтрального состояния. Температура в помещении должна быть постоянной.

Гидродинамические процессы в межэлектродном промежутке

В результате реакции на обрабатываемой поверхности заготовки образуются продукты обработки, в том числе нерастворимые гидроксиды. Их концентрация в районе протекания анодного растворения в начальный момент превышает концентрацию в электролите. Количество продуктов будет зависеть от скорости анодного растворения.

(3.10)

Если электролит протекает со скоростью ниже некоторого критического значения (менее 1…2 м/с), то он не успевает вынести из зазора все продукты обработки и скорость анодного растворения через некоторое время после начала процесса снижается.

Поэтому в каждый момент времени требуется обеспечить условие

(3.12)

Превышение скорости выноса частиц () над скоростью их образования должно быть незначительным, иначе неоправданно увеличится мощность насосов для перекачки электролита.

Для каждого режима обработки должна быть своя скорость потока. Скорость растворения металла на разных участках различна, поэтому расчет ведут по максимальной скорости. Для нее определяют скорость электролита и находят требуемые напор и подачу насоса.

Средняя скорость электролита может изменяться в широких пределах (=5…40 м/с).

При таких скоростях критерий Рейнольдса Re может быть больше критического значения (Re2300). Тогда поток жидкости будет турбулентным и рассчитанные скорости течения будут несколько завышенными.

Если длина участка по направлению потока электролита достаточно велика, то необходимо, чтобы температура электролита в зазоре оставалась постоянной. Это позволяет поддерживать расчетную удельную проводимость, определяющую точность обработки и другие технологические показатели процесса.

Вся теплота при анодном растворении заготовки переходит в раствор, а нагрев за счет гидравлических потерь пренебрежимо мало. Тогда можно приравнять количество теплоты, выделившейся по закону Джоуля – Ленца при прохождении тока, количеству теплоты, перешедшей в электролит

I, Дж (3.13)

где С – удельная теплоемкость электролита, Дж/кг;

m_t – массовый расход электролита через зазор, кг;

— разность температур электролита на выходе из зазора и на входе в него, град.

Силу тока I в левой части уравнения (3.13) запишем через его плотность j и площадь S обрабатываемой поверхности заготовки. В свою очередь S=, см².

где В – ширина межэлектродного промежутка, см;

— длина рабочей части электрода-инструмента, см.

В правой части уравнения массовый расход выразим через объемный:

m_t=V_t, г/с

где — средняя плотность электролита, г/см³.

V_t – объемный расход электролита, см³/с.

Величина V_t представляет произведение скорости электролита на площадь сечения зазора S^I.

S^I=S^II, см²

где S^II – межэлектродный зазор, см.

Тогда уравнение (3.13) может быть представлено в виде:

V_t (3.14) (3.14)

Напряжение U запишем через плотность тока по уравнению (3.8) U=j

или j=U, тогда

Отсюда скорость электролита равна:

, см/с (3.15)

Если инструменту придают вращательное движение, как при разрезании диском, точении, шлифовании, то электролит подают поливом. Он приобретает необходимую скорость за счет контакта частиц жидкости с вращающимся инструментом

_, см/с.

где =0,18…0,5 – коэффициент, характеризующий отставание частиц жидкости от инструмента;

Д – диаметр инструмента, см;

n – частота вращения инструмента, с^{— 1}.

По скорости электролита определяют характеристику насоса.

Напряжение

При прохождении тока через токоведущие шины, электрод — инструмент, зазор и заготовку происходят потери

где – напряжение, используемое на анодное растворение металла заготовки (расчетное напряжение), B;

– потери напряжения в зажимах и токоведущих шинах, В;

– потери напряжения в двойном электролитическом слое – эти потери представляют собой разность потенциалов анода и катода, В;

– потери напряжения при прохождении тока через заготовку, В.

Потери удается снизить до долей процента и их, как правило, в расчетах не учитываются.

Потери принимают во внимание для деталей больших размеров (лопатки энергетических турбин L >1000 мм и сечения профиля не более 200…250 мм²). =4…5В и их следует учитывать в расчетах.

Где – напряжение на зажимах источника питания, В.

Потери зависят от режима работы, состава металла заготовки и состава электролита, напряжения и др. факторов. (=2…5 В). Нижний предел в расчетах ограничивают значением, 5 В.

Для того, чтобы процесс анодного растворения шел интенсивно, необходимо повысить напряжение на электродах по сравнению с потенциалом разложения электролита. (φ_a-φ_к).

Однако при >15…18 В начинают возрастать потери в приэлектродных слоях – подводимая мощность растет быстрее, чем полезная.

При напряжении свыше 30 В могут возникнуть пробои межэлектродного промежутка.

Для большинства схем обработки используют диапазон напряжений 9…18 В.

Для титановых сплавов — =25…30 В, при разрезке материалов тоже 25…30 В, а при шлифовании — 6…8 В.

Электрохимическое формообразование

2.1.Копирование электрода — инструмента на заготовке

Точность копирования электрода — инструмента на заготовке зависит от скорости растворения участков заготовки, отстоящих на различных расстояниях от электрода — инструмента.

Рисунок 3.9 — Схема получения углубления при ЭХО

1 — электрод — инструмент; 2 — заготовка.

В начале процесса граница заготовки занимает положение I — I. На расстоянии S₁ от нее расположен выступ ab электрода — инструмента, который перемещается к заготовке с такой скоростью , чтобы сохранялся постоянный зазор S₁.

Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит со скоростью .

Если приближенно принять выход по току, удельную проводимость электролита и напряжение одинаковыми по всей длине зазора, то скорость анодного растворения материала под участками ав и сд согласно зависимости (3.10):

Введем обозначение , тогда скорость анодного растворения на участках ab и cd будет зависеть только от размеров межэлектродных зазоров между начальной границей заготовки и соответствующей поверхностью электрода — инструмента:

(3.16)

Как видно из рисунка 3.9 в начальный момент обработки зазор , следовательно, скорость растворения на участке ав будет больше, чем на участке cd в раз

(3.17)

По мере растворения металла заготовки и перемещения электрода — инструмента зазор уменьшается, но остается справедливым условие , т.е. съем металла под выступом идет быстрее.

Через некоторое время в плоской заготовке будет получено углубление с границей II —II. Форма электрода-нструмента отобразилась на аноде, и достигнута размерная обработка.

То есть формообразование поверхности происходит по методу отражения (копирования).

2.2 Межэлектродный зазор

Как следует из уравнения (3.16) скорость анодного растворения и точность обработки тем выше, чем меньше межэлектродный зазор. Однако с уменьшением зазора усложняется процесс его регулирования, возрастает сопротивление прокачке электролита, может произойти пробой. Из-за увеличения газонаполнения при малых зазорах снижается скорость анодного растворения.

Следует выбирать такую величину зазора, при котором достигаются оптимальные скорость съема металла и точность формообразования.

Для ЭХО отверстий и небольших полостей, лопаток газотурбинных двигателей, а также при разрезании заготовок устанавливают и поддерживают зазор 0,1…0,3 мм; для крупных полостей, лопаток энергетических машин, для схем протягивания и точения задают зазор –0,3…0,5 мм; при струйном методе обработки расстояние между электродами выбирают в диапазоне 1…15 мм.

При ЭХО используется три способа регулирования зазоров.

1) При работе с неподвижными электродами зазор постоянно возрастает, скорость анодного растворения снижается. Режим является нестационарным.

2) При постоянной скорости подачи инструмента режим обработки с течением времени становится близким к стационарному.

3) При периодическом перемещении электрода — инструмента относительно заготовки через определенные промежутки времени отключают рабочий ток, подводят электрод — инструмент до контакта с заготовкой, затем отводят его на расчетное расстояние и вновь включают рабочий ток.

Время между циклами замеряется секундомером, поэтому изменение зазора во времени незначительно и в расчетах его можно принимать равным расчетному, а режим считать стационарным.

2.3 Припуск на обработку

Чтобы получить деталь заданной формы, необходимо знать толщину слоя металла, удаляемого с заготовки, то есть припуск Z.

Рисунок 3.10 — Схема к расчету припуска на обработку

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

Припуск на заготовке 2 может изменяться в пределах допуска (). При этом зазор также будет менять свой размер от до . Минимальный припуск рассчитывают в зависимости от допуска [] на деталь и глубины анодного растворения металла: (3.18)

где – съем металла на участке с минимальным зазором.

Минимальный припуск при обработке неподвижными электродами и протягивании составляет 0,1…0,3 мм в зависимости от его неравномерности (отношения его наименьшего значения к наибольшему). Допустимая неравномерность припуска по такой схеме – 0,4.

По схеме прошивания и разрезания минимальный припуск и его неравномерность не ограничиваются.

При точении и шлифовании с постоянной подачей минимальный припуск при зазоре до 0,5 мм изменяется в пределах 0,1…0,5 мм, а его неравномерность может быть не более 0,5.

Технологические показатели ЭХО

3.1. Точность обработки

Точность размеров и формы детали зависят от погрешности электрода — инструмента и от погрешности, вызванной отклонениями режима ЭХО от расчетного.

Кроме того, погрешность детали зависит от припуска на обработку, его неравномерности, стабильности процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности, точности оборудования.

В конце обработки погрешность детали _дет должна быть в пределах допуска [], то есть [δ_дет].

Для идеального процесса ЭХО погрешность детали может быть представлена через погрешность заготовки.

(3.19)

где и – съем металла в конце обработки на участках с зазором и ;

τ – время обработки.

Приближенно погрешность детали можно найти в предположении, что зазор

(3.20)

Погрешность размеров детали зависит от начальной погрешности размеров заготовки, зазора и припуска на обработку.

Кроме того, рабочей поверхности электрода-инструмента придают форму, несколько отличающуюся от той, которую требуется получить в детали. Этот процесс называют корректированием электрода-инструмента.

Различные факторы неодинаково влияют на общую погрешность обработки:

— наибольшее влияние оказывает нестабильность электропроводности электролита, зазора, выхода по току – до 50%;

— отклонения от расчетного режима течения электролита – до 20%;

— упругие и температурные деформации – до 15%;

— погрешности настройки и установки – до 15% от общей погрешности.

Пути снижения погрешности:

1). Форма исходной поверхности заготовки должна иметь минимальный припуск с минимальной его неравномерностью;

2). Уменьшение межелектродного зазора; малые зазоры (,02…0,05 мм) получают установкой на поверхности инструмента твердых упоров из изоляционных материалов (алмазных игл, абразивных зерен). Для схемы с неподвижными электродами - с периодической перестановкой электродов.

Одним из способов уменьшения межэлектродного зазора является применение импульсного напряжения. В период пауз удается добиться полного выноса продуктов обработки из зазора, стабилизировать температуру, состав электролита.

Импульсный ток используют одновременно с ускоренным сближением и отводом электродов.

Напряжение на электроды подают как в момент сближения электродов, отключая его непосредственно перед их касанием, так и во время отводов электродов после касания.

Или другой способ — чередуют включение напряжения и прокачки электролита, что позволяет стабилизировать режим ЭХО и избежать местных дефектов от неравномерного движения потока электролита.

3). Вибрация электродов применяется совместно с импульсным напряжением или при постоянном токе. Вибрация электродов может осуществляться параллельно или перпендикулярно направлению подачи как с одинаковой, так и с разной амплитудой колебаний по обоим направлениям.

4). Локализация процесса анодного растворения позволяет ограничить прохождение тока через участки заготовки, прилегающие к обрабатываемому, и за счет этого повысить точность формообразования;

5). Для чистовой обработке турбинных лопаток применяют растворы NaCl с малой массовой концентрацией (50…60 г/л). За счет малого количества ионов резко снижается степень рассеяния;

6.) Введение в электролит воздуха и других газов под напором;

7). Применение локальной обработки заготовки отдельными секциями электрода- инструмента, на которые последовательно подают напряжение. Последовательность включения секций направлена против движения электролита, поэтому все продукты отработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию;

8). Наиболее широко применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрических покрытий детали (например, с помощью фотохимии).

Если бы удалось получить одинаковые режимы обработки по всей обрабатываемой поверхности, то погрешность при изготовлении деталей любой сложности не превышала бы нескольких мкм.

Так при прошивании точных углублений желательно было бы иметь:

— нестабильность напряжения в пределах 0,1…0,2 В;

— скорость подачи электрода-инструмента-до 1%;

— электропроводимость электролита-2%.

Стабилизировать параметры в указанных пределах практически не удается, так как они изменяются по длине зазора.

Наиболее сложно добиться постоянства проводимости электролита, которая зависит от температуры, количества газообразных продуктов обработки. Задача облегчается, если в зазоре отсутствуют газообразные продукты обработки.

Советскими учеными предложены электролиты, в которых водород в атомарном виде сразу вступает в реакцию — такие электролиты называются безводородными.

Это хлорид аммония, дихлорид железа, которые вызывают активную коррозию оборудования.

Удаляют газообразные продукты – отсосом по длине зазора (погрешность снижается в 2…3 раза).

Применение комбинированных способов обработки (электроалмазного, электроабразивного) с механической депассивацией поверхности также позволяет повысить точность ЭХО.

В настоящее время ЭХО позволяет получить:

— при обработке неподвижными электродами со съемом по глубине до 0,2 мм-погрешность не более 0,02 мм, при большей глубине-0,03…0,050 мм;

— при прошивании мелких отверстий (Ø до 2 мм) – точность по 9…10-му квалитету СЭВ;

— при обработке полостей и разрезании-по12…14-му квалитету СЭВ;

— для схем точения точность-8…10-му квалитету;

— при шлифовании металлическими, электроабразивными и электроалмазными кругами точность по 6…7-му квалитету СЭВ.

Качество поверхности

В технологии машиностроения качество поверхности характеризуют:

— геометрическими (микрорельеф) показателями;

— физическими показателями (микротвердость, обезуглероженный слой) слоя материала, прилегающего к поверхнос

Шероховатось

Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от:

— структуры материала заготовки;

— состава материала; его температуры;

— скорости прокачки электролита;

— электрических параметров режима.

Все эти факторы постоянно меняются во времени и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному.

Если ЭХО выполняют после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки.

Характер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдается межкристаллитное растравливание, так как зерна растворяются медленнее. Оно и определяет шероховатость поверхности.

Чем мельче зерно, тем меньше глубина межкристаллитного растравливания.

Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шероховатость обрабатываемой поверхности снижается.

Чем ниже температура электролита (при той же плотности тока), тем меньше высота неровностей.

В большинстве случаев температура электролита равна 17…37°С. Для обработки титановых сплавов-47°С; для чистовой обработки нержавеющих сталей -4°С.

При обработке в электролитах на базе NaCI шероховатость поверхности различных материалов находится в следующих пределах:

— конструкционных сталей-R_a=0,32…0,1 мкм;

— нержавеющих сталей-R_a=1,25…0,32 мкм;

— титановых сплавов-R_a=2,5…1,25 мкм;

— алюминиевых сплавов-R_a=2,5…0,63 мкм.

Физические свойства поверхности

После ЭХО в поверхностном слое не наблюдается снижение содержания углерода и изменения твердости, отсутствует наклеп. Напряжения повышаются вследствие растравливания — есть концентрация напряжений, так как межкристаллитные углубления имеют меньше радиус закруглений.

Для уменьшения напряжений в поверхностном слое нужно повышать плотность тока, применять охлажденные электролиты, использовать импульсный ток, стабилизировать параметры электролита.

Выделяющийся водород в зазоре приводит к охрупчиванию поверхности и снижению усталостной прочности (особенно у титановых сплавов). Для выноса водорода скорость электролита должна быть не ниже расчетной.

Влияние качества поверхности после ЭХО на механические свойства материала

При эксплуатации деталей на них могут воздействовать статические, динамические (ударные) и циклические (знакопеременные) нагрузки.

Низкая шероховатость поверхности после ЭХО повышает механические свойства материалов, так как качество поверхности одинаково во всех направлениях.

Отсутствие же наклепа поверхности от воздействия инструмента снижает механические показатели, особенно сопротивление усталости.

Ухудшают качество поверхностного слоя микрорастравливание по границам зерен, которое является концентраторами напряжений и наводораживание сплавов.

Предел прочности при статических и ударных нагрузках образцов из конструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибе такой же, как у механически обработанных образцов.

У образцов из сплавов, склонных к межкристаллитному растравливанию (никелевых, титановых), предел прочности на растяжение и угол изгиба после ЭХО снижается на 10…15%, поэтому для деталей высоконагруженных конструкций после ЭХО необходимо механически удалять припуск на глубину растравливания:

— для никелевых сплавов припуск-более 0,15 мм;

— для титановых сплавов-более 0,3 мм.

Сопротивление усталости

По значению предела выносливости образцы из конструкционных сталей и алюминиевых сплавов после ЭХО близки к шлифованным образцам. Детали из этих материалов после ЭХО можно использовать в конструкциях, работающих в условиях вибраций, знакопеременных нагрузках.

Детали из никелевых и титановых сплавов имеют пониженное сопротивление усталости (из-за растравливания…).

Одним из основных методов повышения механических свойств материалов после ЭХО является последующее полирование (виброполирование) для снятия растравленного слоя и выполнения наклепа.

ЭХО часто используют взамен точения, фрезерования, долбления, после которых шероховатость составляет R_Z=20…40 мкм. После ЭХО шероховатость-R_a0,3 мкм.

Полностью восстанавливает усталостные характеристики сплава его упрочнение после ЭХО – виброударным, пневмогидравлическим, дробеструйным и ротационными способами только с несколько меньшими усилиями и временем обработки.

Производительность процесса

Производительность процесса можно выразить через скорость подачи электрода-инструмента.

Производительность обработки при неподвижных электродах можно оценить средней скоростью растворения металла

, мм/с (3.21)

где Z – припуск на обработку, мм;

τ – время процесса, с.

В зависимости от припуска и начального межэлектродного зазора средняя скорость растворения составляет: =0,001…0,01 мм/с.

При схемах прошивания, разрезания, точения и шлифования на врезание производительность (Q) оценивают скоростью подачи инструмента из уравнения

, мм/с (3.22)

В зависимости от вида обрабатываемой поверхности скорость подачи лежит в пределах =0,005…0,1 мм/с. Время обработки – . (3.23)

Если используется импульсный ток, то скорость подачи будет , мм/с.

где – скорость подачи для постоянного тока, мм/с;

g – скважность.

Для схемы прошивания круглых отверстий с концентричным расположением электрода-инструмента относительно детали скорость подачи вдоль обрабатываемой поверхности находят с учетом длины ℓ_р рабочей части инструмента:

мм/с.

Подставляя выражение τ из уравнения (3.21) получаем , (3.24)

Для цельнотянутых труб с припуском до 0,5 мм на сторону =1,5…6 мм/с.

Проектирование технологических процессов

Исходная информация

1). Материал обрабатываемой заготовки (марка, плотность, структура, твердость, наличие неэлектропроводных включений);

2). Допуски на размеры (по чертежу детали);

3). Припуск на обработку, его минимальный размер и неравномерность;

4). Шероховатость поверхности детали и заготовки;

5). Размеры изготовляемой детали и заготовки;

6). Анализ технологичности детали с учетом изготовления ЭХО;

7). Сведения о технологических возможностях процесса.

Технологичность деталей при размерной ЭХО

Для более полного использования преимуществ ЭХО необходимо проектировать детали с учетом особенностей процесса анодного растворения сплавов. Следует учитывать, что при ЭХО нет разделения на черновые и чистовые операции — при любом режиме ЭХО высота неровностей соответствует чистовым операциям механической обработки, и с возрастанием скорости съема металла шероховатость поверхности снижается. В отличие от механической обработки технологические показания ЭХО даже повышаются с увеличением твердости материала заготовки. Кроме того, при ЭХО инструмент либо вообще не изнашивается, либо изнашивается незначительно.

При использовании ЭХО необходимо удовлетворить следующим требованиям, общим для всех видов заготовок и схем обработки:

1). Поверхность перед ЭХО должна быть очищена от окалины и других неэлектропроводных веществ.

2). В местах, где удаление металла планируют выполнить с применением ЭХО, не допускается местная зачистка поверхности, например, для контроля твердости.

3). ЭХО необходимо проводить после термической обработки заготовки. Это позволяет избежать нарушения точности за счет коробления при термической обработке, предотвращает появления обезуглероженного слоя в готовой детали.

4). При проектировании заготовок припуск не должен быть меньше некоторого предельного значения, определяемого с учетом возможного растворения на обрабатываемых и соседних поверхностях, где металл может раствориться за счет токов рассеяния и ускоренного съема на кромках детали.

5). В технологическом процессе не предусматривают операции и переходы по удалению заусенцев и округлению кромок на поверхностях после ЭХО.

Существуют специфические требования к технологичности для каждой схемы обработки.

При схеме с неподвижными электродами съем металла интенсивно протекает не только в зоне обработки, но и на большом удалении от нее. Например, при удалении заусенцев с зубчатых колес профиль зуба со стороны торца утоняется на 10…30 мкм. Это не влияет на точность зацепления.

При схеме прошивания нужно допускать уклон поверхности по направлению подачи инструмента с уклоном =1…5°.

При изготовлении посредством ЭХО больших сквозных отверстий их целесообразно прошивать тонкостенным трубчатым электродом — инструментом.

При электрохимическом точении необходимо предусматривать плавные переходы между участками с различными диаметрами.

Рисунок 3.11 — Рекомендуемые плавные переходы между участками при точении

Угол выбирают в пределах 45…80°, радиус =3…10 мм, =1…3 мм.

При протягивании погрешность отверстий на концах детали выше, чем на средних участках. Поэтому следует указать в чертежах на концевых участках длиной ℓ =5…30мм возможность увеличения внутреннего диаметра d на 0,030…0,08 мм (при внутреннем протягивании) или уменьшение наружного диаметра D на 0,05…0,1 мм (при наружном протягивании).

При обработке по схеме шлифования следует предусмотреть свободный выход круга за шлифуемую поверхность.

Контроль за качеством изоляции

2012-10-29T13:18:36Z

КОНТРОЛЬ ЗА КАЧЕСТВОМ ИЗОЛЯЦИИ

Качество изоляции

Качество технической изоляции определяется не только культурой производства, но и налаженной службой контроля или проверки соответствия качества изоляции ГОСТу или заводским нормам. Контроль за качеством изоляции на производстве при изготовлении и выпуске электротехнического оборудования и профилактика изоляции в эксплуатации направлены на выявления ее дефектов с последующей заменой или восстановлением поврежденного изоляционного участка.

В изоляционной конструкции различают местные и общие дефекты.

Местные дефекты сосредоточены на небольшом участке изоляции и проявляются в виде газовых (воздушных полостей) и металлический включений, примесей, а также в виде механических и технологических нарушений (микротрещин, заусениц, морщин, смещений слоев ленты, вмятин и т. п.). Общие дефекты наиболее распространены, среди них чаще обнаруживается проникающая влага в изоляцию, реже выявляются дефекты развитого газового включения и проводящей примеси.

Разрушение изоляции в начале эксплуатации протекает медленно, а в конце - носит скачкообразный характер.

Методы контроля за качеством изоляции - это разрушающие методы при испытании повышенным напряжением и обнаружение дефектов под воздействием напряжения ниже номинального уровня или рабочих напряжений без разрушения изоляции.

Опыт применения профилактических испытаний высоковольтной изоляции сводится к повышению надежности изделий в работе или к снижению вероятностей отказов электрооборудования.

Испытание изоляции повышенным напряжением

Изоляция электрооборудования в условиях эксплуатации Подвергается воздействию рабочего напряжения, перенапряжений внешнего и внутреннего характера и физико-механических факторов - теплового поля, вибраций, электродинамических усилий и т.д. Пооперационные испытания повышенным напряжением позволяют оценить способность изоляции противостоять таким воздействиям.

Повышенное испытательное напряжение должно:

- эффективно обнаружить все виды дефектов;

- не старить изоляцию, т.е. не развивать дефект, если он выдержал

испытания;

- дать распределение напряженности поля по изоляции во время испытания идентичное перенапряжению во время эксплуатации;

- установки повышенного напряжения должны быть транспортабельны. простые в обслуживании и электробезопасны.

В понятие эффективности испытания вкладывают различное содержание, вследствие чего сравнение эффективности испытаний, проводимых различными специалистам затруднительно, а порой невозможно. Одни оценивают эффективность испытаний отношением числа выявляемых дефектов к числу испытаний машин, другие определяют отношение числа выявленных дефектов при испытаниях к числу машин, изоляция которых повреждена в эксплуатации за период времени между двумя испытаниями В обоих случаях такой подход формальный. В ряде случаев дается оценка эффективности испытаний с применением нескольких форм испытательных напряжений и при неоправданно завышенных величинах испытательного напряжения. Наряду с большим числом пробоев изоляции во время испытаний ожидается кумулятивный эффект в ней и, как следствие, аварийность изоляции в эксплуатации. не снижается. Все вышесказанное относится как к традиционным испытаниям повышенным напряжением, существующим в настоящее время в Нормах и ГОСТах (это повышенное переменное напряжение промышленной частоты в течение 1 мин и выпрямленное в течение 5 Мин, а также импульсное напряжение стандартной волны 1,5/40 мкс и срезанной - 1,5/2 мкс – «трех ударный метод»), так и к нетрадиционным - это другие формы повышенных напряжений: трапецеидальная (завод «Электросила»), сверхнизкочастотная 0,1 Гц (СIIIА). полупериод напряжения 50 Гц (Нидерланды, ЛПИ им. М.И. Калинина). Анализ форм испытательных напряжений сведен в таблицу 2.I

Таблица 2.1. Показатели различных форм повышенных напряжений

Формы повш. напряж, ед.СИ	Эффектив-ть	Эл. старение	Иидентичность	Трансп., прост. обслуж., эл./безоп.	примеч
Перемен. 50 Гц в течение 1 мин	0	0	+	+	ав. экс
Выпрямл. 5 мин.	0	+	-	-	-
Импульс.напрж. 1,5/40 мкс	+	+	0	-	-
Полупер. 59 Гц	+	+	0	+	-
СНЧ 0,1 Гц	+	-	-	-	-
Трапецеидальн.	+	0	0	-	-

П р и м е ч а н и е: «+» - полностью удовлетворяет требованию; «-»- не удовлетворяет; «0» - частично удовлетворяет

Устройство полупериода 50 Гц для получения высокого напряжения

В области разрушающего метода электрических испытании высоковольтной изоляции электрических машин известны два способа оценки ее качества. Для пазовой изоляции испытания ведут повышенным переменным напряжением промышленной частоты в течение 1 мин, а лобовую изоляцию - повышенным выпрямленным напряжением в течение 5 мин. Однако установлено, что переменное напряжение вызывает явление частичных разрядов в области дефекта, что способствует развитию электрического старения в изоляции. Кроме того, оно может привести к развитию скользящего разряда по поверхности изоляции лобовой части. Именно поэтому в заводских условиях испытание изоляции лобовой части обмоток крупных электрических машин проводят повышенным выпрямленным напряжением. но при этом дефекты изоляции пазовой части не выявляются.

Исключить недостатки двух форм напряжений может устройство, создающее повышенное напряжение полупериода частотой 50 Гц.

В первых, такая форма напряжения характерна для большинства амплитуд внутренних перенапряжений, например, поступающих на вводы высоковольтных машин собственных нужд крупных электростанций. Во вторых, анализ большого статистического материала по электрической прочности для разной изоляции электрических машин показал, что во время испытаний таким напряжением изоляция не старится, а эффективность обнаружения дефекта не хуже, чем при испытании повышенным напряжением промышленной частоты. Напряжением полупериода 50 Гц можноиспытывать изоляцию стержней крупных генераторов с номинальным напряжением 23 кВ, при этом не наблюдается перекрытия по лобовой части обмоток, несмотря на то, что амплитуда напряжения в 1,5 - 2 раза выше, чем при испытаниях переменным напряжением. Режим испытания напряжением полупериода 50 Гц устанавливается 50 - 80 полупериодов со скважностью 1 с и с величиной испытательного напряжения согласно таблице 2.2.

Таблица 2.2. Нормы пооперационных испытательных напряжений полупериода 50 Гц

ИСПЫТАНИЯ

Напряжение полупериода 50 Гц

Заводские

1. Стержни (катушки) до укладки

2. То же после укладки их в пазы

3. То же после пайки и изолировки соединений

4. Приемо – сдаточное

Профилактические

1. Послеремонтные

2. Эксплуатационные

1,5 (2,75 U_н + 6,5)

1,3 (2,5 U_н +4,5)

1,3 (2,25 U_н + 4,0)

1,3 (2,0 U_н + 3,0)

1,5 (1,5 – 1,7) U_н

В соответствии с данными табл. 3.2 проводят испытания стержней (катушек), вводимых в эксплуатацию электрических машин, а также находящихся в эксплуатации. Изоляция каждой фазы или ветви испытывается отдельно при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом машины.

Функциональная схема высоковольтногоустройства с напряжением полупериода 50 Гц по рисунку 2.1 может быть выполнена на базе любого высоковольтного испытательного трансформатора типа ИОМ или стационарных испытательных заводских установок повышенного напряжения для контроля изоляции, например, типа АИИ-70. В схеме однофазное переменное напряжении с соблюдением фазности одновременно подается на регулятор напряжения 2 и на блок управления 7. Регулятор 2 меняет напряжение от О до максимального значения, а блок 7 позволяет осуществить задержку входного напряжения частотой 50 Гц. Тиристор З работает в ключевом режиме с углом задержки a= 60^о Управляющий сигнал с блока 7 позволяет плавно менять время между полупериодами (скважность) от долей секунды до нескольких секунд. Тиристор З пропускает в течение 1 мин оптимальное число полупериодов на уровне 50 - 80 положительной (отрицательной) полярности. Высоковольтный трансформатор 1 передает во вторичную цепь испытуемого объекта ИО повышенное напряжение, близкое полупериоду 50 Гц. Осциллограф, подключенный к делителю напряжения ДН, показывает форму напряжения, которая приводится на рисунке 2.2.

Амплитуду испытательного напряжения можно измерить осциллографом или шаровым разрядником ШР. Во время пробоя изоляции, на испытуемом объекте ИО, в первичной цепи обмотки трансформатора 1 растет ток. Для защиты тиристора З и температурной компенсации от возрастающего тока в первичной цепи включен диод 4, а параллельно включенные диод 5 и резистор 6 исключают переходный процесс в обмотке трансформатора 1.

При оценке качества изоляции соблюдается нижеприведенная методика изменения напряжения полупериода 50 Гц на выходе установки.

Напряжение повышается ступенями через 5 кВ до значения пробивного или испытательного напряжения согласно таблице 2.2. При этом на каждой ступени могут быть подан один или 50 - 80 полупериодов напряжения, которые фиксируются счетчиком. Устройство высокого напряжения полупериода 50 Гц представляет интерес для энергосистем, энергоремонтных предприятий и заводов- изготовителей, где проводят электрические испытания высоковольтной изоляции, что позволит, с одной стороны. исключить электрическое старение и сколъзящий разряд во время испытаний изоляции, а с другой
- заменить две формы испытательных напряжений при контроле изоляции электрических машин (переменную 59 Гц и выпрямленную) одной формой – напряжением полупериода 50 Гц.

Неразрушающий метод контроля изоляции

Такой контроль построен на оценке процессов медленной поляризации, которая происходит в изоляции. Изоляция может быть представлена параллельной схемой замещения, приведенной на рисунке 2.3. Первая ветвь ее состоит из емкости С_i (мгновенные поляризации c импульсным током I_i),вторая - из емкости С и сопротивления r (релаксационные поляризации cабсорбционным током I_асб),третья - из сопротивления R, когда протекают токи проводимости I_пр. Суммарная емкость схемы равна

С₀ = С_i+ С,

где С = С₀ - С_i- емкость поляризационных процессов в изоляция, по которой течет абсорбционный ток I_абс= (U/ г) е^-^t^/^T, изменяющийся с постоянной времени Т.

Через емкость С_i протекает импульс тока I_i заряда емкости или токи поляризации, которые считаются мгновенными. Релаксационные поляризация характерны для оценки не только абсорбционных токов, но и токов сквозной проводимости I_пр= U/ R, протекающих через сопротивление Rи обусловленных сквозными путями утечки в изоляции при образовании мостика из влаги. На схеме замещения можно рассмотреть многие из способов контроля изоляции неразрушающим методом. Поляризационные явления, как и каналы сквозной проводимости, связываются в основном с увлажнением изоляции. Поэтому качество изоляции определяется по оценке токов в схеме замещения

Измерение угла диэлектрических потерь

Поляризационные токи, протекающие через диэлектрик. разогревают его, что соответствует потере энергии, называемой диэлектрической. При промышленной частоте такие потери происходят за счет релаксационных поляризаций или токов I_абси I_пр по рисунку 2.3, т.е. активной и емкостной суммарной составляющих токов, а в векторной диаграмме между этими составляющими появится угол d. Отношение тока активного I_а к токуемкостному I_с равно tgd, что является характеристикой диэлектрических потерь в изоляции, которые можно определить из выражения

W = U I cosj = U I tgd.

Поскольку токи сквозной проводимости малы, измерение угла диэлектрических потерь определяется параметрами ветви г C, т.е. угол d является показателем посторонних включений и, в частности, увлажнения изоляции. Величина tgd не зависит от абсолютного значения емкости объекта. а зависит от отношения С₀ / C_i. Поэтому tgd становится универсальным показателем качества изоляции, не зависимым от ее габаритов.

Для малогаборитных объектов емкостью порядка 200-300 пФ (например, вводы трансформаторов тока или внешняя изоляция, различные изоляторы) значение tgd характеризует общее состояние изоляции и может отметить развивающийся местный дефект. Для крупногаборитных объектов емкостью выше 2000 пФ, например, изоляция крупных генераторов. электродвигателей. трансформаторов, кабелей и т.д. значение tgd указывает на увлажнение изоляции, на общее старение, частичное разрушение (микротрещина) и т.п. Такие дефекты в изоляции как весьма развитые металлические включения или мостики повышенyой проводимости, могут быть обнаружены и на постоянном токе.

Величина tgdи сопротивление сквозной проводимости растут с увеличением температуры свыше 40 ос, поэтому эти параметры нормируются при температуре 20 ⁰С. Измерение tgd изоляции осуществляется высоковольтными мостами по схеме Шеринга типа Р-5026 с рабочим напряжением 5 - 10 кВ промышленной частоты.

Измерение емкостных характеристик изоляции

При неизменной температуре и частоте емкость объекта остается постоянной. Если она изменяется скачкообразно, то это крупный развитый дефект в изоляции, такой как хорошо проводящее включение, шунтирующее часть изоляции. Для увлажненной изоляции в крупных объектах оценка емкости может оказаться зависящей от частоты. т.к. C_i, минимальна при W®¥ и минимальна при W¬ 0. С другой стороны, посторонние велючения не влияют практически на емкость С. Изиерение емкости объекта можно вести при двух частотах: низкой С_н и высокой С_в, а отношение С_н / С_в покажет качество изоляции. Для сухой изоляции С_н / С_в = 1,2 – 1,3, а по мере ее увлажнения отношение, измеренное на частотах 2 и 50 Гц, возрастает.

Принципиальная электрическая схема измерения емкости приведена на рисунке 2.4. Переключатель II в левой части заряжает емкость С_х (объект ,изоляции) от источника постоянного напряжения в несколько сотен вольт, а в правой части II разряжает емкость С_х на гальванометр G. Переключение происходит на частотах 2 и 50 Гц (механический вибратор или умформер). Средний ток разрядки емкости изоляции находится как

I = qf = CwUf.

Этот способ измерения получил название «емкость – частота». Измерение абсорбционной емкости возможно и способом «емкость - время», когда измеряется мгновенное значение емкости через 1 мкс и 0,5 - 1 с после приложения зарядного напряжения или после разряда. Таким образом, оценивается в первом случае геометрическая емкость изоляции С, а во втором - абсорбционная емкость (С₀ - С_i). Отношение DС / C_i = (C₀ – C_i) / Cслужи характеристикой изоляции так же как и способе «емкость - частота».

Измерение частичных разрядов из изоляции

Воздушные и газовые включения являются распространенными сосредоточенными -в.дефектами в изоляция. Поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха меньше, чем у диэлектрика, то напряженность поля в газовой полости значительно превосходит среднюю напряженность поля в полости изоляции. Поэтому в газовой полости даже при рабочем напряжении и возникают ионизационные процессы, что называется частичным разрядом. Такой разряд вызывает импульс тока порядка 10^-7 – 10^-8 с, снижение амплитуды рабочего напряжения и распространение в окружающее пространство электромагнитных волн частотой от 10 кГц до 100 МГц. Во внешней электрической цепи такие факторы могут быть обнаружены и измерены путем:- оценки напряжения на объекте; регистрации импульса тока в цепи; оценки интенсивность электромагнитных волн.

Обнаружение колебаний напряжения или тока во внешней электрической цепи осуществляют индикаторы частичных разрядов ИЧР, которые включаются непосредственно в испытательную схему. Наличие частичных разрядов можно обнаружить под рабочим напряжением во время эксплуатации изоляционной конструкции. Для этого применяют высокочастотные дефектоскопы, которые имеют с объектом индуктивную связь через специальный щуп. Ток, проходящий в цепи заземления объекта, наводит в рамке щупа электродвижущую силу, которая измеряется с помощью осциллографа или электронного вольтметра.

Другая разновидность приборов позволяет обнаружить частичный разряд с помощью индикатора радиоизлучения ч.р. ИРИ. При таком способе электромагнитные волны, излучаемые ч.р., воспринимаются с помощью антенны, т.е. четко пеленгуется источник излечения. Однако, при измерении параметра источника излучения возможна ошибка в распознавании того, коронное это явление или частичный разряд в газовой полости, а трудности, связанные с наличием большого количества помех, усложняют расшифровку результата. В последние годы в эксплуатации для контроля качества изоляции широко используют акустический метод, определяющий не только наличие частичного разряда, но и место , где он развивается.

Строение и свойства материалов

2012-10-22T12:46:37Z

Строение и свойства материалов

Прогресс в различных областях науки и техники неразрывно связан с разработкой и промышленным выпуском новых материалов, которые способны не только расширить диапазон применения уже известных приборов и устройств, но и открыть новые области их использования.

Основные задачи материаловедения

Вещество есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул; материал – один из видов вещества, идущего на изготовление изделий. Вещество и поле являются формой существования материи, но, в отличие от поля, вещество обладает массой покоя. Оно характеризуется исключительно химическим составом и массой (реже - объемом) и рассматривается без какой-либо наперед заданной внешней формы; к нему не предъявляются, как правило, специальные требования и по внутренней структуре. Примеры веществ: сталь, медь, кремний, полиэтилен, глинозем. Материал - промежуточный продукт переработки вещества в изделия, отвечающий потребностям конкретного производственного процесса и имеющий сложный химический состав и (или) наперед заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму. Примеры материалов: стальной прокат, медная фольга, монокристалл кремния, полиэтиленовая пленка, корундовая керамика. Другие виды вещества – топлива, химические реактивы. Процесс переработки сырья в изделие можно представить схемой рис. 1.1. Каждая стадия технологического процесса должна удовлетворять необходимым экономическим и экологическим требованиям: обеспечивать высокое качество объекта обработки при минимальной себестоимости, а также возможность безопасной для окружающей среды утилизации отходов.

Схема, приведенная на рис. 1.1, не является универсальной. Можно найти много примеров, когда сырье непосредственно превращается в изделие, минуя стадию материала; так, слюда в качестве диэлектрика конденсаторов используется при самой минимальной модификации сырья. Пленочные углеродные резисторы получают разложением исходных газообразных соединений, т. е. в этом случае цикл изготовления изделия не включает стадии получения материла.

Рис. 1.1. Схема переработки сырья в изделия

Однако приведенное определение имеет ясный смысл и практическое значение: оно требует наилучшего приспособления материала для соответствующего процесса переработки его в изделие, что всегда способствует повышению эффективности производства в целом. Поэтому, как правило, либо в самом наименовании материала, либо непосредственно вслед за ним в ГОСТах и справочниках содержатся указания, для какой цели он предназначен: например инструментальная сталь, припой для пайки радиоаппаратуры, лазерное стекло, кремний для силовых вентилей и т. п.

Содержание материаловедения можно в самом кратком виде отразить формулой: состав – структура – свойства. Поясним, что структура есть характеристика расположения элементарных частиц, способ построения твердого тела. Совокупность влияющих друг на друга и взаимно связанных характеристик материалов – состава и структуры – называют строением.

Важнейшей задачей материаловедения является создание материалов с заданными свойствами путем управления их строением. Однако не менее важная проблема – изучение зависимости свойств от состава и структуры. Именно таким путем идет накопление того огромного объема знаний, который требуется для улучшения качества известных и создания новых материалов.

Материаловедение обладает реальной возможностью активно влиять на прогресс техники – через создание материалов с новыми, экстремальными свойствами. Сейчас среди РЭА таковыми являются материалы для сверхчувствительных датчиков и приемников, сверхбыстродействующих запоминающих сред, мощных лазеров. Достижения в области создания материалов с совершенно новыми или экстремальными свойствами имеют не только экономическое значение, но и престижное, свидетельствуя о высоком уровне развития науки и техники.

Качество материалов

Материалы являются основой РЭА, как и любой другой аппаратуры, и поэтому от них требуется стабильность – сохранение внутреннего строения и внешней формы при изменении условий в заданных пределах в процессе длительной эксплуатации. Такая стабильность, естественно, присуща только твердому агрегатному состоянию, поэтому газы и жидкости рассматривают не как материалы, а как вещества.

Чтобы охарактеризовать материал, вещество и изделия, используют понятия сущность, свойство, параметр, качество.

Сущность (природа) и вещества, и материала – элементарный состав и тип химической связи.

Свойство – способность вещества или материала обнаруживать те или иные имеющие практическую значимость стороны сущности при взаимодействии с другими веществами или с полями. Физико-химическое свойство есть внешнее проявление состава и структуры – черта, характеризующая исключительно данный материал. Численным выражением свойства служит параметр.

Качество – способность изделия выполнять заданные функции. Качество изделия во многом определяется качеством материалов, из которых оно изготовлено.

Понятия качество и сущность нетождественны: качество может включать и несущественные для материала признаки, например внешнюю форму, отделку, окраску и другие требования промышленной эстетики или техники безопасности. Поскольку вещество и изделие разнятся, в частности и по универсальности применений (широкая – для веществ, узкая – для изделий), используются и разные критерии оценки функциональной пригодности: для веществ - исключительно свойства, для изделий – качество. Материал же как промежуточный продукт переработки сырья в изделие характеризуется и качеством, и свойствами. Это создает определенные трудности при оценке материала: для одного из приборов его качество может быть достаточно высоким, а для другого - неудовлетворительным, в зависимости от того, какие свойства оказываются определяющими в том и другом случаях.

В наиболее новых областях науки и техники, к которым относится и радиоэлектроника, основные материалы выполняют сложные функции, и поэтому требования к ним многопараметричны. При выборе материалов для радиоэлектроники принимают во внимание не только электрофизические характеристики, но и физико-механические, химические (например, механическую прочность, твердость, нагревостойкость, холодостойкость, гигроскопичность и др.). Учитывая то, что изделиям радиоэлектроники приходится работать под действием механических нагрузок, в различных климатических условиях, в химически агрессивной среде и т.д., в ряде случаев определяющими факторами при выборе материала могут быть не только и не столько его электрические характеристики, сколько механические (если это установочная деталь); гигроскопичность (при работе в условиях повышенной влажности); нагревостойкость (если воздействует высокая температура) и т.д. Очевидно, что не все параметры одинаково важны и поиск критерия, позволяющего оценить всесторонне эффективность использования именно данного материала, а не какого-либо иного, оказывается трудным.

Во многих случаях главным критерием эффективности можно считать универсальность – применимость для различных целей, работоспособность в широком диапазоне режимов и возмущающих воздействий, некритичность к изменению конструкции аппаратуры.

При выборе материала большое значение имеет и экономическая сторона. Недостаточно выбрать высококачественный материал, свойства которого удовлетворяют всем эксплуатационно-техническим требованиям. Важно, чтобы это был материал отечественного производства, по возможности недорогой, недефицитный и чтобы из него можно было изготавливать детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры с помощью недорогих и несложных технологических процессов.

Классификация материалов

Традиционно материалы, используемые в приборостроении, подразделяются на электротехнические, конструкционные и специального назначения. Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к воздействию электрических и магнитных полей, разрабатываются и производятся для применения в технике. Один из возможных подходов к проблеме классификации свойств материалов иллюстрирует рис. 1.2.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих конкретное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В радиоэлектронике используют и четвертое состояние вещества – плазму, возникающую, в частности, после пробоя газообразных диэлектриков. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

В радиоэлектронике широко применяются материалы как с упорядоченным, так и с неупорядоченным строением. В упорядоченном моно- или поликристаллическом твердом материале наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения атомов (ионов). К неупорядоченным конденсированным материалам относятся такие, которые обладают лишь ближним порядком в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости. В качестве примеров неупорядоченных конденсированных систем отметим жидкости, аморфные и стеклообразные вещества, сильно легированные полупроводники, неупорядоченные полупроводники и металлические сплавы.

Рис. 1.2. Классификация материалов

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы – реже одноатомные (Не, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (N₂, O₂, H₂, CO₂, H₂O, CH₄, C₂H₆ и т.п.). Молекулы газа находятся в хаотическом постоянном движении. Под действием внешних энергетических воздействий часть молекул ионизируется с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок.

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия атомов (ионов), образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Твердые материалы по структуре могут быть упорядоченными (моно- и поликристаллическими), неупорядоченными (аморфными и стеклообразными) и смешанными.

Монокристаллы – это однородные, анизотропные тела, которые характеризуются как ближним, так и дальним порядком в расположении структурных единиц (атомов, ионов) во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек. Монокристаллы полупроводниковых материалов являются основой для изготовления интегральных схем.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. Поликристаллы характеризуются наличием как ближнего, так и дальнего порядка в расположении структурных единиц в пределах кристаллического зерна. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические тела обычно изотропны. Однако если в ориентации кристалла создать упорядоченность (например, механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие тела с искусственно созданной анизотропией называются текстурами.

В неупорядоченных (аморфных и стеклообразных) телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность физических свойств. Стеклообразные материалы – это затвердевшие жидкости, которые образуются с понижением температуры при сравнительно быстром охлаждении (повышении вязкости), затрудняющем перемещение атомов (ионов), необходимое для формирования и роста кристаллов. К стеклообразным материалам относятся стекла и смолы. Аморфная структура может наблюдаться после разупорядочения (аморфизации) кристаллического материала, например после его облучения ускоренными тяжелыми ионами. Такая операция называется ионной имплантацией и применяется для введения примесей в полупроводниковые монокристаллические подложки.

Смешанные (стеклокристаллические) материалы – частично закристаллизованные неупорядоченные системы. Они состоят из структурных областей как с ближним, так и с дальним порядком. Частично кристаллическую структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинает кристаллизоваться; благодаря образующимся мелким кристаллам оно теряет прозрачность, превращаясь в стеклокристаллический материал – ситалл.

Химические связи между атомами вещества делят на ионные, атомные (или ковалентные), металлические и молекулярные. Материалы, полученные из веществ с разными связями, сильно различаются по своим электрическим и другим свойствами.

Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков, например Na⁺- Сl^-, Li⁺ - F^-.

Атомные (ковалентные) связи возникают между атомами путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер - она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с атомными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Д. И. Менделеева - SiC, BN. Атомные связи характерны и для молекул таких газов, как Н₂, О₂, N₂, а также молекул многих органических соединений — полиэтилена (С₂Н₄)_n, политетрафторэтилена (С₂F₄)_n и др. (связи между отдельными молекулами этих соединений — молекулярные).

Металлические связи — это связи положительно заряженных ионов металла, образуемые отданными атомами коллективизированными валентными электронами. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов.

Молекулярные связи ( Ван-дер-Вальса) существуют в ряде веществ между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. Межмолекулярные силы складываются из трех различных типов взаимодействия: ориентационного (эффект Кеезома), индукционного (эффект Дебая) и дисперсионного (эффект Лондона). При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются больше сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Молекулярные связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде (Н₂), азоте (N₂), углекислом газе (СО₂), во многих органических соединениях – полиэтилене, политетрафторэтилене и т.д. Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения.

Особым видом молекулярной связи является водородная связь, осуществляемая через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами (О^{- -}, F^-, Cl^-) соседних молекул. Водородная связь имеется в воде Н₂О и некоторых органических соединениях, а также в кристаллах типа КН₂РО₄.

По характеру взаимодействия с магнитным полем электротехнические материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные.

Особенности взаимодействия электрорадиоматериалов с электрическим полем лежат в основе их деления на диэлектрики, полупроводники и проводники и рассматриваются в соответствующих разделах настоящего учебного пособия.

Свойства материалов подразделяются на функциональные (служебные), технологические (способность к обработке) и потребительские.

Функциональные свойства материалов можно разделить на механические, химические и физические. Это деление условно, поскольку механика – также раздел физики. Под механическими свойствами подразумевается поведение материала, находящегося под различного рода нагрузками. Под термином “физические свойства” понимается поведение материалов под разного вида воздействиями, включая нагревание, электричество, магнетизм, свет, звук, радиацию.

К технологическим свойствам материалов относятся деформируемость, адгезионная способность, свариваемость, паяемость и др. Среди потребительских свойств материалов наиболее важное значение имеют экономические, экологические, эстетические и др.

Подчеркнем, что свойствами материалов можно управлять путем изменения их состава и структуры.

При конкретном использовании материалов решающее значение имеют вполне определенные свойства или их комбинация. Например, в магнитных устройствах важную роль играет способность материалов усиливать и трансформировать энергию магнитного поля; в устройствах, работающих в электрическом поле, – проводимость, поляризация и другие свойства; в режущих инструментах – твердость и т.д. Общим требованием, предъявляемым ко всем материалам, является их экономичность.

Механические свойства

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям – жесткостью. Количественной мерой деформации являются относительное увеличение или уменьшение размеров.

Механические свойства проводников характеризуются пределами прочности при растяжении (s_р, Мпа), сжатии (s_с, Мпа), изгибе и кручении; относительным удлинением перед разрывом (Q, %) и хрупкостью. Твердость материала обычно оценивается по шкале Бриннеля (НВ, Мпа). Кроме указанных, для неметаллических материалов должны рассматриваться такие механические свойства, как упругость, текучесть и вязкость [1-3].

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил не разрушаясь. Прочность оценивается для большинства материалов величиной предела прочности при растяжении: , где Р – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается; F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца материала в квадратных метрах (м²). Таким образом, значение s_р определяется в Па или МПа.

Показатель прочности и удлинения при растяжении широко используется при оценке механических свойств металлов, пластмасс, резины, тканей, нитей и др.

Для некоторых материалов, например для чугуна, стекла, имеющих сравнительно низкую прочность на растяжение, применяют показатель прочности на сжатие, измеряемый аналогичными показателями. Так, например, прочность пластмасс и стекла на сжатие в 15-20 раз больше, чем на растяжение, и сопоставима с прочностью на растяжение стали (до 100 Мпа).

Твердость – это способность материалов сопротивляться вдавливанию в них какого-либо тела. Этот показатель имеет особое значение для металлов. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бриннеля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно НВ и HRC. По Бриннелю определяют твердость сырых (термически не обработанных) металлов, по Роквеллу – твердых закаленных изделий, например режущих инструментов.

Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Высокой упругостью, например, должна обладать сталь для различных пружинящих инструментов.

Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его первоначального поперечного сечения называется пределом упругости. Таким образом, предел упругости s_у измеряется так же, как и предел прочности (в МПа). Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Изменение деформации во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью. Если после снятия нагрузки по истечении некоторого времени деформация исчезает полностью, то такое последействие называется упругим.

При воздействии циклических нагрузок на материалы и конструкции разрушение может наступить при напряжениях, меньших предела упругости.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. При циклически изменяющихся напряжениях прочность материала характеризуют пределом выносливости – наибольшим напряжением, при котором образец не разрушается при любом большом числе циклов. Величина предела выносливости зависит как от свойств материала, так и от характера изменения напряжений во времени, от состояния поверхности элемента конструкции и наличия в ней концентраторов напряжений.

Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями строения материала. При этом структурные неоднородности и местные неравномерности в распределении внутренних сил являются определяющими. С ростом внешних сил число очагов пластической деформации и микротрещин возрастает. В предельном состоянии этот процесс приобретает лавинообразный характер. Усталостное разрушение представляет собой процесс, состоящий из двух фаз. Первая фаза – образование заметной микротрещины, вторая – развитие микротрещины и разрушение образца.

Жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться образованию деформаций. Устойчивость – способность конструкции противостоять воздействиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.

Вязкость – это способность материалов не разрушаться при действии на них ударных нагрузок. Вязкость характеризует скорость процесса деформации материала под действием растягивающей силы. Вязкость также определяется как свойство твердых тел необратимо превращать теплоту в механическую энергию, сообщенную телу в процессе его деформации.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам; определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м²) в месте надреза.

Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом.

Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения.

Вязкость жидкостей и газов – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Динамическая вязкость – количественная характеристика сопротивления жидкости или газа смещению одного слоя относительно другого. Единица измерения динамической вязкости МПа'с. Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Единица измерения кинематической вязкости мм²/с.

Пластичность – это способность материалов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение. При нагревании пластичность металлов, стекла, ряда пластмасс возрастает, а прочность уменьшается. Эти свойства материалов используют для придания им нужной формы методами ковки, прессования, штамповки, прокатки.

Хрупкость – это способность материалов под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться. Хрупкость – свойство, противоположное пластичности. Хрупкими являются стекло, чугун, некоторые пластмассы, например полистирол. Для хрупких материалов величина удлинения перед разрывом не превышает 2-5 %, а иногда измеряется долями процента. Большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузки – свойство пластичности.

Ряд неметаллических материалов, таких как резина, пластмассы, имеет склонность к старению, т.е. к изменению (снижению) прочности с течением времени под влиянием различных факторов внешней среды. Так, под воздействием солнечной радиации, озона, изменения температуры ускоряется процесс ухудшения механических свойств резины и ряда пластмасс. Старение металлов и сплавов происходит в течение гораздо более длительного времени и обусловлено особенностями взаимодействия с окружающей средой. Несомненно, механические свойства материалов важны при использовании их в любой конструкции.

Химические и электрические свойства

Химические свойства определяются химическим составом материала. Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства материалов широко используются при оценке их свойств. Значение химического состава дает возможность судить о ряде свойств материала и его устойчивости к различным воздействиям. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей; повышенное содержание серы и фосфора превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению материал; химические свойства стекла полностью определяются его составом.

Химостойкость – это стойкость материала к взаимодействию с различными химически активными веществами. Для металлов большое значение имеет коррозионная стойкость. При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к тем, в которых они должны реально выполнять свои функции, или еще более суровые с точки зрения концентрации химической активности среды, температуры и т.д. [2]. После этого определяют изменение структуры внешнего вида образцов, их массы и т. д.

Электрические свойства

Уравнения Максвелла устанавливают зависимость четырех основных характеристик электромагнитного поля (ЭМП) (векторов ) от электрических и магнитных параметров среды (s, e, m), в которой существует поле. Здесь s – удельная электропроводность, e – диэлектрическая проницаемость, m – магнитная проницаемость этой среды.

Под действием электромагнитного поля в любом веществе происходит перемещение свободных зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов все материалы подразделяются на проводники и непроводники (полупроводники и диэлектрики).

При воздействии электромагнитного поля на твердый проводник приходят в движение свободные носители заряда – электроны, покидая пределы атомов и молекул, которым они принадлежат. Такое явление называется электропроводностью. Разобщенные заряды разных знаков (электроны и ионы) полностью экранируют внутренний объем проводника от внешнего поля, поэтому внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Явление смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние, как правило сопоставимое с межатомным, называется поляризацией. Смещение связанных зарядов под действием электрического поля характерно для диэлектриков, т.е. материалов с низкой концентрацией свободных носителей заряда. В этом случае внешнее электрическое поле не приводит к пространственному (макроскопическому) разделению разноименных зарядов, поэтому в единице объема диэлектрика сохраняется электронейтральность. Диэлектрик ведет себя подобно электрическому диполю с разноименно заряженными полюсами (поверхностями), при этом внешнее поле экранируется, но не полностью, а лишь частично. Поляризация диэлектрика создает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему.

Электрические свойства материалов наиболее полно раскрывают их природу и сущность. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием приложенного постоянного электрического напряжения. Электрический ток – это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов в пространстве. При отсутствии электрического поля тепловое движение носителей заряда является хаотическим.

Если в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, то плотность тока j, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к напряженности электрического поля , равна:

, (1.1)

где q – заряд, Кл; n – число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда (концентрация носителей, м^-3); u – средняя скорость упорядоченного движения носителей (дрейфовая скорость), возникшего под действием электрического поля, м/с. Обычно эта скорость пропорциональна напряженности поля e:

, (1.2)

где m – коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью свободных носителей заряда, м²/(В'с), см²/(В'с).

С учетом (1.2) уравнение (1.1) можно представить в виде

j = se = e/r, (1.3)

где s = qnm – удельная электрическая проводимость, См/м; r = 1/s – удельное электрическое сопротивление, Ом'м.

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда разных видов, удельная проводимость представляет собой сумму отдельных составляющих электропроводности:

s = 5_q_i_n_im_I, (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей заряда.

Уравнение (1.3) выражает закон Ома в дифференциальной форме. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. являются количественными параметрами электропроводности вещества.

Параметры s или r определяют также рассеяние электрической энергии в веществе при постоянном поле. Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме имеет вид

E = se² = e²/r, (1.5)

где Е – энергия электрического поля с напряженностью e, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице объема вещества, т.е. удельная мощность, Вт/м³.

Значения r и s разных материалов как естественного, так и искусственного (синтетического) происхождения находятся в широком диапазоне. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности. Значения r твердых веществ охватывают 25 порядков: от r ~10^-8 Ом'м для лучших металлических проводников (серебро, медь) до r ~10¹⁷ Ом'м для лучших диэлектриков (кварц, фторопласт-4).

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10^-5 Ом'м, к диэлектрикам – с r более 10⁷ Ом'м; удельное сопротивление полупроводников составляет 10^-6 - 10⁹ Ом'м [3]. Как следует из (1.4), величина электропроводности материала зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей в одном и том же материале может меняться в тысячи раз, но наиболее характерны ее значения: для металлов – десятки, для кристаллических полупроводников – тысячи см²/(В'с). Подвижность ионов, которые являются преобладающими носителями заряда в диэлектриках, гораздо ниже: m = 10^-7 - 10^-2 см²/(В'с).

При классификации материалов по электрическим свойствам, кроме значения r, необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда, зависимость электропроводности от температуры [1–4].

Кратко остановимся на основных технических применениях проводников, полупроводников и диэлектриков.

Проводниковые материалы предназначены для проведения электрического тока. К ним также относятся, с одной стороны, сверх- и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление которых при низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой – материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходимо управление проводимостью материала (или прибора) с помощью электрического напряжения, температуры, освещенности и др. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, свето- и фоторезисторы, другие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Диэлектрические материалы как вещества с высоким удельным сопротивлением применяют в качестве электроизоляционных, которые препятствуют прохождению тока нежелательными путями. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания необходимой электрической емкости.

Магнитные свойства

Все вещества в природе являются магнетиками, т.е. обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств изолированных элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп.

Магнитные свойства атома в основном определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. Так, магнитный момент атомного ядра приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома. Магнитный момент электрона возникает вследствие движения электрона по орбите (орбитальный момент) и наличия у него спина (спиновый момент). Магнитный момент многоэлектронного атома представляет собой сумму магнитных моментов всех электронов, включая как орбитальные моменты, так и спиновые. Каждый электрон вносит в полный магнитный момент атома независимый векторный вклад.

В соответствии с современными представлениями о магнетизме различают следующие основные типы магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Вещества, в которых проявляются эти явления, соответственно называют: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Схематическое расположение моментов электронов атомов разных по магнитным свойствам веществ иллюстрируется рис. 1.3.

К основным магнитным величинам относятся: намагниченность М, А/м, М = k, где k – магнитная восприимчивость, – напряженность магнитного поля, А/м. Магнитная индукция В, Тл, характеризует суммарное магнитное поле внутри материала:

, (1.6)

где m₀ – магнитная постоянная, численно равная 4p'10^-7 Гн/м, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; m – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума (величина безразмерная); m_а = m₀m – абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м.

Рис. 1.3. Схематическое расположение спинов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных (г) веществах. Диамагнетикам свойственна полная взаимная компенсация магнитных моментов атомов

Вектор напряженности магнитного поля является характеристикой источников магнитного поля, т.е. определяется тем, в каком количестве и каким образом движутся в пространстве электрические заряды. – вектор магнитной индукции, аналог вектора напряженности электрического поля служит характеристикой силовых воздействий магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Эти силы определяются не только вектором , но и магнитными свойствами среды (m). Вектор направлен по касательной к соответствующей силовой линии магнитного поля.

Отдельные классы магнетиков различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости, а также по характеру зависимости магнитных характеристик от температуры и напряженности магнитного поля.

Диамагнетики

Диамагнетиками называют вещества, в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Физическая природа диамагнетизма основана на классическом представлении об атоме как системе электронов, движущихся вокруг ядра по определенным замкнутым траекториям-орбитам с некоторой угловой скоростью.

Если на атом накладывается медленно меняющееся магнитное поле, то эта угловая скорость меняется, а радиус орбиты остается неизменным. Изменение угловой скорости приводит к возникновению магнитного момента величиной

, (1.7)

где e – заряд электрона; m – его масса, r – радиус электронной орбиты, – напряженность магнитного поля, приложенного перпендикулярно к плоскости орбиты. Атомная магнитная восприимчивость k, рассчитанная по(1.6), (1.7), имеет порядок k – (10^-6 - 10^-5), т.е. соответствует величине, измеряемой экспериментально для диамагнитных твердых тел, и не зависит от температуры. Магнитная проницаемость диамагнетиков m _ 0,99999 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Изменение угловой скорости электрона, связанное с наложением магнитного поля, всегда обусловливает отрицательную восприимчивость. Атом с циркулирующим в нем электроном ведет себя подобно индуктивности, в которой в соответствии с правилом Ленца возникла э.д.с. противоположного знака. Таким образом, во всем объеме твердого тела возникают индуцированные внешним магнитным полем незатухающие микроскопические вихревые токи, обусловленные прецессией электронных орбит. Направление индуцированных магнитных моментов всегда противоположно направлению внешнего магнитного поля, поэтому диамагнетики отличаются тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Диамагнетизм является результатом прецессии всех электронов атомов и молекул, поэтому присущ всем веществам, но проявляется только в том случае, если не перекрывается более сильными пара- и ферромагнетизмом.

Одной из причин преобладающего диамагнетизма ряда металлов являются большое число электронных орбит в атомах и большие радиусы этих орбит.

К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Mg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др..

Диамагнетизм не имеет простого практического применения. К числу наиболее интересных диамагнетиков относятся сверхпроводники. Они обладают бесконечно большой диамагнитной восприимчивостью – свойством, которое чрезвычайно полезно при конструировании сверхпроводящих магнитов.

Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов – элементарными магнитными диполями – мало, в результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов располагаются статистически равновероятно относительно любого направления и суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения элементарных магнитных моментов, т.е. тело оказывается намагниченным, однако при обычных полях и температурах намагниченность парамагнетиков очень мала. Магнитная восприимчивость их положительна и имеет значение k ~ 10^-5 - 10^-2, относительная магнитная проницаемость m _ 1,001.

Проявлением парамагнетизма является независимая ориентация магнитных моментов атомов и ионов под действием внешнего магнитного поля. Так как моменты ориентируются в направлении поля и тем самым увеличивают его, восприимчивость k больше нуля.

Парамагнетизм характеризуется двумя независимыми факторами. Один из них – температурная зависимость суммарной намагниченности всего образца, другой – природа самих магнитных моментов атомов.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость магнитной восприимчивости характеризуется законом Кюри, установленным экспериментально в 1895 г.:

k = С/Т, (1.8)

где С – постоянная Кюри, Т – температура, К.

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием между элементарными носителями магнетизма (молекулярным полем) пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри–Вейсса:

k = С/(Т - D), (1.9)

где D – постоянная Вейсса, различная для разных веществ (может быть и больше, и меньше нуля).

На рис. 1.4,а показана зависимость намагниченности М(Н) для диа- и парамагнетиков при слабых полях и при обычных или высоких температурах. В обоих случаях значение М пропорционально Н, что свидетельствует о независимости k от Н. Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (рис. 1.4,б), т.е. до состояния, когда все элементарные магнитные моменты будут параллельны внешнему полю, требуется при комнатной температуре поле напряженностью примерно 10¹¹ А/м, а при Т = 1 К – 3'10⁵ А/м. Однако в последние годы выяснилось, что в парамагнетиках можно создать высокую намагниченность, не прибегая к сильным магнитным полям, а используя поток квантов света (оптическую накачку).

С повышением температуры при неизменной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает. Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Поскольку все заполненные оболочки имеют нулевой полный момент количества движения, они обладают также нулевым полным магнитным моментом. В частности, атомы или ионы, обладающие только заполненными оболочками, не имеют постоянных магнитных моментов и, следовательно, не могут быть парамагнитными. Никаких исключений из этого правила не обнаружено. Инертные газы He, Ar, Kr и т.д. и такие ионы, как Na⁺ и Сl^-, диамагнитны. Диамагнитны также и многие газы, такие как Н₂ и др., поскольку все электроны в их молекулах спарены. Свободные атомы других веществ обнаруживают парамагнетизм, если у них имеются неспаренные спины или нескомпенсированный момент количества движения.

Рис. 1.4. Зависимость намагниченности М от напряженности магнитного поля Н: а – для диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2); б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pb и др.

Парамагнетизм в атомах или ионах не существует в одиночку: одновременно с ним всегда имеют место и диамагнитные свойства. Поскольку оба эти эффекта противоположны друг другу по знаку, суммарные магнитные свойства материала определяются наибольшим из них. У большинства материалов величина парамагнитной восприимчивости значительно больше диамагнитной, т.е. парамагнетизм обычно преобладает над диамагнетизмом.

Парамагнитные вещества используются в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.

Ферромагнетики

Ферромагнетиками называют вещества, характеризующиеся намагничиванием недостроенных внутренних оболочек атомов, поскольку магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны металла обобществлены. Такими элементами являются переходные металлы группы железа, имеющие недостроенную 3d-оболочку, и редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой. Наличие магнитного момента у атомов обусловлено только нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами, поскольку орбитальные магнитные моменты весьма малы. Для ферромагнетиков в отсутствие внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение магнитных моментов соседних атомов внутри домена.

При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле одновременно происходят процессы ориентации магнитных моментов доменов и смещение их границ (изменение объема). В слабом поле преобладает процесс обратимого смещения границ, т.е. рост объема доменов, у которых магнитный момент, направленный вдоль оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением внешнего поля. При усилении поля процесс идет более интенсивно и приобретает необратимый характер, кривая намагничивания В(Н) становится круче (рис. 1.5). При дальнейшем увеличении напряженности поля осуществляется процесс вращения вектора намагниченности в направлении внешнего поля и магнитное состояние материала достигает технического насыщения.

В переменных магнитных полях магнитное состояние образца периодически повторяется и его магнитная индукция зависит от величины намагничивающего поля, направления и частоты его изменения. Форма петли гистерезиса при неизменной частоте зависит от предельных значений напряженности поля. Семейство таких симметричных петель изображено на рис. 1.5. Сплошная кривая, проходящая по вершинам петель, называется нормальной или основной кривой индукции.

Рис. 1.5. Основная кривая намагничивания и семейство гистерезисных
циклов

Причинами гистерезиса являются необратимые смещения границ доменов, необратимые процессы вращения и задержка роста зародышей перемагничивания, под которыми понимают небольшие объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной ориентации намагниченности образца. Ферромагнетики характеризуются большими положительными значениями k и m (до сотен тысяч и миллионов), а также сложной нелинейной зависимостью этих параметров от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 1.6,а).

Рис. 1.6. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (а) и температуры (б)

При температурах выше точки Кюри Т_к, определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 1.6,б) вследствие того, что хаотическое тепловое движение атомов нарушает параллельную ориентацию их магнитных моментов и, следовательно, доменное строение ферромагнетика. Точка Кюри чистого железа составляет 768 °С, никеля – 631 °С, кобальта – 1404 °С .

Антиферромагнетики

Антиферромагнетики – это вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, поэтому имеет место их взаимная компенсация. Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала и составляет k _10^-5 - 10^-3. В слабых полях k (и m) практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в сильных является сложной функцией напряженности поля. В некоторой степени свойства антиферромагнетиков схожи со свойствами парамагнетиков. Пара- и антиферроманитные вещества объединяют положительная магнитная восприимчивость и компенсация магнитных моментов атомов. Различие заключается в том, что спиновые моменты парамагнетиков ориентированы хаотически, а антиферромагнетиков – параллельно друг другу.

По мере повышения температуры от 0 К k растет, достигая максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает уменьшаться, подчиняясь на этом участке закону Кюри–Вейсса.

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы – Ce, Pr, Nd, Sm и Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, сульфиды, карбонаты переходных элементов, например на основе марганца: MnO, MnCl₂, MnF₂, MnS₂ и др., аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr и др.

Ферримагнетиками (или нескомпенсированными антиферромагнетиками) называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, однако величины этих магнитных моментов имеют различные значения, благодаря чему результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты, представляющие собой магнитную керамику, состоящую из смеси окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. Структурная формула ферритов MeO'Fe₂O₃, где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и др.) Многие свойства ферримагнетиков качественно аналогичны свойствам ферромагнетиков, однако имеются и существенные различия.

Например, ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость основных магнитных параметров.

Преимущества ферритов при работе в ВЧ- и СВЧ-диапазонах обусловлены тем, что их удельное электрическое сопротивление в 10⁶ - 10¹¹ раз превышает удельное сопротивление металлических ферромагнетиков, так как они являются оксидными материалами, а не металлами. По значению удельного электрического сопротивления r они относятся к классу полупроводников или диэлектриков. Вследствие этого вихревые токи (и соответствующая мощность магнитных потерь) в ферритах очень малы и они применяются в качестве магнитного материала при частотах до сотен мегагерц, тогда как металлические магнитные материалы применяются при частотах до нескольких десятков мегагерц.

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость ферримагнетиков ниже, чем у ферромагнетиков, и достигают значений нескольких десятков тысяч.

Диа-, пара- и антиферромагнетики объединяются в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных (см. рис. 1.2).

Стойкость материалов к различным воздействиям

Весьма важной является способность материала сохранять свои функциональные свойства при воздействии разных факторов внешней среды.

Среди тепловых свойств материалов отметим теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, холодостойкость, термостабильность, стойкость к термоударам . Как правило, материалы, имеющие высокую теплопроводность и прочность (металлы), обладают и высокой стойкостью к термоударам. Среди неметаллов этими свойствами обладают кварцевое стекло, стекло марки “Сиал” и бериллиевая керамика – брокерит, имеющая очень высокую теплопроводность .

Влажностные свойства материалов характеризуются гигроскопичностью, т.е. способностью сорбировать влагу из окружающей среды, и влагопроницаемостью, т.е. способностью пропускать влагу. Гидрофильность – это способность материала смачиваться водой. Гидрофобность – неспособность материала смачиваться водой. Гидрофобные материалы (многие металлы, некоторые полимеры) называют также водоотталкивающими.

Растворимость материалов оценивается их стойкостью к действию различных жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются. Растворимость определяется количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, или по концентрации насыщенного раствора .

Светостойкость проявляется в отсутствии изменения функциональных свойств материала под действием световых и особенно ультрафиолетовых лучей, которые вызывают различные химические реакции и старение ряда органических материалов (резина, капрон). Под действием светового облучения некоторые материалы теряют механическую прочность и эластичность, в результате чего в них появляются трещины .

Радиационная стойкость характеризует способность материала функционировать, не теряя основных свойств, в условиях облучения или после радиационного воздействия. Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма), электроны высоких энергий, тяжелые заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая различного рода радиационные дефекты, приводящие к изменению свойств материалов. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади вещества и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик, например нейтрон/м².

Полупроводниковые материалы и приборы заметно повреждаются реакторным излучением дозой в 10¹⁸ нейтрон/м². Многие диэлектрики обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдерживая дозы до 10²² нейтрон/м².

В ряде случаев радиационное воздействие на материалы вызывает полезные изменения структуры, придает им новые свойства (радиационная сшивка полимеров, ионное легирование полупроводников и др.).

Диэлектрические материалы

2012-10-22T12:48:47Z

Диэлектрические материалы

Электропроводность диэлектриков

Основными свойствами, определяющими применение диэлектриков в электро- и радиотехнической аппаратуре, являются их изолирующие качества, а также способность создавать электрическую емкость за счет существования внутреннего электрического поля, то есть поляризации.

Для выполнения функции электрической изоляции диэлектрические материалы должны препятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательными для работы прибора. С этой точки зрения основной характеристикой диэлектриков является величина удельной электропроводности или удельного сопротивления.

Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является то, что ввиду их большого удельного сопротивления ток через объем диэлектрика сравним с током по поверхности (рис. 2.1), поэтому общий ток изоляции

I = I_v + I_s. (2.1)

При характеристике диэлектрика различают объемную и поверхностную удельные электропроводности (s_v и s_s). Величины, обратные электропроводности, – удельные объемное и поверхностное сопротивления (r_v и r_s).

Удельным объемным сопротивлением (r_v) называют сопротивление куба диэлектрика с ребром, равным единице длины, если ток протекает через две противоположные грани. Значение r_v большинства диэлектриков находится в пределах 10⁶ - 10¹⁶Ом×м.

Рис. 2.1. Виды электрического тока в образце диэлектрика после
приложения электрического поля

Удельным поверхностным сопротивлением (r_s) называют сопротивление квадрата поверхности диэлектрика с любой стороной, если ток протекает через две противоположные стороны. Значение удельного поверхностного сопротивления, как правило, на порядок выше объемного, т.е. 10⁷ - 10¹⁷ Ом, но оно в сильной степени зависит от величины и состояния поверхности (наличия влаги, проводящих веществ) и не является характеристикой материала.

Сопротивление изоляции диэлектрика определяется как результирующее двух сопротивлений (R_v и R_S), включенных параллельно:

. (2.2)

Для диэлектрика с сечением S и толщиной h объемное сопротивление определяется как

, (2.3)

откуда можно определить r_v.

Другой характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 2.2), после включения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис. 2.1). С течением времени ток достигает некоторой постоянной величины, называемой током сквозной проводимости (I_скв). Величина I_скв определяется наличием в диэлектрике свободных носителей заряда. Спадающая часть тока называется током абсорбции I_абс (рис. 2.1 и 2.2), обусловленным наличием в диэлектрике замедленных видов поляризации.

Рис. 2.2. Зависимость тока в диэлектрике от времени приложения
электрического поля

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить. Для этого образец выдерживают под напряжением некоторое время, в течение которого завершаются процессы поляризации (обычно одну минуту). Объемное сопротивление в этом случае определяется по формуле

. (2.4)

Электропроводность диэлектриков определяется зарядом свободных носителей (q), их концентрацией (n), подвижностью (m) и чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны DЕ в диэлектриках велика и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки (особенно примесные) и под действием тепловой энергии становятся свободными. Например, в кристалле NaCl DE = 6 эВ, и, несмотря на то, что подвижность иона меньше подвижности электрона, ионная электропроводность больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов.

Удельная электропроводность твердых диэлектриков увеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону:

~, (2.5)

где W₀ – энергия активации ионной проводимости.

Однако эта зависимость определяется не температурной зависимостью концентрации носителей, а ростом подвижности. Это связано с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и их движение осуществляется путем перескока с ловушки на ловушку, разделенные потенциальным барьером высотой W₀, соответствующим энергии активации ионов (так называемая прыжковая проводимость).

В качестве ловушек для ионов могут выступать различные дефекты структуры, например вакансии, характеризующиеся незавершенными химическими связями вследствие отсутствия атома на “положенном” месте в структуре. Вероятность таких перескоков под действием тепловой энергии прямо пропорциональна exp(W₀/kT) (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Модель ионной проводимости твердых диэлектриков: а – без внешнего поля; б – понижение потенциального барьера W₀ на величину qex при наложении электрического поля напряженностью e (W₁ – глубина междоузельной потенциальной ямы)

В широком диапазоне температур зависимость lns = f(1/T) состоит из двух прямолинейных участков (рис. 2.4) с различными углами наклона к оси абсцисс. При температуре выше точки перегиба А электропроводность определяется в основном собственными ионами (собственная электропроводность). Ниже перегиба, в низкотемпературной области, зависимость более пологая и определяется наличием в диэлектрике ионов примеси (примесная электропроводность). По углам наклона участков прямых зависимости lns = f(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Рис. 2.4. Температурная зависимость электропроводности диэлектриков

Некоторые твердые диэлектрики, особенно в области высоких температур, обладают электронной или дырочной проводимостью (титаносодержащие керамические материалы). Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей.

Поляризация диэлектриков

Фундаментальное явление, определяющее возможность использования диэлектрика для создания емкости конденсаторов электронной аппаратуры, – поляризация.

Электрическая поляризация при воздействии электрического поля проявляется в ограниченном упругом смещении связанных зарядов, ориентации дипольных молекул, в результате чего некоторый объем или поверхность диэлектрика приобретают электрический момент. После снятия электрического поля связанные заряды возвращаются в первоначальное состояние.

Для сравнения диэлектриков, имеющих различную степень поляризации, пользуются понятием относительной диэлектрической проницаемости e. Эта величина представляет собой отношение заряда Q конденсатора с конкретным диэлектриком к заряду Q₀ конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, между обкладками которого находится вакуум:

, (2.6)

e – величина безразмерная и всегда больше единицы, поскольку реальные диэлектрики, в отличие от вакуума, всегда содержат электрические заряды.

Диэлектрики делятся на два класса: полярные и неполярные. У молекул неполярных веществ центры тяжести суммарных положительных и отрицательных зарядов совпадают. Молекулы полярных материалов имеют вид электрических диполей, способных ориентироваться в электрическом поле.

Все виды поляризации делятся на две группы: мгновеннные и релаксационные. Мгновенная поляризация (электронная, ионная) происходит практически без потерь энергии. Замедленная поляризация (электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная, структурная, спонтанная) сопровождается потерями электрической энергии.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10^-15 с), процесс происходит практически без потерь энергии. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков без исключения, поскольку у всех диэлектриков имеются электроны, находящиеся в связанном состоянии.

Ионная поляризация характерна для твердых диэлектриков с ионным строением (слюда, корунд, каменная соль) и проявляется в упругом смещении связанных ионов под действием электрического поля. При этом смещение ионов происходит на расстояния, меньшие постоянной кристаллической решетки (минимального расстояния между одинаковыми ионами). Время установления поляризации около 10^-13 с, потерь энергии не происходит.

Электронно- и ионно-релаксационная поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями. Электронно-релаксационная поляризация возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Ионно-релаксационная поляризация характерна для материалов ионного строения с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом виде поляризации слабо связанные ионы под действием поля перемещаются на одно или несколько атомных расстояний и закрепляются в новом положении, что создает асимметрию распределения зарядов и, следовательно, электрический момент единицы объема. Время релаксации составляет 10^-11 - 10^-8 с.

Дипольно-релаксационная поляризация обычно наблюдается в полярных органических диэлектриках (полиметилметакрилат, поливинилхлорид и т.д.) и заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп под действием электрического поля. Этот вид поляризации сопровождается потерями энергии. Чем ниже температура и крупнее диполи, тем больше время релаксации, изменяющееся в пределах 10^-10 - 10^-6 с.

Структурная (междуслойная, миграционная) поляризация обусловлена движением свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов, электронов) и их закреплением на дефектах и поверхностях раздела различных компонентов электроизоляционного материала. Этот вид поляризации наблюдается в неоднородных диэлектриках (композиционные пластмассы, гетинаксы, текстолиты, керамика и т.д.), компоненты которых обладают разными электрическими свойствами. Время релаксации может достигать десятков минут, поляризация сопровождается диэлектрическими потерями.

Рассмотренные выше механизмы поляризации свойственны так называемым линейным диэлектрикам, зависимость заряда (поляризованности) которых от напряженности электрического поля является линейной функцией, а величена e от поля не зависит. Особую группу диэлектриков, называемых нелинейными или активными, составляют сегнетоэлектрики, которые обладают самопроизвольной или спонтанной поляризацией.

При температуре, характерной для материала и называемой точкой Кюри, отдельные элементарные ячейки кристалла сегнетоэлектрика приобретают дипольный электрический момент за счет смещения катиона к аниону, то есть создания несимметричного распределения разноименных зарядов. Совокупность соседних элементарных ячеек представляет собой область с разделенными положительным и отрицательным зарядами, то есть обладающую внутренним дипольным электрическим моментом. Такие области имеют размер ~ 0,1-1 мм³и называются доменами. Таким образом, при определенных условиях материал оказывается спонтанно (самопроизвольно) поляризованным.

До воздействия внешнего электрического поля направления дипольных моментов отдельных доменных областей хаотичны и их сумма равна нулю, поэтому сегнетоэлектрик в целом нейтрален, неполяризован. Под действием внешнего электрического поля в сегнетоэлектрике происходят процессы смещения границ доменов, ориентации векторов электрических моментов доменов преимущественно в направлении внешнего поля, то есть усиливается поляризованность. Зависимость заряда (поляризованности) сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля имеет нелинейный характер и в переменном поле представляет собой петлю диэлектрического гистерезиса. Поэтому при спонтанной поляризации и относительная диэлектрическая проницаемость материала нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость e сегнетоэлектрика от напряженности
электрического поля

Спонтанная поляризация сопровождается диэлектрическими потерями, при этом площадь петли диэлектрического гистерезиса пропорциональна мощности потерь.

Характер зависимости e(T) конкретного диэлектрика обусловлен преобладающим видом поляризации. У неполярных материалов (полиэтилен, парафин) e с ростом температуры снижается из-за уменьшения плотности и соответственно концентрации объектов поляризации (рис. 2.6, кривая 1).

Рис. 2.6. Зависимость e от температуры для диэлектриков с электронной (1), дипольно-релаксационной (2), ионной и ионно-релаксационной (3) и спонтанной (4) поляризацией

Зависимость e полярных диэлектриков (с доминирующей дипольно-релаксационной поляризацией) от температуры имеет максимум при определенной температуре Т₁ (рис. 2.6, кривая 2). При увеличении температуры до Т₁ e увеличивается за счет уменьшения вязкости и облегчения ориентации диполей, далее, при Т > Т₁ (определенной для каждого диэлектрика), уменьшается, так как тепловое движение нарушает ориентацию диполя в направлении поля. У большинства неорганических стеклообразных и кристаллических материалов ионного строения e увеличивается с ростом температуры, а у некоторых уменьшается (рис. 2.6, кривые 3). Это объясняется наличием у таких диэлектриков как электронной (снижение e с ростом Т), так и ионной поляризации. Вследствие уменьшения связи между ионами e при ионной поляризации с ростом температуры увеличивается.

При повышении температуры до точки Кюри (Т_К на рис. 2.6, кривая 4) e сегнетоэлектриков увеличивается вследствие облегчения поляризации доменов, а выше точки Кюри уменьшается из-за того, что нарушается доменное строение.

Относительная диэлектрическая проницаемость e неполярных диэлектриков не зависит от частоты, как показано на рис. 2.7 (кривая 1), так как им свойственна только мгновенная поляризация, время релаксации которой мало по сравнению с полупериодом действия напряжения. В полярных материалах с дипольно-релаксационной или ионно-релаксационной поляризацией e до определенной частоты f¢ не меняется (рис. 2.7, кривая 2). Когда поляризация не будет успевать полностью устанавливаться за один полупериод действия напряжения (f¢ – величина, обратная времени релаксации), e снижается, приближаясь к значению, обусловленному всегда имеющейся электронной поляризацией. Некоторые полярные полимеры имеют ступенчатую зависимость e(f), аналогичную кривой 3 рис. 2.7, обусловленную наличием набора разных релаксаторов (диполей, групп, сегментов) с соответствующими характеристическими частотами “выбывания” f₁, f₂ и временами релаксации поляризационных процессов.

Рис. 2.7. Частотная зависимость e диэлектриков с мгновенной (1) и релаксационными (2, 3) видами поляризации

Зависимость характеристической частоты f_x от ряда факторов имеет следующий вид:

, (2.7)

где k – постоянная Больцмана, T – температура, h – вязкость среды, r – радиус поляризующегося элемента (макромолекулы, диполя и т.п.). Применительно к диполям, т.е. полярным молекулам, f_x соответствует максимальной частоте внешнего электромагнитного поля, которую они способны воспроизвести своими поворотами в нем. За счет таких поворотов (ориентации) достигается максимально возможная компенсация внешнего поля собственным электрическим полем диэлектрика. Важно, что полярные молекулы одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью, обладают неодинаковой характеристической частотой. Поскольку емкость любого конденсатора пропорциональна величине e, зависимости C(T) и С(f) полностью определяются зависимостями e(Т) и e(f) конкретного диэлектрика.

Диэлектрические потери

Удельными диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в виде тепла в единице объема и в единицу времени в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, и вызывающая его нагрев. При постоянном поле потери обусловливаются током сквозной проводимости – движением ионов, иногда – свободных электронов. Потери на сквозную электропроводность присущи в большей или меньшей мере всем диэлектрикам без исключения. Величина потерь на сквозную электропроводность определяется удельным сопротивлением r_v, а в твердых диэлектриках также и удельным поверхностным сопротивлением r_s.

При переменном поле различают следующие виды потерь:

1) потери на сквозную электропроводность; 2) поляризационные потери, обусловленные замедленной поляризацией; 3) ионизационные потери; 4) потери, обусловленные неоднородностью структуры. Для вывода выражения мощности потерь пользуются эквивалентной схемой диэлектрика, состоящей из последовательно или параллельно включенных активного сопротивления R и емкости С. Эквивалентная схема выбирается так, чтобы расходуемая активная мощность была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а вектор тока был сдвинут относительно вектора напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

В идеальном вакуумном конденсаторе без потерь угол между векторами тока и напряжения равен 90⁰ (рис. 2.8,а). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd (рис. 2.8,б). Тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) – параметр, учитывающий все виды потерь в диэлектрике и представляющий собой тангенс угла, дополняющего угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90⁰. Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению

, (2.8)

а мощность диэлектрических потерь в переменном электрическом поле

, (2.9)

Рис. 2.8. Векторные диаграммы для конденсатора с идеальным диэлектриком (а) и диэлектриком с потерями (б)

где U – приложенное напряжение; w=2pf – частота. Из выражения (2.8) следует, что диэлектрические потери существенно влияют на работу аппаратуры высокого напряжения, высокочастотной и, в особенности, одновременно высокочастотной и высоковольтной. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от состава и структуры диэлектриков, от агрегатного состояния, а также от условий эксплуатации.

У чистых однородных неполярных диэлектриков диэлектрические потери малы и обусловлены только током сквозной проводимости; tgd незначителен, порядка 10^-4, с ростом частоты падает (рис. 2.9, кривая 1), так как I_а от частоты практически не зависит, а реактивный ток I_c увеличивается. Для таких диэлектриков при повышении температуры tgd возрастает за счет увеличения тока сквозной проводимости (рис. 2.10, кривая 1).

Полярные диэлектрики, у которых потери обусловлены как сквозной проводимостью (иногда значительной), так и релаксационными видами поляризации, имеют высокий tgd ~ 10^-2 - 10^-1. Частотная и температурная зависимости tgd таких диэлектриковимеют максимумы, показанные на рис. 2.9 и 2.10, кривая 2. Появление максимума на зависимости tgd(f) объясняется инерционностью диполей и дипольных групп, не успевающих ориентироваться по полю за полупериод его изменения. Общий характер частотной зависимости соответствует кривой 1, рис. 2.9, т. е. потерям на сквозную электропроводность. При наличии нескольких релаксаторов появляется соответствующее число максимумов tgd.

Рис. 2.9. Частотная зависимость tgd для диэлектриков с потерями на сквозную электропроводность (1); с потерями на электропроводность и поляризационными потерями (2)

Рис. 2.10. Зависимость tgd от температуры для неполярных (1) и полярных (2) диэлектриков

Появление максимумов на температурной зависимости tgd полярных диэлектриков объясняется тем, что по мере повышения температуры закрепленные диполи, получившие дополнительную энергию, получают большую свободу перемещения и ориентации по полю. При этом возрастает мощность диэлектрических потерь и tgd. Начиная с определенной температуры, соответствующей максимуму tgd на его температурной зависимости, энергия теплового движения становится выше энергии электрического поля, нарушается ориентация диполей, затрата энергии уменьшается и tgd снижается. При высоких температурах tgd полярных диэлектриков возрастает за счет роста тока сквозной проводимости.

У диэлектриков с газовыми включениями tgd растет при увеличении напряжения вследствие ионизации газа. Поэтому пористые диэлектрики непригодны для высоковольтной аппаратуры. У гигроскопичных материалов tgd имеет повышенное значение, так как вода является источником свободных ионов.

Для неоднородных и композиционных диэлектриков tgd зависит от природы и распределения включений, специальных наполнителей. Значение tgd cлоистых пластмасс может изменяться в широких пределах в зависимости от количественных соотношений компонентов, достигая нескольких единиц.

Наименьшие потери имеют однородные диэлектрики плотной структуры с минимальным содержанием примесей, имеющие мгновенную поляризацию. К таким материалам относятся полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, трансформаторное масло, слюда, высокочастотный стеатит и др. Особенно высокие требования предъявляются к диэлектрикам, применяемым на высоких частотах и в высоковольтной аппаратуре.

Электрический пробой диэлектриков

В твердых диэлектриках различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический. Возникновение того или иного вида пробоя в диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов, условий эксплуатации.

Надежность и долговечность электрической изоляции проводов, диэлектрика конденсатора и других деталей радиоэлектронной аппаратуры зависят от электрической прочности диэлектрика. Пробоем называется потеря диэлектриком электроизолирующих свойств материала в канале, образующемся между электродами, под действием электрического поля. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением (U_пр).

Электрическую прочность диэлектрика E_пр в однородном электрическом поле определяют величиной пробивного напряжения U_пр, отнесенной к толщине диэлектрика d (расстоянию между электродами):

, В/м. (2.10)

Допускаются производные единицы измерения: МВ/м, кВ/мм, кВ/см.

В случае неоднородного поля под E_пр подразумевают среднее значение пробивной напряженности.

Величина E_пр характеризует способность диэлектрика противостоять разрушающему действию электрического поля.

Явление пробоя связано с нарушением химических связей между молекулами (атомами), ионизацией атомов вещества лавинообразно нарастающим под действием ударной ионизации потоком электронов. Электрическая прочность материала определяется длиной свободного пробега электронов, то есть плотностью вещества и его агрегатным состоянием.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках различают три основных видов пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический. Возникновение того или иного вида пробоя в диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов, условий.

Электрический пробой – это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность Е_пр твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах – 100 ÷ 1000 МВ/м, что близко к Е_пр сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Величина Е_пр обусловлена главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин). Характерно очень малое время электрического пробоя – менее микросекунды.

Электротепловой пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь.

Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика емкостью С, при подаче на него напряжения U (действующее значение) с угловой частотой ω [соотношение (2.9)]

P_~ =U² ω C tg δ.

Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур образца T и окружающей среды T₀:

P_~ =kS(T-T₀), (2.11)

где k – коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощностей, поглощаемой и рассеиваемой: P_~ =P_p. Так как tg δ обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической температуры Т_кр, значение P_~ >P_p (рис. 2.11); другая точка равенства P_~ и P_p(T₁) соответствует устойчивому равновесию. В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к его разрушению (плавлению, сгоранию).

Согласно условию теплового равновесия

, (2.12)

где tg δ соответствует критической температуре Т_кр.

Рис. 2.11. Зависимость мощности, поглощаемой P_~ и рассеиваемой Р_р образцом диэлектрика, от его температуры

Следовательно, из данного материала при заданной рабочей частоте изоляция может быть изготовлена в расчете на пробивное напряжение не выше указанного значения. Это напряжение зависит от коэффициента диэлектрических потерь и других параметров.

В отличие от электрического пробоя напряжение электротеплового пробоя, как видно из (2.12), зависит от частоты:

, (2.13)

где А - постоянная (частотной зависимостью диэлектрических потерь пренебрегаем).

Следовательно, U_пр снижается на высоких частотах. Аналогично U_пр при тепловом пробое зависит от температуры, снижаясь с ее повышением за счет роста tg δ [см. (2.12)]. По указанным причинам с повышением частоты f или температуры Т, когда напряжение теплового пробоя U_ПР.Т велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или Т, когда U_ПР.Т снижается до значений, меньших напряжения электрического пробоя U_ПР.Э, пробой становится электротепловым (рис. 2.12).

Критическая частота f_кр или температура Т_кр, при которых происходит переход от электрического к тепловому пробою, зависят от свойств диэлектрика, условий теплоотвода изоляции, времени приложения напряжения, скважности импульсов.

Рис. 2.12. Типичная зависимость пробивного напряжения от частоты и температуры

Пробивное напряжение с увеличением длительности действия приложенного напряжения уменьшается из-за дополнительного разогрева диэлектрика, а также химического старения и других явлений. При кратковременном приложении напряжения (например, импульсного) вероятность теплового пробоя мала даже при сравнительно большой проводимости, так как образец не успевает прогреться.

Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с ростом толщины диэлектрика вследствие увеличения его неоднородности и ухудшения теплоотдачи.

В диэлектриках, длительно находящихся в электрическом поле, может происходить электрохимический пробой вследствие электролиза, ионизации газовых включений и т.д. Эти процессы приводят к химическому старению диэлектрика. Конечной стадией электрохимического пробоя чаще всего является тепловой пробой.

Наибольшей электрической прочностью обладают твердые диэлектрики, однородные по структуре, имеющие низкую электрическую проводимость, повышенные теплопроводность и нагревостойкость (пленочные фторопласт-4, полиэтилен, лавсан, слюда и т.д.). Е_пр таких материалов достигает 100–300 МВ/м.

Пробой жидкостей

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты.

Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде, с меньшей длиной свободного пробега λ накопил энергию, достаточную для ионизации.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примеси. Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т. е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкостей в сильных полях, особенно высокой частоты , происходит ее нагрев и образование пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности.

Резкое снижение Е_пр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля. В случае сухих волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на Е_пр жидкости.

Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является вода, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях.

Большое внимание уделяется очистке гигроскопичных жидких диэлектриков от воды, снижающей Е_пр. Неочищенное трансформаторное масло, например, имеет Е_пр = 4 МВ/м, после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20–25 МВ/м.

Пробой газообразных диэлектриков

Газообразные диэлектрики широко применяются в газонаполненных и вакуумных конденсаторах. Воздух является хорошим изолятором, но только в слабых полях. Электрическая прочность газообразных диэлектриков не превышает 2–3 МВ/м. Процесс пробоя обусловлен лавинным умножением электронов под действием ударной ионизации и фотоионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1см³ воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20 [2]. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою в достаточно сильном поле.

При увеличении напряженности электрического поля Е электроны на длине свободного пробега λ приобретают энергию W=e λ E, достаточную для ионизации молекул газа: W≥ W_u (W_u - энергия ионизации, е - заряд электрона). Энергия ионизации – это наименьшая энергия, которую нужно затратить для отрыва одного электрона от нейтральной молекулы (атома). В результате при столкновении с молекулами и атомами «первичные» электроны порождают новые электроны. «Вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается. Электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактного облачка, называемого электронной лавиной.

Известны два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. Пробой газа сопровождается образованием серии лавин, причем каждая вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей содержит большее число электронов - происходит «раскачивание» электронных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряжений.

При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа.

В некоторых случаях электрон, ускоренный электрическим полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденное состояние: электрон, находящийся внутри молекулы, переходит из равновесного состояния с меньшей энергией в состояние с более высокой энергией (на более удаленную от ядра орбиту). Такая возбужденная молекула в следующий момент (за 10^-7 с) отдает свою избыточную энергию в форме излучения - испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной концентрацией носителей заряда, которая достаточна для преобразования лавины в стример .

На рис. 2.13 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На рис. 2.13 лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и, таким образом, лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Волнистые линии исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотоны. Двигаясь со скоростью 3·10⁸ м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ (рис. 2.13), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD.

Рис. 2.13. Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг другу, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10¹² ионам в 1 см³), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается, насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10^-7–10^-8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

Электрическая прочность газов уменьшается с ростом расстояния между электродами, имеет немонотонную зависимость от давления с минимумом, соответствующим давлению, близкому к атмосферному.

Применение диэлектрических материалов

В настоящее время из диэлектрических материалов выполняются многочисленные изделия технического и бытового назначения. Ранее рассмотрены физические свойства диэлектрических материалов, определяющие их практическое применение.

К диэлектрикам относится чрезвычайно широкий круг материалов как органического (синтетические смолы, каучуки, волокнистые материалы), так и неорганического (стекла, керамика) происхождения. Широкое практическое применение нашли диэлектрические материалы в твердом, жидком и газообразном состояниях, а также в виде плазмы (при пробое газа). Синтетическими называют материалы, полученные с помощью синтеза - реакции полимеризации из веществ-мономеров. Эти материалы носят также названия: полимеры, пластические массы, синтетические смолы. К искусственным относятся материалы, полученные химической переработкой сырья природного происхождения (целлофан, бумага, вискоза, ацетат). Существует также множество композиционных материалов самого разнообразного состава, включающие в себя как синтетические, так и искусственные компоненты (целлулоид, слоистые пластики, фенопласты, аминопласты).

Выделим ряд основных групп диэлектрических материалов в твердом состоянии: синтетические смолы (пластмассы, полимеры); эластомеры; волокнистые материалы; слоистые пластики; стекла; керамика, природные неорганические диэлектрики.

Пластические массы

Основным веществом, образующим пластмассу, является синтетическая смола. Для производства пластмасс применяют два типа смол: термопластичные и термореактивные.

Смолы, сохраняющие способность плавиться при повторном нагревании и затвердевающие при охлаждении, называются термопластичными.

Термореактивными называются такие смолы, которые затвердевают при повышенной температуре и переходят в неплавкое и нерастворимое, т. е. необратимое состояние.

Полиэтилен (СН₂-СН₂)_n относится к синтетическим смолам и представляет собой продукт полимеризации этилена, газа, получаемого термическим разложением углеводородов или пиролизом жидкого нефтяного сырья. В зависимости от свойств полученного полимеризата различают три основные группы полиэтиленов: 1) низкой плотности, 2) средней плотности, 3) высокой плотности.

Полиэтилен отличается высокой химической стойкостью к агрессивным средам, за исключением минеральных кислот. Вода практически не сорбируется полиэтиленом.

Переработка полиэтилена осуществляется обычными методами переработки термопластов (литье под давлением, экструзия, прессование и т.д.).

Величина молекулярной массы, степень кристалличности, степень разветвленности линейного полимера, а также вид надмолекулярной структуры оказывают большое влияние на физико-механические свойства полиэтилена. В настоящее время известны различные марки полиэтиленов с молекулярной массой от 20 000 до 6 500 000. Полиэтилен с молекулярной массой выше 100 000 получил название высокомолекулярного полиэтилена.

С увеличением молекулярной массы уменьшаются плотность и жесткость материала, но улучшаются антифрикционные свойства, износостойкость и ударопрочность. Оптимальные свойства высокомолекулярного полиэтилена как конструкционного антифрикционного материала достигаются при молекулярной массе, равной 1 000 000. Прочностные свойства у полиэтиленов с молекулярной массой более 1 000 000 остаются практически одинаковыми.

Полиэтилен является неполярным диэлектриком и характеризуется высокими изолирующими свойствами: ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м; ε = 2,3 - 2,4; tg δ ~10^-4; E_пр = 15 – 20 МВ/м.

Полиэтилен обладает стойкостью к действию кислот и щелочей, из него изготавливают химическую посуду, пробки, крышки. Высокое относительное удлинение перед разрывом (300 – 750 %, см. табл. 2.2.) создает технологические преимущества при формировании изделий сложной формы. Полиэтилен применяют для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых кабелей. Полиэтиленовую пленку используют как упаковочный материал.

Таблица 2.2.

Свойства синтетических смол

Смолы	Плотность, Мг/м³	s_р, МПа	Θ, %	Нагрево-стойкость, °С	Водопоглощение за 24 час, % по массе
Полиэтилен	0,91-0,97	10-15	300-750	80-90	0,01
Полипропилен	0,90-0,91	30-40	400 - 700	170	0,005
Полистирол	1,05	35-60	1-4	70-80	0,04
Политетрафторэтилен	2,30	15-30	250-300	250	0,01
Поливинилхлорид	1,40-1,70	30-50	50-150	60-70	0,10
Полиметилметакрилат	1,20	40-70	2-10	70-90	0,35
Полиамиды	1,10-1,15	70-90	90	70-90	0,35

Примечание. В таблице приведены приближенные данные для синтетических смол без наполнителей.

Нагревостойкость полиэтилена при кратковременном нагреве ограничивается быстрым снижением механической прочности, а при длительном воздействии повышенной температуры - окислением в условиях доступа воздуха. Недостатком полиэтилена является также наличие пластической деформации под влиянием механического напряжения.

Многие свойства полипропилена аналогичны свойствам полиэтилена, однако имеются принципиальные отличия, что является причиной его более частого применения. Модуль упругости, сопротивление на изгиб, прочность на разрыв, пластические свойства у полипропилена лучше, чем у полиэтилена высокой плотности (относительное удлинение перед разрывом 500 - 700 %).

Химическая устойчивость к большинству веществ достаточно высока, за исключением серной и соляной кислот при повышенных температурах. Устойчивость к ультрафиолетовому излучению недостаточная, однако для улучшения этой устойчивости используют стабилизаторы.

Полипропилен (табл. 2.2) обладает высокой температурой размягчения (165 - 170 °С), большей, чем у многих термопластиков. В связи с этим его можно использовать при значительно более высоких температурах.

Полистирол (табл. 2.2) обладает меньшей по сравнению с полиэтиленом пластичностью, т. е. значительно более низкой величиной относительного удлинения перед разрывом. Поэтому полистирол проявляет хрупкость (особенно при пониженной температуре), склонность к постепенному образованию поверхностных трещин. Недостаток прочности полистирола устранен в так называемом ударопрочном полистироле, который получают в результате сополимеризации стирола с различными каучуками. Чем больше каучука в материале, тем выше его прочность и сопротивляемость ударам.

Диэлектрические свойства полистирола характеризуются следующими параметрами: ρ ≈ 10¹⁴ - 10¹⁵Ом·м; ε = 2,4 - 2,6; tg δ ~10^-4; E_пр = 20 – 35 МВ/м.

Полистирол характеризуется низкой стойкостью к действию растворителей (в частности, жидких углеводородов) и невысокой нагревостойкостью. К достоинствам этого материала, как и полиэтилена, относится низкая гигроскопичность. Он легко окрашивается в различные цвета и оттенки.

Полистирол и его полимеры широко используются для изготовления конструкционных элементов радиоэлектронной аппаратуры.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Фторопласты (или фторлоны, фторполимеры), к которым относится ПТФЭ, - это полимеры и сополимеры галогенпроизводных этилена и пропилена. Фторопласт-4 - продукт суспензионной полимеризации тетрафторэтилена, фторопласт-4Д - продукт эмульсионной полимеризации тетрафторэтилена. Фторопласт-4 и модифицированный фторопласт-4ДМ составляют более 90 % от общего объема выпуска фторопластов и являются основными представителями фторполимеров. Они перерабатываются методами, близкими к методам производства изделий в порошковой металлургии. Изделия из ПТФЭ изготовляют механической обработкой. ПТФЭ, по праву называемый благородным пластиком, обладает исключительной химической стойкостью, превосходя в этом отношении даже золото и платину: на него не действуют соляная, серная и плавиковая кислоты, а также щелочи. Широкое использование этого материала ограничивается его относительно высокой стоимостью. Химическая посуда из фторлона-4 применяется для хранения лишь наиболее химически активных реактивов. Политетрафторэтилен негигроскопичен и не смачивается водой, обладает высокими износостойкостью и пластичностью (табл. 2.2). Он совершенно негорюч, отличается чрезвычайно широким температурным диапазоном возможной эксплуатации (табл. 2.2). Может подвергаться нагреванию до температуры 90 - 200 °С и охлаждению в таких же пределах до отрицательных температур. Фторопласт-4, хотя и относится к термопластичным материалам, не подвергается размягчению при высоких температурах вследствие большой молекулярной массы полимера. При температуре 280 - 300 °С он выделяет ядовитый газообразный фтор.

Отличительными особенностями фторопласта-4 являются его высокие антифрикционные свойства и способность к самосмазыванию, что позволяет использовать его в отсутствие доступа смазки. При малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках коэффициент трения полимера по стали равен 0,04. Однако фторопласт-4 в отличие от других антифрикционных материалов склонен к значительному износу при нагрузках, превышающих 1 МПа. По износостойкости ПТФЭ значительно уступает другим термопластам, хотя и обладает наименьшим коэффициентом трения.

По электроизоляционным свойствам ПТФЭ принадлежит к лучшим из известных диэлектриков: его ε = 1,9 - 2,1 при частотах от 50 до 1010 ГЦ; tg δ ~10^-4; удельное сопротивление ρ ≈ 10¹⁶Ом·м; E_пр = 20 – 30 МВ/м.

Комплекс уникальных физико-химических свойств делает этот материал незаменимым для электрической изоляции в наиболее ответственных случаях, создания емкости пленочных конденсаторов при применении на высоких и сверхвысоких частотах.

Поливинилхлорид (ПВХ) (табл. 2.2) стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он обладает низкой прочностью, в связи с чем не используется при действии механической нагрузки. Кроме того, ПВХ проявляет нестабильность свойств под влиянием тепла и света. При добавлении различных пластификаторов (трудно испаряющихся органических жидкостей) он используется для изготовления пластических масс и резиноподобных материалов. Поливинилхлорид характеризуется следующими диэлектрическими параметрами: ρ ≈ 10¹³-10¹⁴Ом·м; ε = 3,0 - 5,0; tg δ ~10^-4; E_пр = 15 – 20 МВ/м. Свойства материала зависят от параметров различных добавок (красителей, стабилизаторов, пластификаторов и др). На основе ПВХ разработано большое число пластикатов (винипластов) разной степени эластичности, прозрачных и окрашенных. Изделия из пластикатов обладают устойчивостью к различным видам внешних воздействий, мягкостью, сочетающейся с упругостью, хорошими органолептическими свойствами.

Введение в композиционные ПВХ-материалы стабилизаторов, пластификаторов и других добавок приводит к улучшению механических свойств исходного материала и обеспечивает возможность обработки. Однако улучшение механических свойств сопровождается снижением химической стойкости.

Винипласты (ПВХ-пластикаты) широко применяются для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей, аккумуляторных баков и т.п.

Полиакрилаты

Полиакрилаты - продукты полимеризации акриловой или метакриловой кислот и их производных в присутствии катализаторов и инициаторов. Полиметилметакрилат (ПММА), называемый также оргстеклом, - полимерный материал в виде листов разной толщины получают полимеризацией мономера метилметакрилата в форме из силикатного стекла или металла.

ПММА характеризуются следующими диэлектрическими свойствами: ρ = 10¹¹ - 10¹² Ом·м; ε = 3,5 – 4,5; tg δ ~10^-2; E_пр = 20 – 35 МВ/м.

ПММА отличается низким водопоглощением (в воде при температуре до 60 °С - максимально 1,5 %). ПММА перерабатывается в изделия методом вакуумформования, штамповкой, легко поддается механической обработке, склеивается.

Фторированный ПММА (ПММАФ) по сравнению с обычным ПММА обладает более высокими механической прочностью, теплостойкостью, износостойкостью и устойчивостью к действию доз высоких энергий. После пребывания ПММАФ в изотоническом растворе натрия хлорида в течение 8 мес. удельная ударная вязкость практически не изменяется.

"Холоднотвердеющие" акрилаты состоят из порошка, в состав которого входят полимер (или сополимеры акрилатов) и инициатор (перекись бензоила), а также жидкости - мономер метилметакрилата с катализатором. Они самополимеризуются при смешивании порошка и жидкости в комнатных условиях. Отверждение полимер-мономерных композиций в соотношении 2:1 происходит при комнатной температуре за 8 - 15 мин. Полимеризаты "холоднотвердеющих" композиций в отличие от акрилатов "горячего" отверждения характеризуются значительно более высоким содержанием остаточного мономера и водопоглощаемостью.

Акрилцемент состоит из порошка, представляющего собой полимер по-лиметилметакрилат (ПММА) с добавкой инициатора – перекиси, и жидкости-мономера - метилметакрилата (ММА) с ускорителем-амином. После смешивания порошка с жидкостью в течение 2-4 мин порошкообразный полимер набухает в жидком мономере и склеивается, а через 8-9 мин под воздействием катализатора и ускорителя происходит полимеризация ММА с выделением тепла и образованием твердого, стеклообразного полимерного материала.

Отвержденный полимер содержит 3 - 5 % остаточного мономера и обычно имеет газообразные включения. Остаточный мономер может диффундировать из объема полимера на его поверхность. Из-за наличия остаточного мономера ММА в отвержденном материале акрилцемент по прочности на изгиб и удар уступает другим техническим маркам ПММА.

Полиакрилаты имеют хорошую холодо-, масло- и щелочестойкость. В зависимости от вида спиртового остатка в молекуле мономера материал может иметь различные механические свойства - прочность, твердость, эластичность (табл.2.2). Оргстекло применяется как конструкционный материал для изготовления прозрачных деталей аппаратуры, защитных стекол в бестеневых светильниках. Оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи (по этому показателю материал находится на втором месте после кварцевого стекла).

Полиамиды - полимеры с линейным строением молекул, в цепи которых содержатся амидные группы -CO-NH-. Эти материалы обладают высокой химической стойкостью, растворимы лишь в ограниченном числе растворителей (например, в крезоле и расплавленном феноле). Диэлектрические параметры полиамидов: ρ = 10¹¹ - 10¹² Ом·м; ε = 3,0 – 4,0; tg δ ~10^-2; E_пр = 15 – 20 МВ/м. Наиболее распространенными полиамидами являются капрон и нейлон.

Полиамиды характеризуются лучшим по сравнению с полиолефинами (полиэтиленом, полипропиленом) физико-механическими свойствами: более высокими прочностью, сопротивлением к ударным нагрузкам, низким коэффициентом трения. Их широко применяют для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и т.п.

Полиуретаны (ПУ), относящиеся к полиамидам, – это продукты взаимодействия диизоцианатов с многоатомными спиртами. Термин "полиуретан" применяется также к полимерным продуктам, получающимся в результате реакции между полиизоцианатом и веществами, включающими карбоксильные (СООН) и аминные (H₂N) группы. Вследствие этого производится значительное количество полиуретанов в разнообразных физических формах, включая твердую пену, мягкую пену и твердые эластомеры.

Диэлектрические свойства полиуретанов зависят от технологии получения и изменяются в довольно широких пределах: ρ = 10¹¹ - 10¹⁴ Ом·м; ε = 3,0 – 4,5; tg δ =0,002 – 0,020; E_пр = 15 – 25 МВ/м.

Полиуретаны используются для эмалирования проводов. Недостатком является склонность к размягчению эмалевой пленки при температурах выше 150 °С.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) (или лавсан, дакрон, терилен) относится к классу сложных эфиров и получается реакцией переэтерификации диметилтерефталата этиленгликолем в присутствии катализаторов и последующей поликонденсации полученного дигликольтерефталата. Отличительной особенностью ПЭТФ является его способность к кристаллизации: при быстром охлаждении расплава получается аморфный полимер, а при нагревании до температуры 190 - 200 °С - полимер со степенью кристаллизации 55-75 %.

Характерными для ПЭТФ являются следующие диэлектрические параметры: ρ = 10¹² Ом·м; ε = 3,5 – 4,5; tg δ = 10^-2; E_пр = 20 – 25 МВ/м.

Кристаллический ПЭТФ - конструкционный материал с высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью, обладает более высокими прочностными свойствами по сравнению с полиолефинами и полиамидами, однако уступает им по ударной вязкости. Отличительная особенность этого материала - его радиационно-химическая стойкость.

Хорошие механические качества волокон из ПЭТФ используются при изготовлении различных текстильных конструкций: тканей, сеток, лент. Достоинством ПЭТФ является высокая температура размягчения (порядка 260 °С). Важной отличительной особенностью ПЭТФ является значительная скорость поглощения им воды при нормальной температуре по сравнению с полиамидами (нейлоном). В то же время в кипящей воде он постепенно гидролизуется, подвержен действию пара.

ПЭТФ применяется для изготовления синтетических волокон, гибких пленок, изоляции эмалированных проводов и т.п.

Термореактивные пластмассы, как правило, содержат связующую основу (смолы, эфиры), наполнители (древесная мука, асбест, бумага), пластификаторы (спирт, глицерин), красители. Из термоактивных пластмасс широко применяются фенопласты и аминопласты, отличающиеся сравнительно высокой химической стойкостью.

Фенопласты получают на основе фенольно- и креозол-формальдегидных смол. Наполнители вместе со смолой размалывают в порошок, из которого методом горячего прессования в металлических пресс-формах получают различные детали. При этом в пластмассу можно запрессовывать металлические стержни, винты и другую арматуру. Заводы электропромышленности изготовляют из фенопластов штепселя, розетки, патроны, выключатели и другие изделия.

Аминопласты получают из мочевинно-формальдегидных смол и сульфитной целлюлозы (наполнитель), красителей и фосфата цинка. Из аминопластов путем прессования получают детали, имеющие яркую окраску различных цветов. Фенопласты и аминопласты широко используют для изготовления деталей аппаратов и приборов.

Диэлектрические свойства фено- и аминопластов характеризуются следующими диэлектрическими параметрами: ρ = 10¹¹-10¹² Ом·м; ε = 5,0 – 6,5; tg δ =10^-2 -10^-1; E_пр = 10 – 20 МВ/м.

Эластомеры

Эластичные изделия получают на основе натурального или синтетических каучуков, которые являются основным компонентом резины. Натуральный каучук (материал растительного происхождения) получают из латекса -сока дерева гевеи, растущего в экваториальных странах. Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый натуральный каучук не применяется. Для устранения указанных недостатков каучук подвергают вулканизации, т. е. нагреву до 140 °С после введения в него серы (1-3 %), что позволяет получить мягкую резину, обладающую весьма высокой растяжимостью и упругостью. Относительное удлинение ее перед разрывом составляет 700 - 800 %. Натуральный каучук практически неполярен: он имеет ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м; ε = 2,4; tg δ =0,002. Вулканизация приводит к усилению полярных свойств материала из-за влияния атомов серы. Для обычных электроизоляционных резин ρ ≈ 10¹³ Ом·м; ε = 3 - 7; tg δ =0,02 – 0,10; E_пр = 20 – 30 МВ/м.

Резина на основе натурального каучука имеет ряд недостатков: низкую нагревостойкость (при нагреве резина стареет, становится хрупкой и трескается); малую стойкость к действию растворителей (бензола, бензина, ацетона), малую стойкость к действию света, особенно ультрафиолетового, под влиянием которого резина быстро стареет.

Резину широко применяют для изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей, изготовления защитных перчаток, галош, ковриков, изоляционных трубок.

Синтетические каучуки (бутадиеновый, хлоропреновый) получают на химических предприятиях. Эти материалы стареют не так быстро, как резина, и сохраняют эластичность даже при низких температурах (до -60 °С). Синтетический каучук более стоек к действию кислорода воздуха, перепадам температуры, солнечному свету, более прочен, однако отличается более высокой стоимостью.

Материалы на основе волокон

Большая часть волокнистых материалов относится к органическим веществам. К ним принадлежат метериалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр.) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные и синтетические волокна. К материалам на основе волокон относятся бумага, картон, ткани. Электроизоляционные параметры материалов на основе волокон невысоки: ρ = 10⁶- -10⁸ Ом·м; ε = 4 - 10; tg δ = 0,1; E_пр = 25 – 35 МВ/м при постоянном напряжении и E_пр= 12 – 15 МВ/м при переменном напряжении частоты 50 Гц. К недостаткам волокнистых материалов относится высокая гигроскопичность.

Свойства волокнистых материалов можно существенно улучшить путем пропитки, поэтому для электрической изоляции их обычно применяют в пропитанном состоянии. Примерами являются бумага, пропитанная конденсаторным маслом или лаком; ткань, пропитанная лаком (лакоткань).

В тех случаях, когда требуется высокая рабочая температура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не могут, применяют неорганические материалы, в частности стеклянное волокно и асбест.

Слоистые пластики

Слоистые пластики относятся к термореактивным материалам. Они представляют собой пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал (бумага, ткань, нетканый материал) с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств.

В зависимости от назначения различают слоистые пластики конструкционные, электроизоляционные и декоративные.

В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах (ρ = 10⁸- 10¹⁴ Ом·м; ε = 6 - 8; tg δ = (2 – 10)´10^-2; E_пр = 8 – 33 кВ/мм при толщине h = 1 мм). Слоистые пластики обладают высоким уровнем механических свойств, могут длительно эксплуатироваться при температурах до 180 °С. Наиболее распространенные слоистые пластики – гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают путем прессования нескольких слоев бумаги, пропитанной олигомерами феноло- или крезолоформальдегидных смол или их смесями. При температуре 150 – 160 °С и давлении 6 -10 МПа олигомер расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными её листами и затвердевает.

Сравнительно новые материалы – гетинакс на основе полиэтилентерефталатной бумаги и эпоксидной смолы. Отличительные особенности гетинакса на основе ПЭТФ-бумаги – высокие показатели влагостойкости, механических и электрических свойств, хорошая перерабатываемость методом штамповки [6].

Фольгированный гетинакс производят для изготовления печатных плат для схем низкочастотных устройств радиоэлектроники. Он представляет собой листовой материал, покрытый с одной или с обеих сторон фольгой из электролитической меди (99,9 %).

Текстолит представляет собой слоистый пластик, изготовленный из нескольких слоев ткани, предварительно пропитанной олигомером фенолоформальдегидной смолы. В качестве наполнителя могут использоваться ткань хлопчатобумажная, стеклянная, полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распротраненным является текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. По сравнению с гетинаксом он значительно дороже (в качестве наполнителя используется ткань), однако обладает более высокими механическими свойствами. Электрические свойства текстолита примерно такие же, как и у гетинакса, за исключением более низкой электрической прочности. Текстолит применяют в изделиях, подвергающихся ударным нагрузкам или истиранию (детали переключателей и т.п.).

В производстве электротехнического стеклотекстолита используют стеклоткань, полученную из алюмоборосиликатного стекла с содержанием окислов щелочных металлов не более 0,5 %. В качестве связующего используют кремнийорганические лаки или композиции на основе кремнийорганических и эпоксидных смол. Изготавливают также фольгированный стеклотекстолит, имеющий более высокие влаго- и термостойкость по сравнению с фольгированным гетинаксом. Электрическая прочность стеклотекстолита почти в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

Неорганические стекла

Стекловидные вещества характеризуются тем, что при охлаждении затвердевают, не кристаллизуясь, образуют неупорядоченное твердое тело. Свойства такого тела постоянны независимо от пространственного направления.

Стекла по своему строению неоднородны, гетерогенны. В них могут содержаться поры, включения других веществ. При этом поры составляют до 60 % объема стекла, поэтому электрическое поле в нем неоднородно, что приводит к существенному снижению электрической прочности.

По химическому составу стекла обычно представляют собой сложные системы окислов. Наиболее распространенными техническими стеклами являются силикатные на основе SiO₂. Стекла подразделяются на 1) щелочные (оконные, бутылочные и т.п.), содержащие окислы натрия и калия; 2) щелочные с высоким содержанием окислов тяжелых металлов (PbO, BaO); стекла с большим содержанием PbO называют флинтами, а с большим содержанием BaO – кронами; 3) бесщелочные – кварцевое стекло, представляющее собой чистую двуокись кремния SiO₂. Последние два вида используют в качестве электроизоляционных и оптических стекол. У них высокие значения ε и ρ и малые tg δ. Например, для кварцевого стекла ε = 3,8; ρ = 10¹⁵ Ом·м; ε = 6 - 8; tg δ = 2*10^-4; E_пр = 60 МВ/м.

Оптическое стекло применяется в изготовлении линз очков и медицинских приборов. Имеется семь сортов класса крон и семь сортов флинтов, что позволяет подобрать стекла с нужным показателем преломления от 1,47 (легкий крон) и до 1,75 – тяжелый флинт. Очковые стекла изготавливают из стекла класса крон с показателем преломления n_D=1.52.

При изготовлении очков-светофильтров для световой защиты глаз сварщиков, металлургов и др. применяют цветное стекло: окрашенное в синий цвет окислами кобальта и железа, желто-зеленого цвета, окрашенное окислами железа с различным коэффициентом пропускания светового потока.

Наконец, для защиты от рентгеновских и гамма-лучей изготовляют специальное защитное стекло с большим содержанием окислов свинца, ослабляющего энергию излучения и снижающего дозу, действующую на человека, до установленных допустимых значений.

Большинство стекол благодаря содержанию смеси оксида железа сильно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие менее 0,02% Fe₂O_3, обладают прозрачностью для ультрафиолетовых лучей; хорошо пропускают эти луча кварцевые стекла, которые применяют в специальных кварцевых лампах, дающих ультрафиолетовое излучение.

В зависимости от назначения различают несколько основных видов электротехнических стекол: электровакуумные, изоляторные, конденсаторные, стеклоэмали, стекловолокна.

Электровакуумные стекла используют для изготовления баллонов и ножек осветительных ламп, различных электронных приборов. Важнейшее требование к таким стеклам – очень близкие коэффициенты термического расширения у спаиваемых друг с другом стекла и металла.

Изоляторные стекла используют в производстве различных изоляторов: линейных, в том числе штыревых и подвесных, станционных — опорных и проходных (вводы), телеграфных, антенных и др. Электрическая емкость стеклянных изоляторов, и в частности подвесных, больше, чем фарфоровых. Изоляторные стекла широко используют также в качестве герметизированных вводов в некоторых типах конденсаторов, терморезисторов, в кремниевых и германиевых транзисторах и др.

Конденсаторные стекла служат для изготовления электрических конденсаторов, используемых в импульсных генераторах и в качестве высоковольтных фильтров. Для этих изделий необходимо, чтобы у стекол были высокие значения Е_пр и ε, а у стекол для высокочастотных конденсаторов, кроме того, еще и малые значения tg δ.

Стеклоэмали — это стекловидные покрытия (стекла), наносимые на поверхности металлических и керамических изделий с целью создания электрической изоляции, защиты от воздействия влаги, коррозии, а также для придания определенной окраски и улучшения внешнего вида. Например, стеклоэмаль для покрытия трубчатых резисторов представляет собой борно-свинцовое стекло, окрашенное двуокисью марганца в коричневый цвет. Ее состав: РbО — 27 %, Н₃ВО₃ — 70 %, МnО₂ — 3 %; Т_р≈ 600 °С, для повышения термо- и влагостойкости в эмаль добавляют кварцевый песок. Стеклоэмалевая изоляция наносится следующим образом: поверхность изделия, нагретого до определенной температуры, посыпают порошком стеклоэмали, которая оплавляется и покрывает поверхность тонким (0,1—0,2 мм) и прочным стекловидным слоем. Покрытие можно наносить несколько раз до получения требуемой толщины. Для стойкости стеклоэмали к термоударам необходимо, чтобы ее ТКЛР и ТКЛР материала, на поверхность которого наносят стеклоэмаль, были примерно равны. Стеклоэмаль для керамических изделий называют глазурью.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Это стекло обладает лучшими электрическими характеристиками, большей химостойкостью и большей (на 20—25 %) механической прочностью при растяжении, чем щелочные алюмосиликатные стекла. Образующиеся тонкие (4—7 мкм) волокна используют для изготовления изоляции монтажных и обмоточных проводов, микропроводов, стеклянных тканей (и лент), используемых в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Короткое стекловолокно применяют в качестве наполнителя в пресс-материалах. Применяют стекловолокно также для изготовления стеклянной ваты, матов и изделий волоконной оптики — световодов, которые в настоящее время широко используют в качестве оптоволоконных кабелей в вычислительной технике и в электрической связи.

Световоды состоят из нескольких десятков тысяч параллельно уложенных в пучки световедущих волокон диаметром 20—30 мкм. Диаметр самого световода достигает 5—6 мм. Световедущее волокно состоит из сердцевины и оболочки, материал для которых подбирается таким образом, чтобы коэффициент преломления света n₁ сердцевины был больше коэффициента преломления света n₂ оболочки (n₁> n₂). Поэтому для изготовления сердцевины световедущего волокна используют стекла типа тяжелых флинтов, баритовых флинтов и сверхтяжелых кронов, а для изготовления оболочек — стекла типа крона или легкого крона. Стекла указанных типов изготавливают на основе чистого кварца.

Световой луч, падающий на входной торец волокна, распространяется по нему вдоль благодаря многократному полному внутреннему отражению от поверхности раздела сердцевина-оболочка и выходит из противоположного торца. Качество световода (потери световой энергии) зависит в первую очередь от степени чистоты исходных материалов и стерильности на всех этапах его производства.

Так, например, для освещения используют более дешевые полимерные волокна из полиметилметакрилата, полистирола и др.

Ситаллы — это поликристаллический непрозрачный материал, полученный путем направленной кристаллизации стекол специального состава. Степень кристалличности ситаллов может составлять 30—95 %, а размер кристаллитов 0,01—2 мкм, усадка при кристаллизации достигает 2 %. Название «ситалл» произошло от сокращения слов «силикат» и «кристалл».

При изготовлении ситаллов в стекломассу вводят специальные добавки, служащие для образования центров (зародышей) кристаллизации. В зависимости от природы введенной добавки и последующей технологии кристаллизации различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы образуются в результате двухступенчатой термообработки. На первой стадии термообработки (при 500—700 °С) происходит образование центров кристаллизации, на второй (при 900—1100 °С) - кристаллизация самой стекломассы. В качестве стимуляторов процесса кристаллизации обычно используют ТiО₂, FeS, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов.

Фотоситаллы образуются (кристаллизуются) в результате УФ-облучения с последующей низкотемпературной обработкой. В качестве стимуляторов кристаллизации используют коллоидные частицы Ag, Аu, Сu и другие, выделяющиеся из соответствующих окислов под влиянием облучения и образующие центры кристаллизации.

Особую область применения имеют фотоситаллы. Если подвергнуть заготовку из светочувствительного стекла УФ-облучению (засветке) через трафарет с последующей термообработкой, то кристаллизуется только облученная часть поверхности. Эта закристаллизованная часть при обработке кислотой будет растворяться. Затем заготовку можно опять облучить и протравить кислотой и т.д., до тех пор, пока изделие не примет нужную форму.

Электрические свойства ситаллов, как правило, выше, чем у стекол того же состава, а по сравнению с керамикой у ситаллов того же состава более высокая Е_пр. ε=5-7, ρ =10¹⁰-10¹² Ом·м; tg δ = (l-80)·10^-3; Е_пр = 20-80 МВ/м, интервал рабочей температуры от - 50 до 700 °С.

Ситаллы используют в качестве подложек для тонкопленочных и гибридных микросхем, опор для крепления разрядников.

Керамические диэлектрики

Керамические материалы (фарфор и фаянс) получают в результате обжига при высокой температуре смеси, приготовленной из глины с добавлением кварца (песка) и полевого шпата.

Керамические материалы могут быть весьма разнообразны по свойствам и применению. Фарфоровые изделия имеют высокую стойкость к тепловому старению. Фарфор имеет высокий предел прочности при сжатии (400 - 700 МПа), значительно меньший предел прочности при растяжении (45-70 МПа) и при изгибе (80-150 МПа), повышенную хрупкость при ударах.

Процесс производства керамических изделий проходит в три основных этапа: 1) приготовление керамической массы путем очистки от примеси ее составляющих компонентов, тщательного их измельчения и перемешивания с водой в однородную массу; 2) формирование изделия заданной конфигурации и размеров методом формования, прессования, выдавливания или литья; 3) сушка, обжиг.

Основным представителем установочной низкочастотной керамики является электрофарфор, который широко применяется для изготовления изоляторов: штыревых и подвесных, опорных и проходных, а также различных установочных деталей (розеток, вилок, ламповых патронов и т.п.). В отличие от других видов керамики электрофарфор обладает более низкими электрическими и механическими свойствами. Преимущества состоят в возможности изготавливать изделия сложной конфигурации, используя простые технологические процессы и малодефицитное сырье.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок является дальнейшим усовершенствованием радиофарфора, характеризуется значительным содержанием А1₂О₃. значение tgδ ультрафарфора меньше, а ρ больше, чем обычного электротехнического фарфора. Кроме того, ультрафарфор имеет повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность, а также теплопроводность.

Высокоглиноземистая керамика (алюминоксид) в основном состоит из корунда. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с высокой температурой обжига (до 1750 °С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600 °С), очень высокой механической прочностью и теплопроводностью (коэффициент теплопроводности в 10—20 раз выше, чем у фарфора).

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности А1₂О₃) поликор (за рубежом — люкалокс) в отличие от обычной (непрозрачной) корундовой керамики прозрачен, поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных электрических источников света; он имеет ρ на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика.

Стеатит - разновидность керамики, изготовляемая на основе талька 3MgO·4SiO₂·Н₂О. В то время как фарфор состоит в основном из силикатов алюминия, стеатитовая керамика — из силикатов магния. Электроизоляционные свойства стеатита высоки.

Керамические диэлектрики характеризуются высоким удельным сопротивлением (ρ ≈ 10¹⁴ Ом·м) и малым тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ = 10^-4 – 10^-3) даже при повышенных температурах ( до 1000 °С). Значение ε = 6 - 10. В конденсаторостроении применяют керамические материалы - сегнетоэлектрики с высокой ε (до 10 000 и более).

Металлизация керамики, проводимая обычно нанесением серебра методом вжигания, обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом. Это имеет особое значение для герметизированных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

Природные неорганические диэлектрики

К природным минеральным неорганическим диэлектрикам относятся слюда и асбест.

Слюда обладает высокими электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью. В тонких слоях многие виды слюды прозрачны.

Слюда встречается в виде кристаллов, которые легко расщепляются на тонкие пластинки по параллельным друг другу плоскостям. По химическому составу слюда – водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: м у с к о в-и т, состав которого приближенно может быть выражен формулой

K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O,

и ф л о г о п и т

K₂O·MgO·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O.

Фактический состав природных слюд много сложнее из-за присутствия в них примесей.

По сравнению с флогопитом мусковит обладает лучшими электроизоляционными свойствами, более прочен механически, тверд, гибок и упруг. Допустимая рабочая температура слюд ограничивается выделением входящей в их состав воды (у мусковитов обычно при 500 - 600 °С, у флогопитов – при 800 - 900 °С), что связано с потерей прозрачности, увеличением толщины (“вспучиванием”) и разрушением кристаллической структуры; обезвоженные слюды плавятся при температуре 1250 - 1300°С [2].

Значение ε слюд составляет 6 – 8; tg δ ~ 10^-4; ρ =10¹¹ – 10¹⁴ Ом·м.

По применению в радиоэлектронике различают к о н д е н с а т о р н у ю слюду – прямоугольные пластинки мусковита, применяемые в качестве диэлектрика в слюдяных конденсаторах; т е л е в и з и о н н у ю слюду – пластинки мусковита, образующие диэлектрическую основу фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках.

С л ю д я н ы е д е т а л и д л я э л е к т р о н н ы х п р и б о р о в – штампованные фасованные детали, служащие для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных приборах.

Асбест – неорганический природный волокнистый материал, состоящий в основном из минерала хризотила 3MgO·2SiO₂·2H₂O. Для улучшения механических свойств к асбестовому волокну добавляют в небольших количествах хлопчатобумажное. Из асбестовых нитей получают шнуры, ткани, бумагу и другие изделия. Иногда применяется асбест со связующими волокнами (асбоцемент, асботекстолит, асбогетинакс и др.)

Основным приемуществом асбеста является высокая нагревостойкость: он разрушается, теряя кристаллизационную воду лишь при 450 - 700 °С (температура плавления 1450 - 1500 °С). Значение ρ=10⁶ – 10¹⁰ Ом·м. Асбестовые электроизоляционные материалы применяют главным образом для высокотемпературной электроизоляции, а также теплоизоляции.

Металлы и сплавы

2012-10-22T12:50:27Z

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Классификация и свойства металлов и сплавов

К металлам относятся вещества, обладающие высокими теплопроводностью и электрической проводимостью, ковкостью, блеском и другими характерными свойствами, которые обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа свободных электронов.

Единственными объективными критериями, позволяющими отнести материал к металлам, считаются наличие электропроводности при Т = 0 К и положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Указанными выше свойствами обладают свыше 80 простых веществ (элементов) и множество металлических сплавов.

Все металлы и сплавы делят на черные (к ним относят железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции) и цветные или, точнее, нежелезные (все остальные металлы и сплавы). По физическим и химическим свойствам и характеру залегания в земной коре нежелезные металлы делят на следующие группы: легкие – алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, стронций, барий и др.; тяжелые – медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк, кадмий, сурьма, висмут, ртуть и др.; тугоплавкие – вольфрам, молибден, ниобий, тантал, ванадий, хром, цирконий и др.; благородные – золото, серебро, платина и платиноиды (рутений, родий, палладий, осмий, иридий); рассеянные – галлий, индий, таллий; редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды; радиоактивные – технеций, франций, радий, полоний, актиний, торий, уран и трансурановые элементы.

Приведенная классификация условна: многие металлы могут быть отнесены одновременно к разным группам. Например, легкий металл титан является также тугоплавким; тугоплавкий металл рений – типичный рассеянный элемент и т.д.

Металлы играют огромную роль в современной технике. Обычно металлы применяют не в чистом виде, а в виде сплавов, количество которых превышает 10 тысяч.

Металлы получают из руд, а также путем вторичной переработки материалов. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов. К основным процессам металлургического процесса относятся: обработка руд с целью их подготовки к извлечению металлов (дробление, обогащение, окускование и пр.); извлечение металлов из руд и других материалов; очистка металлов от нежелательных примесей; производство металлов и сплавов; термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка; формообразование давлением и литьем; покрытие в декоративных или защитных целях поверхности изделий из металла слоями другого металла.

К основным свойствам металлов и сплавов относятся физические (в том числе механические), химические, технологические и функциональные. К физическим свойствам относятся: температура плавления, цвет, плотность, магнитная восприимчивость, электропроводность, теплоемкость и др. Особую группу составляют механические свойства: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и др.

Химические свойства металлов определяются способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и переходить в состояние положительно заряженных ионов. Указанное определяет особенности химического взаимодействия металлов и сплавов с агрессивными средами.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относится их способность к формоизменению (ковкость, свариваемость и т.д.). Важное значение имеет жидкотекучесть – свойство расплавленного металла заполнять и точно воспроизводить литейную форму.

Функциональные или эксплуатационные свойства включают в себя хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и другие характеристики материалов, определяемые условиями их работы.

Строение и кристаллизация металлов

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных относительно друг друга под различными углами. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Линейный размер зерен составляет 1–10⁴ мкм.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что кристаллическое строение твердых тел, состоящих из различных атомов, описывается 14 различными типами пространственных элементарных ячеек.

Наиболее широко применяются металлы и сплавы, образованные одним из 3-х типов пространственных решеток, определяемых отдельно взятой элементарной ячейкой: кубической объемно центрированной ОЦК (a–Fe, b–Fe, d–Fe, Cr, W, Mo, V и др.); кубической гранецентрированной ГЦК (g–Fe, Cu, Al, Ni, Pb и др.); гексагональной плотноупакованной ГПУ (Ti, Mg, Zn, Be и др.) (рис. 3.1).

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Подвижность атомов при снижении температуры уменьшается, устанавливается определенный порядок в их расположении с образованием отдельных групп атомов, близких к элементарным ячейкам, имеющимся в твердом металле. Возникают центры кристаллизации – зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией [7].

a б в

Рис. 3.1. Атомно-кристаллическое строение металлов с кубической объемно центрированной (а); гранецентрированной (б) и гексагональной плотноупакованной (в) элементарными ячейками

Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура – время. На рис. 3.2 изображены кривые охлаждения металла и двухкомпонентного сплава. При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1 – 2 рис. 3.2,а) понижение температуры идет плавно. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (рис. 3.2,а) появляется горизонтальный участок 2 – 3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3 – 4 рис. 3.2, а).

При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (рис. 3.2, б).

Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения, и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2 – 3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходят, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем наблюдается одновременная кристаллизация компонентов, происходящая при постоянной температуре (участок 3 – 4 рис. 3.2,б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4 – 5.

Рис. 3.2. Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)

Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой. При нагревании твердых металлов или сплавов процесс их расплавления сопровождается поглощением теплоты.

Основные типы сплавов

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают необходимого комплекса механических, технологических и функциональных свойств и поэтому применяются редко. В большинстве случаев в технике используют сплавы.

Металлическим сплавом называют материал, состоящий из двух или более компонентов и обладающий свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами [7]. Необходимым процессом получения сплава является диффузия элементов в твердом, жидком или газообразном состоянии. Диффузия осуществляется путем взаимного проникновения частиц каждого из компонентов сплава с образованием новых однородных тел, называемых фазами.

Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от ее других частей поверхностью раздела. Однофазной системой являются, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллических веществ.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы. Компонент сплавов может быть основным, легирующим или случайным.

Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на 3 группы: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь компонентов.

Твердый раствор. В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность, а следовательно и растворимость, сохраняется. Твердый раствор, как и металл, имеет одну кристаллическую решетку, соответствующую типу кристаллической решетки основного компонента сплава (растворителя). Различие состоит в том, что в кристаллической решетке металла размещаются атомы одного элемента, а в твердом растворе – атомы различных элементов, образующих этот твердый раствор.

По характеру размещения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения (рис. 3.3,а) и твердые растворы внедрения (рис. 3.3,б).

Рис. 3.3. Расположение атомов в твердых растворах [1]: а – замещения; б – внедрения; ™ – атом компонента-растворителя; ˜ – атом растворимого компонента

В твердых растворах замещения, состоящих из компонентов А и В, атомы растворимого компонента В замещают отдельные атомы основного компонента А – растворителя в кристаллической решетке. В этом случае при несовпадении размеров атомов размер элементарной ячейки может изменяться. Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной или ограниченной. Неограниченная растворимость обеспечивает замещение в кристаллической решетке любого числа атомов компонента А атомами компонента В.

Неограниченная растворимость возможна при следующих условиях:

1) наличие у компонентов кристаллических решеток (элементарных ячеек) одного типа;

2) незначительное отличие размеров атомов компонентов (не более чем на 8 %);

3) достаточно близкое соответствие строения валентных оболочек атомов компонентов (тип химической связи).

Примерами сплавов с неограниченной растворимостью компонентов являются сплавы Cu–Ni, Fe–Ni, Fe–Cr и др.

Если компоненты сплава не полностью удовлетворяют указанным выше условиям, образуются твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью компонентов.

При этом чем больше разница в размерах атомов компонентов, тем меньше растворимость в твердом состоянии. С изменением температуры ограниченная растворимость в твердом состоянии обычно меняется. Примерами систем с ограниченной растворимостью компонентов являются Al–Cu, Mg–Al и др.

В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента внедряются в междоузлия кристаллической решетки основного компонента (рис. 3.3,б). Такие твердые растворы обычно образуются, когда атомы растворимого компонента имеют небольшие размеры по сравнению с атомами растворителя. Чаще всего это имеет место, когда в металле растворяются неметаллические элементы. Примером твердого раствора внедрения является сплав Fe–C.

Химическое соединение. Элементы, образующие химические соединения, обычно резко отличаются по размерам атомов, строению электронных оболочек и параметрам кристаллических решеток. К образованию химических соединений склонны элементы, далеко расположенные друг от друга в периодической таблице Д.И. Менделеева.

В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Получение химического соединения A_mB_n с образованием однородного кристаллического вещества возможно только при строго определенных весовых соотношениях компонентов. При этом образуется кристаллическая решетка, не похожая на решетки сплавляемых компонентов. Примером может служить сплав Cu–Mg при содержании 17 % Mg. Свойства сплава – химического соединения резко отличаются от свойств элементов, образующих его.

Сплавы – химические соединения не всегда встречаются в чистом виде. Например, при избытке растворимого компонента возможно образование химического соединения в комбинации с твердым раствором.

Механическая смесь. Образование механических смесей происходит, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также при наличии химического соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. При образовании механической смеси кристаллические решетки отдельных фаз не меняются. Механические смеси обычно образуют металлы, отличающиеся друг от друга размерами атомов и температурой плавления. Примером сплава, образующего механическую смесь, является система Ag–Pb.

Приведенные выше положения указывают в общем виде на особенности взаимодействия элементов при образовании сплавов и на их возможную структуру. Однако при образовании и термообработке сплавов на основе конкретных компонентов возникают особенности, которые в металловедении изучаются экспериментально. Например, для установления режимов термической обработки сплавов с целью придания им необходимых свойств необходимо знать температуры начала и окончания процессов плавления, перехода в твердое состояние, особенности структурных превращений в критических точках. Построение кривых охлаждения (нагревания) на основе экспериментальных данных называется термическим анализом. Полученные экспериментальные данные систематизируют, обобщают и отображают в виде особых диаграмм – диаграмм состояния сплавов.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов и критических точек в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.

Для того чтобы обеспечить равновесное состояние системы, охлаждение сплава из жидкого состояния осуществляют очень медленно. Равновесными считаются такие условия, при которых процессы, протекающие в системе, являются обратимыми. В данном случае – процессы, происходящие при охлаждении сплава, должны в точности совпадать с процессами, протекающими при его нагреве.

Диаграмму состояния строят в координатах температура – концентрация (рис. 3.4). Для сплавов, состоящих из двух компонентов А и В, состав характеризуется отрезком прямой, принятым за 100 %. Крайние точки А и В соответствуют 100 % чистых компонентов. Любая точка на этом отрезке характеризует состав двойного сплава. Так, например, точка С соответствует сплаву, состоящему из 20 % В и 80 % А; точка D – 60 % В и 40 % А.

Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа в координатах температура – время (так же, как для металлов). Особенности поликристаллического строения сплавов в твердом состоянии изучаются с помощью оптического микроскопа обычно при 100–1000-кратном увеличении. Атомная структура сплавов и параметры кристаллических решеток определяются методом рентгеноструктурного анализа.

Рис. 3.4. Координаты для изображения диаграммы состояния двухкомпонентной системы

В зависимости от характера строения двухкомпонентных сплавов (в жидком состоянии оба компонента неограниченно растворяются друг в друге, образуя однородный жидкий раствор) различают следующие основные типы диаграмм состояния:

1) при образовании компонентами механической смеси;

2) при неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

3) при ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

4) при образовании компонентами химического соединения.

Диаграмма состояния сплавов из компонентов,
образующих в твердом состоянии механическую смесь

Экспериментально установлено, что при совместной кристаллизации сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии, температура начала кристаллизации всегда ниже, чем у исходных компонентов. Температура же окончания процесса перехода в твердое состояние одинакова для сплавов любого состава двухкомпонентной системы.

На рис. 3.5 приведена диаграмма состояния сплава с компонентами А и В. Выше линии КСN все сплавы двухкомпонентной системы представляют собой однофазный жидкий сплав (ж. с.). Эта линия называется линией ликвидуса (с греч. – жидкий), линия DСЕ – линией солидуса (с греч. – твердый). Ниже линии DСЕ все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой).

Эвтектикой, таким образом, называется механическая смесь кристаллов двух (или более) твердых веществ, одновременно закристаллизовавшихся из жидкого сплава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов или любых других их смесей. Это определение относится к твердой эвтектике. Жидкой эвтектикой называется жидкий расплав (раствор), из которого возможна такая кристаллизация.

В отличие от эвтектики, эвтектоид – аналогичная ей составляющая металлических сплавов, – образуется не из жидкой, а из твердой фазы. Эвтектоид, по сравнению с эвтектикой, имеет более тонкое дисперсное строение из двух или более фаз.

Рис. 3.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механическую смесь компонентов А и В

Эвтектический сплав данной системы имеет строго определенное процентное соотношение компонентов А и В. Сплавы, расположенные слева от эвтектики, называются доэвтектическими, а справа – заэвтектическими.

В доэвтектических сплавах сначала при охлаждении ниже линии ликвидуса КС выделяются кристаллы компонента А, а в заэвтектических – ниже линии СN – кристаллы компонента В.

После затвердевания, т.е. ниже линии солидуса DСЕ, доэвтектические сплавы состоят из кристаллов А и эвтектики, а заэвтектические – из кристаллов В и эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Например, экспериментально получены кривые охлаждения компонентов А и В и сплавов I (70 % А и 30 % В), II (50 % А и 50 % В) и III (20 % А и 80 % В) (рис. 3.6, а).Кристаллизация компонента А начинается и заканчивается при постоянной температуре t_A. Аналогично происходит кристаллизация компонента В при температуре t_B. Кристаллизация сплавов I, II и III происходит в интервале температур. Кристаллизация сплава I начинается при температуре t₁ и заканчивается при температуре t₂ с образованием твердого раствора a. Аналогично происходит кристаллизация и двух других сплавов – при температуре t₃ начинается и при температуре t₄ заканчивается затвердевание сплава II, а сплава III – при температурах t₅ и t₆. Разница только в интервале температур начала и конца кристаллизации.

Если на оси абсцисс сетки в координатах температура – концентрация (рис. 3.6, б) отметить точками исследованные сплавы и в каждой из этих точек восстановить перпендикуляры, т.е. провести линии сплавов, затем на эти линии, а также на левую и правую ординаты температур, соответствующие компонентам А (левая) и В (правая), перенести найденные критические точки от t_A до t_B и одноименные (имеющие одинаковый физический смысл) критические точки соединить плавными кривыми, то получится диаграмма состояния сплавов А и В с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (рис. 3.6, б).

Рис. 3.6. Построение диаграммы состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии [7]:
а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

На этой диаграмме кривая t_At₁t₃t₅t_B – кривая начала затвердевания сплавов – линия ликвидуса, а кривая t_At₂t₄t₆t_B – кривая конца затвердевания – линия солидуса.

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-либо сплава, например сплава I состава 50 % компонента А и 50 % компонента В по этой диаграмме при очень медленном охлаждении, т.е. полностью в равновесных условиях (рис. 3.7). При температуре t_л начинается кристаллизация и образуются первые кристаллы. На любой диаграмме состояния состав твердой части сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равновесии с жидкостью) при данной температуре показывает линия солидуса. Следовательно, первые образовавшиеся кристаллы имеют состав точки М. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает, например, температуры t₁, в равновесии с жидкостью уже находятся только кристаллы состава точки Л.

Рис. 3.7. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии

Рассмотрим, каким образом ранее образовавшиеся кристаллы состава точки М превращаются в кристаллы состава точки Л. В кристаллах состава М больше компонента В, чем в кристаллах состава Л; следовательно, кристаллы состава М обогащаются компонентом А. Этот процесс происходит за счет диффузии атомов компонента А в уже имеющиеся, т.е. возникшие до этой температуры, кристаллы. При достаточной выдержке или медленном охлаждении при t₁ устанавливается равновесие кристаллов точки Л и жидкого сплава. Но в кристаллах состава точки Л компонента В больше, чем в сплаве; следовательно, жидкая часть сплава беднее компонентом В. При этой температуре состав жидкой части сплава определяется линией ликвидуса, т.е. точкой N. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает температуры t₂ и устанавливается равновесие, сплав состоит из кристаллов состава точки К и жидкой части сплава состава точки Р. При достижении температуры t_c сплав полностью затвердевает и состоит из однородных кристаллов твердого раствора (состава 50 % А и 50 % В).

В реальных условиях ускоренного охлаждения состав кристаллов не получается однородным в связи с тем, что скорость кристаллизации больше скорости диффузии.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Один из видов такой диаграммы состояния показан на рис. 3.8. Число фаз в данной системе три – жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (обозначим его a) и твердый раствор компонента А в компоненте В (обозначим его b) [7].

Рис. 3.8. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной
растворимости компонентов А и В в твердом состоянии

На этой диаграмме линия КСD – линия ликвидуса, линия KECFD – линия солидуса. По линии ликвидуса КС из жидкого сплава выделяются кристаллы a, а по линии CD – кристаллы b. На линии солидуса КЕ сплавы затвердевают с образованием кристаллов a, на линии DF – кристаллов b. На линии солидуса ECF происходит одновременная кристаллизация a- и b-фаз с образованием эвтектики.

Сплав состава точки С после затвердевания состоит только из одной эвтектики a+b. Аналогично ранее рассмотренному случаю сплавы, по своему составу находящиеся левее эвтектической точки С (на линии ЕС), после затвердевания имеют структуру a+эвтектика (a+b) и являются доэвтектическими. Сплавы, по своему составу лежащие правее точки С (на линии СF), после затвердевания имеют структуру b+эвтектика (a+b) и являются заэвтектическими.

Линия ЕS показывает ограниченную растворимость в твердом состоянии компонента В в компоненте А, уменьшающуюся с понижением температуры, а линия FM – растворимость компонента А в В, не изменяющуюся с понижением температуры.

Точка Е характеризует предельную растворимость компонента В в компоненте А, а точка F – A в В. Если кристаллизуются сплавы, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), то при любой температуре в твердом состоянии все количество компонентов В (или А) находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен a (или b). В сплавах, состав которых находится между точками S и Е', т.е. за пределом растворимости В в А, образовавшиеся при затвердевании кристаллы a при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В, и поэтому происходит выделение из них избыточных кристаллов, которыми являются кристаллы b концентрации точки М, называемые вторичными (b₁₁). После полного охлаждения эти сплавы имеют структуру, состоящую из кристаллов a состава точки S и кристаллов b₁₁ – a + b₁₁. В сплавах состава линии EC, имеющих после затвердевания структуру a + эвтектика (a+b), из кристаллов a тоже выделяются кристаллы b, и после полного охлаждения будет структура a + эвтектика (a+b)+b₁₁.

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией, в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).

Диаграмма состояния сплавов с образованием компонентами химического соединения

Химическое соединение обозначают А_mB_n. Это означает, что в данном соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Диаграмма состояния сплавов для случая образования между компонентами химического соединения, состав которого при нагреве и охлаждении не изменяется, приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Диаграмма состояния сплавов для случая образования компонентами А и В химического соединения

Данная диаграмма как бы составлена из двух диаграмм: компонент А – химическое соединение A_mB_n и компонент В – химическое соединение A_mB_n.В сплавах левее точки С (соответствующей по составу химическому соединению A_mB_n) компонента А имеется больше, чем входит в химическое соединение. Следовательно, в этих сплавах левее точки С образуется эвтектика a+ A_mB_n. В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может входить в химическое соединение. Следовательно, в этих сплавах образуется эвтектика A_mB_n+b.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков.

а б

в г

Рис. 3.10. Свойства сплавов и вид их диаграммы состояния

На рис. 3.10 схематически показана зависимость свойств сплавов от типа диаграммы состояния, откуда можно вывести следующее: при образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства изменяются по плавным кривым (рис. 3.10, б); при образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью или механической смеси свойства изменяются прямолинейно (рис. 3.10, а, в); при образовании химического соединения свойства изменяются резко – скачком (рис. 3.10, г).

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

Основные свойства железа

Чистое железо – металл серебристо-белого цвета, весьма пластичный. Железо образует несколько окислов: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄. Температура плавления Т_пл=1539 °С, кипения – Т_кип=2450 °С. Свойства железа в значительной степени зависят от содержания углерода, в меньшей – от других компонентов, концентрация которых ниже (Si, Mn, P, S и др.).

Для железа характерно явление полиморфизма (аллотропии), при котором твердые вещества могут изменять тип кристаллической решетки и свойства под воздействием внешних факторов (температура, давление и т.д.) Железо имеет 4 полиморфные модификации: a-, b-, g- и d-Fe. Кристаллическая решетка a-, b- и d-Fe – ОЦК с разными межатомными расстояниями, g-Fe – ГЦК. Модификации a- и g-Fe способны образовывать твердые растворы с углеродом. Другими примерами веществ, обладающих аллотропными модификациями структуры и свойств, являются: углерод (алмаз и графит); двуокись кремния (a- и b-кварц, тридимит, кристобалит, стишовит, коэсит); серое и белое олово.

Полиморфные превращения являются обратимыми, в процессе выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении). На кривой охлаждения появляются критические точки и горизонтальные участки, соответствующие процессам перекристаллизации.

На рис. 3.11 приведена кривая охлаждения железа из расплавленного состояния, на которой горизонтальными участками отделены температурные интервалы существования различных модификаций железа.

Рис. 3.11. Кривая охлаждения железа

При переходе b-Fe в a-Fe тип кристаллической решетки сохраняется, но меняются физические свойства: железо из парамагнитного состояния переходит в ферромагнитное, т.е. при температуре ниже 768 °С становятся возможными спонтанная намагниченность материала и его доменная структура.

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение; a–железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в a-железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность: НВ 80; s_B=250 МПа (25 кгс/мм²) и высокую пластичность (Q=50 %). g-железо растворяет значительно большее количество углерода – до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в g-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160–200, Q=40¸50 %.

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe₃C, называемое цементитом или карбидом железа. В цементите содержится 6,67 % С; он имеет высокую твердость (~НВ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность.

Диаграмма состояния железо – цементит(Fe – Fe₃C)

Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (в упрощенном виде) приведена на рис. 3.12. На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (~1600 °С) – температуре плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD – линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и чугунов. Линия AECF – линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

Рис. 3.12. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (в упрощенном виде)

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса CD – цементит, называемый первичным цементитом.

В точке С при 1147 °С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебуритом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образованием аустенита. По линии солидуса ЕС (1147 °С) сплавы с содержанием 2,14–4,3 % С окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит+ледебурит. По линии солидуса CF (1147 °С) сплавы с содержанием 4,3–6,67 % С окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит+ледебурит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием до 2,14 % С образуется однофазная структура – аустенит. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристаллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, в которых при кристаллизации образуется ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием более 2,14 % С. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ. Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Критические точки, лежащие на линии GS, обозначают А₃ (при нагреве Аc₃, а при охлаждении Аr₃). Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147 °С в аустените может раствориться 2,14 % С, а при 727 °С – 0,8 % С. С понижением температуры из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным. Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Аст. В чугунах с содержанием 2,14–4,3 % С при 1147 °С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит.

Линия PSK (727 °С) – линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом (~НВ 200). Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначают А₁ (при нагреве Ас₁, а при охлаждении Ar₁).

Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727 °С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже 727 °С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным.

Ниже 727 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

Стали, содержащие менее 0,8 % С – феррит+перлит, называют доэвтектоидными сталями (рис. 3.13, а).

Стали с содержанием 0,8 % С – перлит, называют эвтектоидными сталями (рис. 3.13, б).

Стали с содержанием 0,8–2,14 % С – перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталями (рис. 3.13, в).

В рассмотренных выше сплавах, таким образом, имеются 3 твердые фазы – феррит, цементит и аустенит и эти же фазы в структурно связанном состоянии: эвтектоид – перлит и эвтектика – ледебурит.

В сплавах железо – углерод при распаде аустенита взможна кристаллизация углерода в свободном состоянии в виде графита.

Рис. 3.13. Микроструктура стали [7]: а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), ´500; б – эвтектоидная сталь – перлит, ´ 1000; в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит (в виде сетки), ´ 200

Графит является неметаллической фазой, он мягок и обладает низкой пластичностью, располагается в основной массе сплава, имеет развитую объемную форму в виде пластинок.

Диаграмма состояния системы железо – цементит используется на практике для определения видов и режимов термической обработки стали с целью придания сплаву необходимых свойств.

Термическая и химико-термическая обработка стали

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава и обусловленные этим изменения физических, механических и других свойств.

Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на основе a- и g-Fe. В результате полиморфизма происходит изменение кристаллической структуры сплавов в твердом состоянии. Следует отметить, что нагрев или охлаждение однокомпонентного металла (железа) не оказывает значительного влияния на его структуру и свойства. Между тем термическая обработка углеродистой стали при определенных условиях позволяет изменять структуру материала и его физико-механические свойства в широких пределах.

Термической обработке с целью требуемого изменения структуры и свойств (твердости, обрабатываемости и др.) подвергают как полуфабрикаты (заготовки), так и готовые изделия (детали, инструмент). В зависимости от структурного состояния стали, получаемого в результате применения термообработки, последняя подразделяется на отжиг (первого и второго рода), нормализацию, закалку и отпуск.

Технологический процесс термообработки включает 3 последовательно выполняемые операции:

1) нагрев до определенной температуры;

2) выдержку при этой температуре;

3) охлаждение с заданной скоростью.

Для понимания особенностей фазовых превращений, происходящих при термической обработке стали, необходимо рассмотреть процесс перехода аустенита в перлит. Этот процесс включает 4 этапа.

1. При охлаждении аустенита до температуры, равной 727 °С, происходит практически мгновенный переход g-Fe в a-Fe с изменением типа кристаллической решетки с ГЦК на ОЦК. При этом выделяется избыточный углерод, который не успевает диффундировать и остается в решетке железа. В результате образуется сплав – пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, который носит название мартенсит (твердость – 62 – 65 НВ).

2. Углерод начинает диффундировать к центрам кристаллизации, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и цементита Fe₃C. Линейный размер кристаллов цементита составляет ~10^-5мм. Такой сплав называется трооститом (твердость – 40 НВ).

3. Зерна Fe₃C увеличиваются до ~10^-4мм, и образуется смесь кристаллов a-Fe+C и Fe₃C, которая называется сорбитом (твердость – 30 НВ).

4. Зерна Fe₃C вырастают до размера, превышающего 10^-3 мм, и образуется перлит (твердость – 15–20 НВ).

Структуры аустенита и перлита являются стабильными (равновесными), а мартенсита, троостита и сорбита – неравновесными.

Известно, что если аустенит охлаждать со скоростью 50 град/с, образуется сорбит; 100 град/с – троостит; 150–200 град/с – мартенсит. При термообработке, вызывающей переход аустенита в мартенсит, плотность стали уменьшается [плотность аустенита – (8,0–8,1) г/см³, мартенсита – 7,8 г/см³], а линейные размеры и объем увеличиваются. Поэтому после термообработки в материале возникают внутренние механические напряжения.

Отжигом называется процесс термической обработки, включающий нагрев до определенной температуры, выдержку и последующее, как правило медленное, охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры стали. В результате отжига устраняются внутренние напряжения, измельчается зерно, повышается пластичность стали.

Отжиг первого рода – это термическая обработка, при которой, как правило, не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные целевым назначением. В зависимости от температурного режима отжиг первого рода устраняет неоднородности химического состава или физических свойств, созданные предшествующими обработками. Разновидностями отжига первого рода являются диффузионный и рекристаллизационный.

Целью диффузионного отжига (гомогенизации) являются выравнивание химического состава и удаление дендритной структуры кристаллов в фасонных отливках и слитках легированной стали. Неоднородность химического состава заготовок повышает анизотропию их свойств и склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению. Диффузионный отжиг производится при температурах 1100 – 1200 °С в течение 30 – 50 ч. Только при таких условиях наиболее эффективно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали по всему объему. Общая продолжительность процесса, включающая нагрев, выдержку и медленное охлаждение со скоростью 30 – 100 град/ч (обычно вместе с печью), может превышать 100 ч.

Рекристаллизационный отжиг (разновидность низкого отжига) – термическая обработка холоднодеформированной стали, включающая нагрев выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Целью рекристаллизационного отжига является устранение наклепа и получение определенной величины зерна. Наклеп возникает в результате весьма высоких давлений, применяемых при обработке давлением, резанием и пр. Зерна поверхностных слоев приобретают вытянутую форму. Создаются относительные смещения (сдвиги) частей кристаллической решетки.

Рекристаллизационный отжиг применяют как до, так и после холодной обработки давлением для снятия созданных наклепом внутренних напряжений в материале.

Для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса температура отжига должна превышать температуру порога рекристаллизации. Для углеродистых сталей (содержащих 0,08 – 0,2 % углерода), чаще подвергаемых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура отжига составляет 680 – 700 °С, продолжительность – от 0,5 до 1,5 ч.

После отжига зерна поверхностных слоев материала, деформированные и сплющенные после наклепа, восстанавливают нормальную форму. Сталь приобретает мелкозернистое строение, пониженную твердость, повышаются пластичность и обрабатываемость в холодном состоянии.

Целью отжига второго рода являются фазовые превращения – перекристаллизация стали с достижением практически равновесного структурного (фазового) состояния. Различают следующие разновидности отжига второго рода: полный, неполный, изотермический.

Полному отжигу подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений. Сталь нагревают до температуры на 30 – 50 °С выше точки Ас₃. При нагреве исходная крупнозернистая ферритно-перлитная структура превращается в мелкозернистую структуру аустенита, обеспечивающую высокие вязкость и пластичность стали. Продолжительность выдержки должна быть достаточной для полного прогрева всего объема материала и завершения фазовых превращений. Чрезмерное повышение температуры выше точки Ас₃ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали.

При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура. Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых степенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферритно-карбидной структуры и свойственной ей высокой твердости.

Скорость охлаждения, необходимая для полного отжига, зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, следовательно, от состава стали. В связи с этим легированные стали, отличающиеся высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются значительно медленнее (10 –100 °С/ч), чем углеродистые (200 – 250 °С/ч).

Заэвтектоидную сталь полному отжигу не подвергают.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита в зернистый. Для получения зернистого перлита заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше точки Ас₁ (до 740 – 780 °С). При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а цементит остается и образуется структура цементит+аустенит.

При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется ферритоцементитная структура с зернистой формой цементита – зернистый перлит. Заэвтектоидные (инструментальные) стали подвергают только неполному отжигу для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием, а также подготовки структуры к закалке.

Доэвтектоидные стали неполному отжигу подвергают редко в связи с неполной перекристаллизацией структуры.

Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей с целью полного распада аустенита и образования ферритно-перлитной структуры. Нагрев осуществляется при температуре, применяемой для полного отжига. Затем производят сравнительно быстрое охлаждение (переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки Ас₁ (~650 °С), и начинают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Преимущество изотермического отжига состоит в снижении продолжительности процесса по сравнению с полным отжигом. При выборе температуры выдержки изотермического отжига, близкой к температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области, достигается минимальное время процесса. Другим преимуществом отжига является получение более однородной структуры материала.

Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость стали резанием и чистоту поверхности, уменьшает склонность к деформации при последующих термической и (или) химико-термической обработках.

Нормализация – это термическая обработка, включающая нагрев до температуры на 30 – 50 градусов выше критических точек Ас₃ для доэвтектоидной стали и Аст для эвтектоидной стали, выдержку при этой температуре и охлаждение на воздухе.

Вследствие более быстрого охлаждения, чем при полном отжиге, структура перлита после нормализации является такой же, как после полного отжига, но более дисперсной (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).

Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после полного отжига. Нормализация применяется обычно для исправления структуры перегретой и литой стали, измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой и резанием, подготовки к закалке, устранения сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали [7]. Нормализация, по сравнению с отжигом, – более экономичная операция, так как не требует длительного охлаждения вместе с печью.

Закалка стали применяется для значительного повышения прочности и твердости материала. Закалка производится нагреванием на 30 – 50 градусов выше температур, соответствующих линии аустенитного превращения (GSK) диаграммы состояния Fe – C (рис. 3.12); затем осуществляется выдержка в течение необходимого времени. Охлаждение после закалки проводится с высокой скоростью 100 – 500 град/с. Основным и решающим фактором, определяющим структуру и физико-механические свойства закаленной стали, является именно скорость охлаждения.

Особое значение для закалки имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650 – 550 °С). Обычно этот интервал температур при закалке необходимо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300 – 200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом интервале требуется более медленное охлаждение во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

На практике применяют следующие охлаждающие среды: вода, 10 %-е растворы NaCl, H₂SO₃, Na₂CO₃ в воде, машинное масло, трансформаторное масло, эмульсия масла в воде, мыльная вода, керосин, воздух.

Углеродистые стали, имеющие высокую критическую скорость закалки, охлаждают (закаливают) в воде, а легированные стали, имеющие более низкую критическую скорость закалки, охлаждают в масле, где охлаждение происходит медленнее. Недостатком масла как охлаждающей среды являются его легкая воспламеняемость и относительно высокая стоимость. С понижением температуры охлаждающей среды закалка стали становится более резкой.

Существуют следующие способы закалки: в одном охладителе; в двух средах; с подстуживанием (перед погружением в охладитель материал некоторое время выдерживают на воздухе); ступенчатая; изотермическая закалка и др.

Существует метод поверхностной закалки – нагревание за счет теплового действия тока, индуцируемого в поверхностных слоях материала при помещении его в электромагнитное поле высокой частоты.

Кроме высоких прочности и твердости, закаленная сталь приобретает и повышенную хрупкость.

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁ с выдержкой при этой температуре и с последующим сравнительно медленным охлаждением на воздухе. Целью отпуска являются частичное или полное устранение внутренних напряжений, снижение твердости и повышение вязкости.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали. Основными факторами, влияющими на свойства стали после отпуска, являются температура нагрева и продолжительность выдержки. В зависимости от значения температуры отпуск разделяют на низко- и высокотемпературный.

Цель низкотемпературного отпуска, проводимого при 150 – 250 °С, – уменьшение внутренних напряжений в закаленной детали без снижения твердости. Отпуск проводят в масляных или солевых ваннах. Низкотемпературный (низкий) отпуск называют также отпуском на мартенсит.

Среднетемпературный (средний) отпуск – отпуск на троостит – происходит при нагреве до температур 350 – 450 °С. При этом снижается твердость стали.

Высокотемпературный (высокий) отпуск – отпуск на сорбит – производится при температуре 500 – 650 °С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением стали. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35 – 0,60 % С).

Химико-термическая обработка стали – это процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При химико-термической обработке протекают следующие процессы [7]: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диффузия).

Химико-термическая обработка позволяет получить стальную деталь с твердым поверхностным слоем и мягкой сердцевиной.

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, кремнием, бором и др.

Цементация – процесс химико-термической обработки, представляющей собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом. В поверхностном слое содержание углерода составляет 0,8 – 1,0 %.

Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, называемых карбюризаторами. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь с добавлением углекислых солей (ВаСО₃, Na₂CO₃ и др.). Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и другими веществами) применяют в случаях, когда нужно получить тонкий цементированный слой с высоким содержанием углерода. Газовую цементацию проводят при нагреве деталей до 900 – 950 °С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий углеродсодержащий газ (метан, бензол и др.).

Цементированные детали (зубчатые колеса, ролики подшипников и др.) подвергают термической обработке, наиболее часто – закалке при 820 – 850 °С и отпуску.

Азотирование – процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель азотирования – получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование) [7].

Для азотирования детали нагревают (при 500 – 700 °С) в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH₃. Образовавшийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, воздействует на сталь и образует с элементами, входящими в ее состав (Fe, Cr, Al), нитриды, придающие поверхностному слою очень высокую твердость. Недостаток азотирования – длительность процесса (до 90 ч). Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, зубчатые колеса, штампы, пуансоны и др. Антикоррозионному азотированию подвергают в основном углеродистые стали при 600 – 700 °С с выдержкой в течение 0,5 – 1 ч.

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде – нитроцементацией. Цель этих процессов – получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей. Процессы проводятся при температуре 820 – 960 °С, их продолжительность 1,5 – 6,0 ч. Затем детали (широкой номенклатуры) охлаждают на воздухе, подвергают закалке и отпуску.

Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагревании в соответствующей среде. Обычно борирование выполняют при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇), при этом стальное изделие является катодом. Процесс проводят при температуре 930 – 950 °С в течение 2 – 6 ч. В результате борирования износостойкость деталей возрастает в 2 – 6 раз.

Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости стальных деталей. Насыщение при 1000 – 1200 °С проводят в твердых, жидких и газовых средах.

Свойства, классификация и маркировка сталей

Как указывалось выше, сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием углерода до 2,14 %

На свойства стали значительное влияние оказывают постоянные (нежелательные) примеси (сера, фосфор, газы), а также технологические добавки (кремний, марганец и др.). Примеси могут попадать в сплав из природных соединений и руд, а также при переработке металлолома. Основным элементом сплава, по отношению к которому все остальные элементы – примеси, является тот, чья атомная решетка определяет кристаллографическое строение всего сплава. Пока содержание элементов в стали таково, что кристаллографическое строение сплава определяется решеткой железа, сплав называется легированной сталью. Когда содержание элементов достигает таких значений, что строение сплава определяется решеткой добавочных элементов, а не железа, то говорят уже о сплаве (титановом, никелевом и др.).

Если сталь имеет в своем составе железо, углерод и некоторое количество постоянных примесей (S, P, Si, Mn, газы), то такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирующие элементы (Cr, Ni, W, Mo и др.), а также Mn и Si в повышенном количестве (более 0,8 – 1,0 %), то такую сталь называют легированной.

Углерод оказывает основное влияние на свойства углеродистой стали, находится в ее составе главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Сера является нежелательной примесью, образует с железом сульфид железа FeS, который находится в стали в виде эвтектики Fe – FeS с температурой плавления 985 °С.

При нагреве стали до температуры 1000 – 1200 °С для горячей обработки давлением эвтектика плавится, сера кристаллизуется на границах зерен, что приводит к нарушению связи между зернами, повышению хрупкости, разрушению при деформации вследствие образования внутренних трещин и надрывов. Это явление называют красноломкостью. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %.

Фосфор растворяется в a- и g-Fe, искажает кристаллическую решетку и ухудшает пластичность стали. Фосфор вызывает явление хладноломкости, является нежелательной примесью, содержание которой в сталях должно быть менее 0,08 %.

Азот, кислород присутствуют в сплавах в составе оксидов, нитридов – хрупких неметаллических соединений (включений), которые создают дефекты кристаллической структуры. Они являются концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность).

Водород поглощается сталью в атомарном состоянии. При охлаждении сплава растворимость водорода снижается, он накапливается в микропорах под высоким давлением. Это может привести к образованию в материале внутренних надрывов (флокенов).

Марганец и кремний – полезные примеси. Их добавляют в сталь при выплавке. Марганец существенно снижает красноломкость стали, образует пластичный MnS с температурой плавления 1620 °С. Марганец увеличивает твердость, прочность и износостойкость стали, при его содержании более 1,5 % снижается пластичность стали.

Кремний связывает закись железа (FeO) с образованием силикатов (FeO×SiO₂), которые удаляются вместе со шлаками. Кроме того, кремний понижает склонность стали к хладноломкости, способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках. Кремний способствует изменению магнитных свойств стали, а при содержании его в количестве 15 – 20 % придает материалу кислотоупорность.

Обычное содержание кремния в углеродистой стали – не более 0,4 %, марганца – 0,8 %.

Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению. По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физико-химическими свойствами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные.

Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и конструкций; инструментальные – режущих, измерительных инструментов, штампов и т.д. К сталям и сплавам с особыми свойствами относят жаропрочные, коррозионно-стойкие, магнитные и др. Они нашли широкое применение в приборостроении, в том числе в медицинской технике.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитываются способ выплавки и содержание серы и фосфора. Стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание нежелательных примесей – до 0,06 % серы и до 0,08 % фосфора, их механические свойства ниже, чем у сталей других групп. Качественные стали содержат серу и фосфор в концентрации менее 0,035 % каждого элемента. Высококачественные стали, выплавляемые в электропечах, содержат менее 0,025 % и серы, и фосфора. Особо высококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву с вакуумированием, содержат серу и фосфор в концентрации, не превышающей 0,015 %.

Углеродистые стали

В зависимости от содержания углерода стали делятся на низкоуглеродистые с содержанием углерода 0,09 – 0,25 %, среднеуглеродистые с содержанием 0,25 – 0,60 % углерода и высокоуглеродистые с содержанием более 0,60 % углерода.

Стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми и широко применяются в тех случаях, когда к материалу не предъявляются повышенные требования. По сравнению с качественными сталями они содержат больше серы, фосфора, неметаллических включений вследствие менее тщательной очистки в процессе выплавки. Из углеродистых сталей обыкновенного качества изготавливают балки, прутки, листы, трубы; сварные, клепаные и болтовые конструкции (балки, фермы, детали подъемных кранов и др.); малонапряженные детали машин (оси, валы, шестерни, втулки, валики, болты и др.). Детали машин часто упрочняются с помощью термической обработки.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6, БСт0,…, БСт6, ВCт0, …, ВСт6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от гарантируемых химического состава и свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы: А, Б, В (группа А в марке стали не указывается). Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается горячей обработке. Для стали группы Б гарантируется химический состав, сталь подвергается обработке давлением; для стали группы В гарантируются химический состав и механические свойства (используется для сварных конструкций).

К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. Эти стали выплавляются кислородно-конвертерным способом в мартеновских или электропечах.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами: 05, 08, 10, 15, 20, …, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такие стали делят на несколько групп.

Низкоуглеродистые качественные стали 05, …, 10 (без термической обработки) хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин и сварных конструкций.

Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых качественных сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Их применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии для изготовления неответственных деталей машин, после цементации – деталей с повышенной износостойкостью (кулачковые валики, кронштейны и др.).

Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Они хорошо обрабатываются на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Сочетание высоких прочностных и пластических свойств позволяет применять эти стали для изготовления ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего приобретают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Применяются для изготовления пружин, рессор, замковых шайб и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, затем цифру – среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С, сталь У11 – 1,1 % С.

Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием) – буква Ш. В марках некоторых специальных сталей буква впереди указывает на назначение: А – автоматная сталь (А30), Р – быстрорежущая сталь (Р12) и др.

Легированные стали

Легированными называют стали, в которых, кроме железа, углерода, случайных примесей и технологических добавок, содержатся легирующие элементы для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден и др.

Легированные стали делят на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %, среднелегированные – 2,5 – 10,0 % и высоколегированные – более 10 %.

Основной целью легирования является изменение строения стали и ее физико-механических свойств. Легированием можно повысить твердость стали, сопротивление износу и коррозии и т.д. В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.

Влияние легирующих элементов на свойства стали определяется их концентрацией и особенностями взаимодействия с железом и углеродом. При взаимодействии с железом легирующие компоненты обычно образуют твердые растворы или химические соединения, а при взаимодействии с углеродом находятся в связанном или свободном состоянии.

При образовании твердых растворов замещения железа с легирующими компонентами возможна как полная (Ni, Co), так и ограниченная растворимость (Cr, W, Mo). Если введенное в сталь количество примесей превышает предел растворимости, то избыток образует с железом химические соединения: FeCr, Fe₃W₂, Fe₃Mo₂ и т.д. При образовании твердых растворов изменяются все свойства исходного материала, особенно физические и механические. При образовании механических соединений изменяются, главным образом, механические свойства стали.

Легирующие компоненты Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr и др. образуют с углеродом устойчивые карбиды Mn₃C, Cr₄C₃, WC₂, Mo₂C, VC, TiC, NbC, TaC, ZrC, повышающие предел прочности и твердость стали. Все легирующие компоненты, за исключением Мn, при нагревании стали задерживают рост зерна аустенита, что позволяет подвергать легированные стали обработке давлением, не опасаясь перегрева.

Легирующие элементы оказывают влияние и на другие свойства стали: Ni, V, Co повышают вязкость; Mn, Ni, Cr увеличивают стойкость к истиранию; Ni, Cr, Cu, Si, Mo и др. повышают коррозионную стойкость.

По структуре легированные стали в отожженном состоянии разделяют на следующие группы: доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре в нормализованном состоянии легированные стали делят на три класса:

1) перлитные (содержание легирующих компонентов – до 5 %);

2) мартенситные (содержание легирующих компонентов от 5 до 13 %);

3) аустенитные (содержание легирующих компонентов – до 20–30 %).

Наиболее распространенными являются легированные стали доэвтектоидные, эвтектоидные и перлитные, к которым относятся низко- и среднелегированные конструкционные и инструментальные стали. Стали мартенситные, ферритные, ледебуритные и заэвтектоидные являются высоколегированными.

Качественные, высококачественные и особо высококачественные стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содержанию в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных сталей.

Легирующие элементы указывают русскими буквами: марганец – Г, кремний – С, хром – Х, никель – Н, вольфрам – В, ванадий – Ф, титан – Т, молибден – М, кобальт – К, алюминий – Ю, медь – Д, бор – Р, ниобий – Б, цирконий – Ц, азот – А.

Цифры, следующие после букв, указывают содержание легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает на то, что сталь содержит менее 1,5 % указанного элемента. Исключением являются вольфрам и молибден.

Для высококачественных конструкционных сталей в конце марки ставят букву А. Например, сталь 12Х2Н4 – качественная конструкционная с содержанием 0,12 % углерода, 2 % хрома и 4 % никеля; сталь 12Х2Н4А – высококачественная такого же состава. В конце марки стали особо высокого качества (электрошлакового переплава) стоит буква Ш.

Все стали инструментальные легированные и с особыми свойствами всегда высококачественные, поэтому в конце марки этих сталей буква А не ставится.

Легированные конструкционные стали делят на цементируемые, улучшаемые и высокопрочные.

Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси и др.) применяют низкоуглеродистые цементируемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность деталей приобретает высокую твердость, а сердцевина не упрочняется.

Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали – это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки, состоящей в закалке с 820 – 880 °С в масле с последующим высоким отпуском (550 – 650 °С). Для тяжело нагруженных деталей больших размеров применяют легированные стали марок 40ХН, 30ХГСА и др.

Для деталей с высоким пределом прочности (s_В=1500–2500 МПа) используют высокопрочные стали на основе железа, легированного никелем, кобальтом, титаном, молибденом, хромом и другими элементами марок Н12К15М10, Н18К9М5Т и др. Такие стали называются мартенситностареющими, их закаливают с 800 – 860 °С на воздухе с последующим старением при 450 – 500 °С. Применяют их для особо ответственных тяжело нагруженных деталей.

К конструкционным легированным сталям относятся также износостойкие, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые и др.

Основными свойствами инструментальных легированных сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Инструментальные стали делят на углеродистые (рассмотренные ранее), легированные и быстрорежущие.

Инструменты из легированных сталей после закалки, как правило в масле, и низкого отпуска имеют высокую твердость, отличаются повышенной вязкостью, меньшей склонностью к деформациям и трещинообразованию при закалке. Из легированных инструментальных сталей марок 9ХС, ХВГ, В1, ХВ5 и других изготавливают различные режущие инструменты, имеющие сложную конфигурацию.

При изготовлении штампов для горячей обработки металлов применяют легированные инструментальные стали сложного состава: 4Х2В5ФМ, 4Х3ВФ2М2, 3Х2В8Ф и др.

Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь относится к ледебуритному (карбидному) классу сталей. В ее состав входят карбидообразующие элементы – хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.

Высокие режущие свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей марок Р6, Р9, Р12, Р18 (цифра после буквы показывает среднее содержание вольфрама в процентах), получают после закалки с температуры 1210 – 1290 °С в зависимости от марки стали с последующим отпуском. Режущие свойства инструментов повышают также с помощью цианирования.

Электро- и теплопроводность металлов и сплавов

Электропроводность металлов

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных свободных валентных электронов. К электронному газу применялись представления и законы обычных газов. Это привело к выводу законов Ома и Джоуля – Ленца, позволило описать и объяснить ранее обнаруженные экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах.

Однако исчерпывающее объяснение явлений электропроводности оказалось возможным на основе квантовой механики. В соответствии с квантово–механическими представлениями причиной наличия электрического сопротивления твердых тел является не столкновение свободных электронов с атомами решетки (как в классической теории Друде), а рассеяние их на дефектах решетки, вызывающих нарушение периодичности потенциала. Идеально правильная, бездефектная неподвижная решетка не способна рассеивать свободные носители заряда и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением.

Подвижность и длина свободного пробега электронов в твердом теле зависят от структуры материала. Чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления r. Примеси, искажая решетку, приводят к увеличению r. С позиций квантовой механики рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины волны электрона; нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн де Бройля. В металлическом проводнике, где длина волны электрона порядка 5 Å, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов и длину свободного пробега, и, следовательно, приводят к росту r.

Так как в металлах концентрация электронного газа n практически не зависит от температуры (Т), то зависимость удельного сопротивления r (и обратной величины удельной электропроводности s) от температуры полностью определяется температурной зависимостью подвижности (m) и пропорциональной ей длины свободного пробега электронов (l).

Вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т.е. уменьшается среднестатистическая длина свободного пробега l, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Зависимость удельного сопротивления металлов и сплавов от температуры: 1 – железо; 2 – электротехническая сталь с содержанием 4 % Si; 3 – сплав Fe-Ni-Cr

Удельное сопротивление сплавов

Как указывалось, примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления.

Значительное возрастание r наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих твердый раствор, от процентного содержания каждого из них представлена на рис. 3.15 (кривая а). Кривая имеет максимум, соответствующий некоторому соотношению содержания компонентов в сплаве; при уменьшении содержания каждого из них r падает, приближаясь к соответствующим значениям r чистых металлов. Обычно наблюдается определенная закономерность и в изменении ТКr (ТК – температурный коэффициент): относительно высокими значениями ТКr обладают чистые металлы, а у сплавов ТКr меньше и даже может приобретать небольшие по абсолютной величине отрицательные значения (рис. 3.15, кривая б). Это объясняется тем, что у сплавов изменение r вызывается не только изменением подвижности носителей заряда, но в некоторых случаях и возрастанием концентрации носителей при повышении температуры.

Рис. 3.15. Зависимость r (а) и ТКr (б) сплавов системы Cu-Ni от состава (в процентах по массе)

Теплопроводность

Тепло через металл передается в основном теми же свободными электронами, которые определяют и электропроводность металлов; количество их в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности h металлов много больше, чем у диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях чем больше удельная электрическая проводимость s металла, тем больше его коэффициент теплопроводности h. При повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость s уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной электрической проводимости h/s должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана – Франца – Лорентца:

h/s = L₀T, (3.1)

где Т – абсолютная температура, К; L₀ – число Лорентца, равное

. (3.2)

Подстановка в (3.2) значений постоянной Больцмана k = 1,38×10^-23 Дж/К и заряда электрона e = -1,6×10^-19 Кл дает L₀ = 2,45×10^-8 В²/К².

Закон Видемана – Франца – Лорентца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной или несколько повышенных.

Проверим справедливость этого закона для меди при нормальной температуре. Подставляя в формулу (3.1) параметры меди: s = 57×10⁶ См/м и h= 390 Вт/(м×К), получаем (при Т = 293 К) L₀ = 2,54×10^-8 В²/К², что весьма близко к теоретическому значению. При нормальной температуре для алюминия L₀ = 2,1×10^-8, для свинца и олова – 2,5×10^-8, для железа – 2,9×10^-8 В²/К².

Однако в области низких температур коэффициент при Т в уравнении (3.1) уже не остается неизменным: так, для меди при охлаждении он проходит через минимум, а при приближении к абсолютному нулю вновь близок к теоретическому значению L₀.

Полупроводниковые материалы

2012-10-22T12:52:32Z

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие свойства и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10^-6–10⁹ Ом×м, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают совокупностью физических свойств, которые выделяют их среди других материалов.

В отличие от проводников электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры (рис. 4.1). Для полупроводников характерна зависимость значения удельной проводимости от вида и количества содержащихся в них примесей. Например, при введении в чистый кремний 0,001 % фосфора его удельная проводимость увеличивается в 10⁵ раз.

Рис. 4.1. Зависимость удельной проводимости от температуры для металлов (а) и полупроводников (б)

Свойства полупроводниковых материалов сильно зависят от внешних факторов – электрического и магнитного полей, электромагнитного и ядерного излучений и др.

По химическому составу полупроводниковые материалы делят на простые вещества (атомные, элементарные полупроводники – германий, кремний, теллур и др.) и химические соединения различных типов. Если входящие в состав соединений вещества обозначить как А и В, то основные типы бинарных соединений представляют следующим образом: A^IIB^VI(Cu₂O, CuS и др.), A^IIIB^V(GaAs, GaP, InP и др.), A^IVB^IV(SiC и др.). Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям CuAlS₂, CuSbS₂, CuFeS₂, ZnSiAs₂, PbBiSe₂ и твердым растворам GeSi, GaAs_1-_xP_x, In_xAl_1-_xSb и др. К твердым органическим полупроводникам относятся фталоцианин, антрацен, нафталин и др.

Основным типом химической связи между атомами в элементарных полупроводниках является ковалентная, в химических соединениях – смешанная ионно-ковалентная. Наиболее распространенными типами кристаллической структуры являются структура типа алмаза (ГЦК с базисом) для простых веществ; сфалерита и вюрцита – для химических соединений. По структуре полупроводниковые материалы могут быть монокристаллическими, поликристаллическими и неупорядоченными (стеклообразными).

Уникальные свойства полупроводниковых материалов обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, а также датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и др. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации различного электронного оборудования.

Энергетические зоны и электрические свойства твердых тел

Понимание физических явлений, происходящих в полупроводниках, невозможно без знания положений зонной теории твердого тела, основанных на представлениях квантовой механики.

Электрон в изолированном атоме может находиться лишь на строго определенных дискретных энергетических уровнях, которые разделены интервалами запрещенных энергий. Дискретность значений энергии электронов в изолированном атоме подтверждается характером спектров поглощения и излучения разреженных газов, т.е. определенными спектральными линиями, наличие которых объясняется переходом электрона с одного уровня на другой, при котором излучается или поглощается свет определенной частоты, соответствующей разности энергий этих уровней.

При образовании кристалла благодаря сближению N одинаковых атомов на расстояния, близкие к расстоянию между атомами в кристаллической решетке а, начинает проявляться взаимодействие атомов между собой. В этом случае принцип Паули распространяется на всю совокупность атомов как на единую систему, и в результате такого взаимодействия эквивалентные уровни электронов изолированных атомов образуют не энергетические уровни Е₁–Е₃, на каждом из которых находится в N раз больше электронов, а энергетические зоны, состоящие из N уровней (рис. 4.2). Так как в кристалле объемом 1 м³ имеется примерно 10²⁸атомов, а ширина энергетической зоны порядка 1 эВ, расстояние между энергетическими уровнями в зоне составляет около 10^-28 эВ.

Рис. 4.2. Энергетические зоны при сближении атомов

Для реально возможных микроскопических объемов кристалла расстояние между энергетическими уровнями не превышает 10^-17 эВ. В то же время при комнатной температуре энергия электронов порядка 0,03 эВ. Поэтому электроны могут свободно переходить с одного уровня на другой внутри зоны; можно считать, что энергетические зоны являются квазинепрерывными.

Энергетические зоны, подобно энергетическим уровням электрона в изолированном атоме, в общем случае разделены интервалами запрещенных энергий DЕ_i, которые называют запрещенными зонами.

Электроны в изолированном атоме стремятся занять уровни с минимальной энергией; верхние энергетические уровни остаются свободными. В соответствии с этим не все энергетические зоны твердого тела заняты электронами. Самую верхнюю из заполненных зон называют валентной зоной, а самую нижнюю из свободных зон – зоной проводимости.

Так как движение электрона во внешнем электрическом поле связано с изменением его скорости и энергии, то на энергетической схеме такое движение соответствует перемещению электрона по близлежащим уровням разрешенной зоны. Это означает, что принимать участие в электропроводности могут только те электроны твердого тела, которые расположены в зонах, не полностью заполненных электронами.

У атомов металлов (за исключением щелочно-земельных элементов) на верхнем занятом электронами уровне электронов меньше, чем возможных состояний. Например, у атома Na электроны по уровням (состояниям) распределены следующим образом: 1s²2s²2p⁶3s. На уровне 3s находится один электрон вместо двух возможных. Валентная зона твердого тела, возникающая в результате расщепления уровня 3s, также оказывается не полностью заполненной.

У элементов II группы таблицы Д.И. Менделеева расщепление соответствующих энергетических уровней происходит таким образом, что полностью заполненная валентная зона и полностью свободная зона проводимости перекрываются, образуя одну общую зону, в которой энергетических состояний больше, чем имеющихся электронов. Электроны таких зон могут принимать участие в электропроводности. Этим и объясняется высокая проводимость элементов этой группы.

У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещенная зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов. С этой точки зрения различие между диэлектриком и полупроводником чисто количественное. К полупроводникам условно относят вещества с шириной запрещенной зоны DЕ₀=0,05 – 3 эВ, а к диэлектрикам – вещества с DЕ₀> 3 эВ.

Собственные и примесные полупроводники

Собственными называют полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей. Зонная диаграмма таких полупроводников представлена на рис. 4.3,а, где Е_с – нижний энергетический уровень зоны проводимости, называемый дном зоны проводимости; Е_v – верхний энергетический уровень валентной зоны, называемый потолком валентной зоны; DЕ₀ – ширина запрещенной зоны.

Практически чаще пользуются энергетической схемой, изображенной на рис. 4.3,б, где представлены лишь потолок валентной зоны и дно зоны проводимости. Стрелкой обозначен энергетический переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, который может быть осуществлен за счет энергии тепловых колебаний решетки или энергии внешнего воздействия на полупроводник. С уходом электрона в зону проводимости в валентной зоне полупроводника остается свободным энергетическое состояние, называемое дыркой, а сама валентная зона становится не полностью заполненной.

Рис. 4.3. Зонная диаграмма собственного полупроводника

В качестве примера собственного полупроводника рассмотрим монокристалл кремния, являющегося элементом IV группы таблицы Д.И. Менделеева. В кристаллической решетке кремния у каждого атома с каждым из четырех ближайших к нему соседей существует ковалентная связь. Плоская модель кристаллической решетки кремния представлена на рис. 4.4, где имеется изображение символа ковалентной связи, в которой участвуют два электрона. При разрыве ковалентной связи между атомами кремния образуются свободный электрон и незавершенная связь, которой на зонной диаграмме соответствует возможное, но не занятое электроном состояние в валентной зоне – дырка. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотическое движение в пределах кристалла. Происходит это вследствие того, что электрон соседней ковалентной связи за счет энергии тепловых колебаний решетки может заполнить незавершенную ковалентную связь, в результате чего дырка из положения 1 перейдет в положение 2. По этим же причинам она может перейти в положение 3,4 и т.д. Таким образом, движение дырки осуществляется за счет перемещения электрона, участвующего в ковалентной связи.

Итак, в результате разрыва ковалентной связи образуется пара свободных носителей заряда – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, которые и создают собственную электропроводность полупроводника. Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи, определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. Для кремния она составляет 1,12 эВ. Свободные носители заряда при комнатной температуре возникают вследствие флюктуаций тепловых колебаний решетки, так как средней тепловой энергии решетки при комнатной температуре для разрыва ковалентной связи в кремнии недостаточно.

Рис. 4.4. Плоская модель кристаллической решетки собственного полупроводника (кремния)

Примесными называют полупроводники, содержащие донорные и (или) акцепторные примеси.

Если в кремний или германий в качестве примеси ввести элемент V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона (рис. 4.5). Пятый валентный электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика. Для фосфора, мышьяка, сурьмы она порядка 0,01 эВ в германии и 0,05 эВ в кремнии. Так как при 300 К тепловая энергия kT~0,03 эВ, то очевидно, что при комнатной температуре будет происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие отрыва пятого валентного электрона, который становится свободным. В германии при 300 К все примесные атомы мышьяка ионизованы. Образовавшиеся при этом положительные ионы примеси принимать участие в электропроводности не могут, так как они локализованы. Находясь в узле кристаллической решетки полупроводника, они являются ее структурными элементами.

Рис. 4.5. Плоская модель кристаллической решетки полупроводника n-типа (кремния, легированного мышьяком)

Примесь, имеющую валентных электронов больше, чем необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и в результате этого способную отдавать электроны, называют донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с электронной электропроводностью (или n-типа).

Для того чтобы пятый валентный электрон стал свободным (на энергетической схеме перешел в зону проводимости), необходимо затратить энергию, значительно меньшую, чем для разрыва ковалентной связи. В соответствии с этим энергетический уровень пятого валентного электрона на зонной диаграмме должен располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости (рис. 4.6)

Рис. 4.6. Зонная диаграмма полупроводника n-типа

При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия на полупроводник его валентная зона полностью заполнена, зона проводимости пуста, локальные энергетические уровни донорной примеси Е_Д заняты электронами. По мере повышения температуры сначала часть электронов, а затем все электроны с локальных уровней Е_Д перейдут в зону проводимости (переходы 1, рис. 4.6). Наряду с этим будут происходить и переходы 2, обусловленные разрывом ковалентных связей, в результате чего образуется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка.

Так как для ионизации донорной примеси требуется энергия значительно меньшая, чем для разрыва ковалентной связи (DЕ_Д), то при температурах, при которых собственная электропроводность проявляется слабо, электропроводность полупроводника определяется в основном электронами, образовавшимися при ионизации донорной примеси. Поэтому электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями.

Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей. При этом одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной.

Примесь, имеющую валентных электронов меньше, чем это необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и вследствие этого способную захватить электроны, называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью (или p-типа).

Незавершенная связь в результате тепловых колебаний решетки может быть заполнена электроном соседней связи, которая в свою очередь окажется незавершенной (рис. 4.7). Незавершенная связь – дырка за счет тепловых колебаний решетки будет совершать хаотическое движение в пределах кристалла. Атом акцепторной примеси, принявший четвертый электрон для завершения ковалентной связи, становится отрицательным ионом. Такой ион называют ионизированным атомом акцепторной примеси. Принимать участие в электропроводности он не может, так как является структурным элементом кристалла.

Рис. 4.7. Плоская модель кристаллической решетки полупроводника р-типа (кремния, легированного алюминием)

Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергия меньшая, чем для разрыва ковалентной связи (DЕ_а). В германии и кремнии для бора, алюминия, галлия, индия эта энергия составляет 0,01¸0,07 эВ. Значит, локальные энергетические уровни акцепторной примеси Е_а расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны.

При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия на полупроводник акцепторные уровни свободны от электронов. По мере повышения температуры электроны валентной зоны будут заполнять эти локальные уровни при одновременном образовании в валентной зоне соответствующего числа дырок (рис. 4.8, переходы 1). Вместе с тем возможны и переходы 2, при которых образуется пара свободных носителей: электрон–дырка.

Рис. 4.8. Зонная диаграмма полупроводника р-типа

В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны.

Отметим, что в полупроводниках могут быть примеси, энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне далеко от краев разрешенных зон. Такие уровни называют глубокими. У кремния и германия глубокие уровни возникают при наличии в них примесных атомов золота, меди, кислорода, железа и др.

Рассмотренные зонные модели собственных и примесных полупроводников являются упрощенными, хотя в большинстве случаев они применимы для объяснения физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах. Однако есть явления, которые можно объяснить лишь с помощью модели структуры зон, основанной на представлениях квантовой механики с учетом волновых свойств микрочастиц.

Зависимость концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках от температуры

Как отмечалось, концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках увеличивается под влиянием температуры, электромагнитного, ионизирующего излучений и других внешних факторов. Если температура постоянна и никакие другие внешние факторы на полупроводник не воздействуют, то такое состояние называют термодинамически равновесным. В этом случае скорость генерации свободных носителей заряда равна скорости их рекомбинации. Такие носители заряда получили название равновесных. Их концентрации обозначают через n₀ и p₀ (для электронов и дырок соответственно).

Концентрации свободных равновесных носителей заряда в полупроводнике (электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне) определяются эффективной плотностью энергетических состояний в разрешенных зонах и их фактическим заполнением [2, 5]. Значение эффективной плотности разрешенных состояний определяется с позиций квантовой механики соотношениями неопределенностей Гейзенберга, а вероятность их заполнения – статистической вероятностной функцией Ферми – Дирака [5].

Теория показывает, что в общем виде концентрация свободных электронов в зоне проводимости полупроводника при любой температуре

(4.1)

а концентрация свободных дырок в валентной зоне

, (4.2)

где N_c и N_V – эффективные плотности разрешенных состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно; E_F – уровень (энергия) Ферми полупроводника (вероятностная характеристика материала), при пересечении уровня Ферми с каким–либо энергетическим уровнем в запрещенной зоне полупроводника вероятность заполнения этого уровня равна 0,5; k – постоянная Больцмана; Т – температура.

Для собственного полупроводника n₀=p₀=n_i. С учетом закона действующих масс

n₀p₀=n_i², (4.3)

концентрация собственных носителей заряда определяется как квадратный корень из произведения (4.1) и (4.2):

. (4.4)

Из (4.1) – (4.3) следует, что концентрация свободных носителей заряда как собственных, обусловленных нарушением ковалентных связей, так и примесных, возникших в результате ионизации атомов примеси, возрастает при увеличении температуры по экспоненциальному закону. Предэкспоненциальные множители N_c и N_v также зависят от температуры, но зависимость эта более слабая – степенная:

. (4.5)

Температурную зависимость концентрации свободных носителей заряда, изображенную на рис. 4.9, рассмотрим на примере полупроводника n-типа. Зависимость в общем виде имеет три участка: 1– примесной проводимости; 2– истощения примеси; 3 – собственной проводимости.

При температуре абсолютного нуля валентная зона полупроводника полностью заполнена, донорные примеси не ионизированы (донорные уровни заняты электронами), зона проводимости пуста. При повышении температуры начинается ионизация донорных атомов и электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости (участок 1 рис. 4.9). Чем выше температура, тем больше концентрация свободных электронов в зоне проводимости.

При температуре Т_S все донорные атомы оказываются ионизированными. Повышение температуры от Т_S до T_i на участке 2 рис. 4.9 (участке истощения примеси) не приводит к росту концентрации свободных носителей, поскольку тепловая энергия кТ>DЕ_Д, но еще недостаточна для возбуждения значительной собственной проводимости – нарушения ковалентных связей полупроводника и перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Рис. 4.9. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике n-типа: N_Д1Д2Д3

При температуре T_i на участке 3 рис. 4.9 концентрация электронов, приобретающих энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости, превышает концентрацию имеющихся в ней электронов, обусловленных ионизацией донорной примеси. При температурах, больших T_i, в полупроводнике наблюдается собственная проводимость.

Из рис. 4.9 видно, что чем выше концентрация примеси, тем выше концентрация электронов на участках 1 и 2 и тем больше значения температур, соответствующих началу истощения примеси и собственной проводимости. Кривая, изображенная на рис. 4.9 для наибольшей концентрации примеси N_Д3, характерна для так называемых вырожденных полупроводников. У таких полупроводников концентрация свободных носителей заряда вплоть до перехода к собственной проводимости не зависит от температуры, а уровень Ферми находится не в запрещенной зоне, а в зоне проводимости.

Установлено, что в области примесной проводимости (на участке 1 рис. 4.9) от температуры абсолютного нуля до T_S температурная зависимость концентрации свободных электронов имеет следующий вид:

, (4.6)

где N_Д – концентрация донорной примеси; DЕ_Д=Е_с- Е_Д – энергия ионизации донорной примеси; .

Логарифмируя (4.6), получаем

. (4.7)

Выражение (4.7) является уравнением прямой с отрицательным угловым коэффициентом, пропорциональным DЕ_Д.

На участке 3 при температурах, больших T_i (рис. 4.9), в области собственной проводимости справедливо соотношение (4.4). Если обозначить , после логарифмирования (4.4) получим

. (4.8)

Выражение (4.8) так же, как (4.7), является уравнением прямой с отрицательным угловым коэффициентом. Тангенс угла наклона прямой пропорционален ширине запрещенной зоны полупроводника DЕ₀. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках, построенная в координатах , наглядно показывает характер физических процессов, происходящих при изменении температуры, и позволяет рассчитать параметры полупроводникового материала: энергию ионизации донорной примеси DЕ_Ди энергию, необходимую для разрыва ковалентных связей, – ширину запрещенной зоны DЕ₀.

Отметим, что температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда – дырок для полупроводника р-типа выглядит аналогично изображенной на рис. 4.9. Интерпретация зависимости на участке примесной проводимости проводится на основе представлений о захвате акцепторными атомами электронов из валентной зоны и об образовании в ней свободных дырок.

Экспоненциальный закон изменения концентрации свободных носителей заряда при изменении температуры обусловливает принципиальное различие между температурной зависимостью проводимости полупроводников и металлов (рис. 4.1). У последних концентрация свободных носителей от температуры практически не зависит.

Температурная зависимость проводимости полупроводников

Удельная электрическая проводимость любого материала определяется концентрацией и подвижностью свободных носителей заряда, значения которых зависят от температуры.

Подвижность m свободных носителей заряда характеризует их рассеяние и определяется как коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью v_др и напряженностью электрического поля e: v_др =me.

Рассеяние свободных носителей заряда, т.е. изменение их скорости или направления движения, может происходить из-за наличия в реальных кристаллах полупроводников дефектов структуры (к ним относятся, например, атомы и ионы примеси), тепловых колебаний кристаллической решетки.

Установлено, что при рассеянии носителей заряда только на ионах примеси подвижность

. (4.9)

Увеличение подвижности свободных носителей заряда с повышением температуры объясняется тем, что чем выше температура, тем больше тепловая скорость движения свободного носителя и тем меньше времени он будет находиться в кулоновском поле иона, изменяющего траекторию его движения, а значит, он будет иметь меньшее рассеяние и более высокую подвижность. По мере повышения температуры все более существенное значение приобретает рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решетки, которое при определенной температуре становится преобладающим.

Тепловые колебания кристаллической решетки увеличиваются с ростом температуры, растет и рассеяние носителей, а их подвижность уменьшается. Установлено, что в атомных полупроводниках при рассеянии свободных носителей заряда преимущественно на тепловых колебаниях решетки

. (4.10)

На рис. 4.10 приведены зависимости подвижности свободных носителей заряда в полупроводнике n-типа с разной концентрацией донорной примеси. С повышением температуры при рассеянии на ионах примеси подвижность увеличивается, а затем вследствие все возрастающих колебаний кристаллической решетки и обусловленного ими рассеяния – уменьшается. Величина и положение максимума кривой m(Т^-1) зависят от концентрации примеси. С ее увеличением максимум смещается в область более высоких температур, а вся кривая – вниз по оси ординат. При концентрации примеси, равной N_Д3, соответствующей вырожденному полупроводнику, подвижность уменьшается с ростом температуры аналогично тому, как это происходит в проводниковых материалах (раздел 3.8).

Рис. 4.10. Зависимости подвижности свободных электронов от температуры в полупроводнике n-типа: N_Д1Д2Д3

При очень низких температурах, когда тепловые колебания кристаллической решетки малы, а примесные атомы слабо ионизированы, рассеяние свободных носителей в основном происходит на нейтральных атомах примеси. При таком механизме рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется концентрацией примеси.

Итак, концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках увеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону, а температурная зависимость подвижности имеет в общем виде характер кривой с максимумом и степенной закон изменения.

В общем случае удельная электрическая проводимость s полупроводника, в котором носителями заряда являются свободные электроны с подвижностью m_n и свободные дырки с подвижностью m_р, равна:

, (4.11)

где e – элементарный заряд.

Для собственного полупроводника

. (4.12)

Учитывая, что степенная зависимость слабее экспоненциальной, можно записать:

. (4.13)

Аналогично для примесного полупроводника n-типа в области примесной проводимости:

, (4.14)

а р-типа:

. (4.15)

Соотношения (4.14) и (4.15) справедливы лишь до тех пор, пока не наступит полная ионизация примеси. Получив экспериментальную зависимость удельной проводимости от температуры в виде lns(T^-1), можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника и энергию ионизации примеси по соотношениям (4.13) – (4.15).

Рассмотрим экспериментальные кривые температурной зависимости удельной электрической проводимости кремния, содержащего различное количество донорной примеси (рис. 4.11).

Повышение удельной проводимости кремния с увеличением температуры в области низких температур обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда – электронов за счет ионизации донорной примеси. При дальнейшем повышении температуры наступает область истощения примеси – полная ее ионизация. Собственная же электропроводность кремния заметно еще не проявляется.

В условиях истощения примеси концентрация свободных носителей заряда практически от температуры не зависит и температурная зависимость удельной проводимости полупроводника определяется зависимостью подвижности носителей от температуры. Наблюдаемое в этой области уменьшение удельной проводимости кремния с ростом температуры происходит за счет снижения подвижности при рассеянии свободных носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки.

Рис. 4.11. Температурная зависимость удельной электрической проводимости кремния, содержащего различное количество донорной примеси N_Д: 1 – 4,8×10²³; 2 – 2,7×10²⁴; 3 – 4,7×10²⁵ м^-3 [2]

Однако возможен и такой случай, когда область истощения примеси оказывается в интервале температур, где основным механизмом рассеяния является рассеяние на ионах примеси. Тогда удельная проводимость полупроводника с повышением температуры будет увеличиваться: s~T^3/2.

Резкое увеличение удельной проводимости при дальнейшем росте температуры (рис. 4.11) соответствует области собственной электропроводности, в которой концентрация увеличивается экспоненциально [соотношение (4.4)], а подвижность снижается по степенному закону (4.10).

У вырожденного полупроводника (кривая 3 на рис. 4.11) концентрация свободных носителей заряда не зависит от температуры и температурная зависимость проводимости определяется зависимостью их подвижности от температуры (рис. 4.10).

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

Поглощение света. Вследствие отражения и поглощения света полупроводником интенсивность падающего на него монохроматического излучения интенсивностью I₀уменьшается до некоторой величины I. В соответствии с законом Ламберта – Бугера [2]:

, (4.16)

где R – коэффициент отражения, x – расстояние от поверхности полупроводника вдоль направления луча (в объеме) до данной точки; a – коэффициент поглощения.

Величина a^-1 равна толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз (е – основание натурального логарифма).

Поглощение полупроводником энергии электромагнитного излучения может быть связано с различными физическими процессами: нарушением ковалентных связей между атомами материала с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; ионизацией примесных атомов и возникновением дополнительных свободных электронов или дырок; изменением колебательной энергии атомов решетки; образованием экситонов и др.

Если поглощение света полупроводником обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии квантов излучения, то поглощение называют собственным; если возникновением свободных носителей за счет ионизации примесных атомов (доноров или акцепторов) – примесным.

У ряда полупроводников за счет поглощения кванта света возможно такое возбуждение электрона валентной зоны, которое не сопровождается его переходом в зону проводимости, а образуется связанная система электрон–дырка, перемещающаяся в пределах кристалла как единое целое. Эту систему называют экситоном. Оптическое поглощение полупроводника, обусловленное взаимодействием излучения с колебательным движением кристаллической решетки, называют решеточным [2, 5]. Независимо от механизма поглощения квантов излучения процесс подчиняется закону сохранения энергии.

Фотопроводимость полупроводников – явление, всегда сопровождающее процесс поглощения энергии электромагнитного излучения. При освещении полупроводника концентрация свободных носителей заряда в нем может возрасти за счет носителей, возбужденных поглощенными квантами света. Такими носителями могут быть как собственные электроны и дырки, так и носители, перешедшие в свободное состояние вследствие ионизации примесных атомов.

Освещение полупроводника светом в течение достаточно длительного времени не приводит к бесконечному росту концентрации избыточных (по сравнению с равновесными) носителей заряда, так как по мере роста концентрации свободных носителей растет вероятность их рекомбинации. Наступает момент, когда рекомбинация уравновешивает процесс генерации свободных носителей и устанавливается равновесное состояние полупроводника с более высокой проводимостью s_равн, чем без освещения (s₀).

Рис. 4.12. Изменение фотопроводимости полупроводника во времени при освещении его прямоугольным импульсом света

Изложенное иллюстрируется рис. 4.12. Изменение фотопроводимости при освещении полупроводника импульсом прямоугольной формы происходит в соответствии с изменением концентрации свободных носителей заряда.

Спектральная зависимость фотопроводимости соответствует спектру поглощения полупроводника, т.е. зависимости коэффициента поглощения a от длины волны излучения l (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Спектр поглощения полупроводника и спектральное распределение фоточувствительности: 1 – собственное поглощение; 2 – примесное поглощение; 3,4 – фототок

При более длинноволновом излучении, когда энергия квантов света Е_Ф невелика (Е_ф=hn, где h – постоянная Планка, n – частота), при l_пр наступает примесное поглощение и возникает фотопроводимость (фототок) за счет ионизации примесей (кривые 2, 4, рис. 4.13). При меньшей длине волны l_i, т.е. большей энергии квантов света, соизмеримой с шириной запрещенной зоны, полупроводника DЕ₀, возникают собственное (фундаментальное) поглощение и фотопроводимость (фототок) (кривые 1,3, рис. 4.13). Такая длина волны l_iназывается краем собственного (фундаментального) поглощения полупроводника. Коротковолновый спад фотопроводимости (кривая 3, рис. 4.13) объясняется высоким коэффициентом поглощения (кривая 1, рис. 4.13), т.е. практически весь свет поглощается в очень тонком поверхностном слое материала.

Как указано выше, фотопроводимость, вызванная генерацией свободных носителей, всегда сопровождается поглощением энергии электромагнитного излучения. В процессе рекомбинации, напротив, энергия выделяется. Выделяющаяся энергия может поглощаться кристаллической решеткой (безызлучательная рекомбинация) либо излучаться в виде кванта света (излучательная рекомбинация). Последнее явление нашло применение в светодиодах, используемых в приборостроении в качестве световых индикаторов.

Термоэлектрические явления

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) состоит в возникновении э.д.с. в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных материалов (разных металлов или полупроводников или металла и полупроводника), если температуры контактов различны (рис. 4.14).

Термо-э.д.с. имеет три составляющие. Первая составляющая обусловлена диффузией носителей заряда из области полупроводника с более высокой температурой в область с более низкой (рис. 4.15). Градиент концентрации возникает вследствие дополнительной генерации основных или собственных носителей под возникновением повышенной температуры. Таким образом, градиент температуры вызывает создание градиента концентрации носителей заряда с их последующей диффузией к менее нагретому контакту. Вследствие указанных процессов «холодный» контакт приобретает знак основных носителей заряда, а «горячий» – знак соответствующих ионизированных донорных или акцепторных атомов примеси. Ионы являются элементами кристаллической решетки полупроводника и создают неподвижный

объемный заряд: положительный в полупроводнике n-типа или отрицательный в полупроводнике р-типа.

Рис. 4.14. Схема распределения температур в термоэлементе

Таким образом, диффузионная составляющая термо-э.д.с. возникает из–за нарушения (вследствие диффузии) электрической нейтральности областей полупроводника с разной температурой.

Вторая составляющая термо-э.д.с. – это следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба спая (рис. 4.14) имеют одну и ту же температуру, то контактные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны и не дают результирующей термо-э.д.с. Если же температура сплава различна, то величина контактной разности потенциалов будет также различна. Поэтому в цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-э.д.с. с той же полярностью, что и диффузионная.

Рис. 4.15. Объемные заряды в полупроводнике n-типа (а) и р-типа (б) при наличии разности температур

Третья составляющая термо-э.д.с. возникает в термоэлементе вследствие увлечения электронов (дырок) фононами, т.е. квантами тепловой энергии колебаний кристаллической решетки. Если в полупроводнике существует градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от горячего спая к холодному. В результате столкновения фононов с носителями заряда фононы увлекают за собой в n-полупроводнике электроны, а в р-полупроводнике – дырки. Этот эффект может оказаться преобладающим при низких температурах.

Результирующая термо-э.д.с., состоящая их трех рассмотренных составляющих, зависит от температуры горячего (Т_г) и холодного (Т_х) спаев, от электрофизических свойств материалов.

Эффект Пельтье состоит в охлаждении или нагревании контакта двух материалов при протекании через него постоянного тока (рис. 4.16).

Если напряженность внешнего электрического поля e направлена так, как изображено на рис. 4.16, то перенос носителей тока через контакт (электрический ток) будет связан с переходом электронов из полупроводника в металл. Однако энергия электронов в зоне проводимости полупроводника больше, чем у электронов проводимости в металле. Поэтому электроны, переходя из полупроводника в металл, избыток энергии передадут кристаллической решетке в области контакта. В результате этого перенос электронов из полупроводника в металл будет сопровождаться выделением тепла на контакте и его нагревом.

При противоположном направлении напряженности внешнего электрического поля прохождение электрического тока будет связано с переходом электронов из металла в полупроводник, т.е. с уровней с меньшей энергией на уровни с большей энергией. Энергию, необходимую для этого, электроны получают от кристаллической решетки в области контакта, что приводит к его охлаждению.

Рис. 4.16. Схема контакта электронного полупроводника с металлом,
поясняющая эффект Пельтье [2]

Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла, дополнительно к теплу Джоуля – Ленца, при протекании постоянного тока по однородному полупроводнику, в котором имеется градиент температуры.

Эффекты Зеебека и Пельтье наблюдаются в металлах и полупроводниках. В полупроводниках соответствующие величины, например термо-э.д.с., обычно на несколько порядков превышают таковые в металлах. Поэтому эффекты Зеебека и Пельтье в полупроводниках нашли большое практическое применение. В частности, эффект Зеебека используется для создания источников питания. К.п.д. полупроводниковых термогенераторов достигает 15–20 %. Термоэлектрические явления используются также в технике измерения электрофизических параметров полупроводников для определения типа их проводимости (рис. 4.15).

Термоэлектрический эффект Зеебека применяется для измерения температуры (термопары) и при других измерениях, которые могут быть сведены к измерению температуры.

Эффект Пельтье используется при создании компактных холодильных установок.

Эффект Холла

Ранее были рассмотрены кинетические явления в полупроводниках (перенос свободных носителей заряда) под действием электрического поля, а также при наличии градиента концентрации (градиента температуры).

Гальваномагнитными называют кинетические явления, которые возникают при одновременном действии электрического и магнитного полей.

Если полупроводник (или проводник), вдоль которого течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока, то в материале возникает поперечное электрическое поле, перпендикулярное к току и магнитному полю. Это явление получило название эффекта Холла, а возникающая поперечная э.д.с. – э.д.с. Холла.

Допустим, что по полупроводнику в виде прямоугольной пластины (рис. 4.17) протекает ток с плотностью

. (4.17)

Рис. 4.17. Образец для измерения э.д.с. Холла

Если полупроводник однородный, то его эквипотенциальные поверхности располагаются перпендикулярно к вектору электрического поля e, следовательно, и к вектору плотности тока j. С учетом сказанного разность потенциалов между точками А и Б будет равной нулю, так как точки лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору j. При помещении такого полупроводника в магнитное поле напряженностью В, на носитель заряда, дрейфующий со скоростью n_др, будет действовать сила Лоренца

. (4.18)

Если скорость носителей заряда определяется внешним электрическим полем, то направление силы Лоренца не зависит от знака заряда, а определяется только взаимным направлением векторов e и В, т. е. и электроны, и дырки под действием силы Лоренца отклоняются в одну и ту же сторону. При этом в слабом магнитном поле траектория движения носителей изменяется слабо, а в сильном поле наблюдается значительное искривление траектории.

Для выбранных на рис. 4.18 направлений e и В сила Лоренца действует вверх. Под действием этой силы носители заряда в полупроводнике будут смещаться к верхней поверхности образца. На нижней поверхности полупроводника возникает дефицит носителей заряда и появляется электрическое поле напряженностью e_х, перпендикулярное к направлению внешнего поля e и магнитного поля В. Это явление возникновения поперечной э.д.с. в полупроводнике с текущим током под действием магнитного поля и называют эффектом Холла. Напряженность поля e_х возрастает до тех пор, пока сила, обусловленная этим полем, не скомпенсирует силу Лоренца:

. (4.19)

Если ширину образца принять равной b, то холловская разность потенциалов

. (4.20)

Воспользовавшись выражением (4.17), можно записать

. (4.21)

Рис. 4.18. Отклонение носителей заряда под действием магнитного поля в электронном полупроводнике (а) и в дырочном полупроводнике (б)

Величину R_x принято называть коэффициентом (постоянной) Холла. Для электронных полупроводников

, (4.22)

а для дырочных полупроводников

. (4.23)

Коэффициент Холла обратно пропорционален концентрации основных носителей заряда, а знак его совпадает со знаком этих носителей. Обратно пропорциональная зависимость э.д.с. Холла от концентрации свободных носителей заряда объясняется тем, что при определенной величине тока носители перемещаются тем быстрее и отклоняются магнитным полем тем сильнее, чем меньше их концентрация.

Рассмотренные выше зависимости не учитывают распределения носителей заряда в объеме полупроводника по скоростям. Для учета механизмов рассеяния носителей заряда в полупроводнике вводится холл-фактор r. Тогда для электронного полупроводника коэффициент Холла будет . При рассеянии на тепловых колебаниях кристаллической решетки r=3p/8, при рассеянии на ионах примеси r=315p/512»1,93. Поскольку рассеяние носителей заряда зависит от температуры, то при определении коэффициента Холла при низких температурах необходимо полагать r=1,93. Для температур, при которых имеет место рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решетки, r=3p/8. Если в процессе рассеяния одновременно участвуют колебания решетки и ионы примеси, r имеет более сложное выражение.

Произведение |R_x|s имеет размерность подвижности и называется холловской подвижностью носителей заряда m_х. В то же время удельная электропроводность полупроводника, определяемая дрейфовой подвижностью, находится как s=enm_др. Тогда m_x=rm_др, то есть холловская подвижность пропорциональна дрейфовой подвижности. Для металлов и вырожденных полупроводников коэффициент Холла не зависит от механизма рассеяния, поэтому m_x=m_др.

Для полупроводников с двумя типами носителей, концентрации и подвижности которых соответственно равны n₀, m_nи р₀, m_р, коэффициент Холла

. (4.24)

Для собственного полупроводника n₀=p₀=n_i

, (4.25)

где b=m_n/m_p. Так как обычно b>1, то в собственных полупроводниках R_x<0. Согласно (4.24) инверсия знака R_x может наблюдаться в биполярных полупроводниках.

Поскольку подвижность и концентрация носителей заряда являются функциями температуры, то R_x также зависит от температуры. Измерения зависимости коэффициента Холла от температуры имеют особую ценность. Они позволяют установить температурную зависимость концентрации носителей заряда, а в совокупности с измерениями удельной электропроводности – температурную зависимость подвижности.

По температурной зависимости концентрации или коэффициента Холла в области слабой ионизации примеси можно определить энергию ионизации примеси (DE_а, DE_Д), а в области собственной электропроводности – ширину запрещенной зоны (DЕ₀). На рис. 4.19 приведены зависимости концентрации носителей заряда (рис. 4.19, а) и коэффициента Холла (рис. 4.19, б, в) в соответствующих координатах, когда эти зависимости имеют вид прямых линий. Кривая на рис. 4.19, б соответствует полупроводнику n-типа, а на рис. 4.19, в – полупроводнику p-типа. В области примесной проводимости R_x в таком полупроводнике положителен, а в области собственной проводимости – отрицателен [согласно (4.25)]. При переходе к собственной проводимости R_x меняет знак, переходя через нуль, а зависимость lnR_x при этом терпит разрыв.

Ранее было указано, что холловское напряжение прямо пропорционально индукции магнитного поля для полей не слишком высокой напряженности. Расчет показал, что критерием слабого поля и, следовательно, применимости полученных выше соотношений для э.д.с. Холла и коэффициента Холла является условие:

, (4.26)

где j – угол Холла, m – подвижность.

Рис. 4.19. Зависимость концентрации носителей заряда (а) и коэффициента Холла для полупроводника n-типа (б) и полупроводника p-типа (в)

Если в магнитных полях высокой напряженности угол Холла, то есть угол, на который отклоняются свободные носители заряда, будет близок к 2p, то за время свободного пробега носители будут не просто отклоняться от направления своего первоначального движения, а «закручиваться» вокруг силовых линий магнитного поля. Установлено, что слабыми могут считаться магнитные поля с индукцией В: для германия – менее 16 Тл, для кремния – менее 40 Тл, для антимонида индия – менее 0,8 Тл.

Необходимо отметить, что величина э.д.с. Холла в полупроводниках может на порядки величины превышать значение э.д.с. Холла в проводниковых материалах.

Эффект Холла является, таким образом, мощным экспериментальным средством изучения фундаментальных параметров полупроводников: концентрации и знака заряда носителей, а также их подвижности, энергии ионизации примеси и ширины запрещенной зоны. Кроме того, эффект Холла применяют в магнитометрах, измерителях малых перемещений и давлений, бесконтактных переключателях и других устройствах.

Технология конструкционных материалов: сварочное производство, сварка давлением, механическая обработка

2012-10-21T03:48:16Z

Формообразующие операции листовой штамповки

При формообразующих операциях стремятся получить заданную величину деформации, чтобы заготовка приобрела требуемую форму.

Основные формообразующие операции: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка. Схемы формообразующих операций представлены на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Формообразующие операции листовой штамповки

Гибка – образование угла между частями заготовки или придание заготовке криволинейной формы.

При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном 1 (рис. 16.1.а): наружные слои заготовки растягиваются, а внутренние – сжимаются. Деформация растяжения наружных слоев и сжатия внутренних увеличивается с уменьшением радиуса скругления рабочего торца пуансона, при этом возрастает вероятность образования трещин. Поэтому минимальный радиус пуансона ограничивается величиной в пределах 0.1…2,0 от толщины заготовки, в зависимости от механических свойств материала.

При снятии нагрузки растянутые слои заготовки упруго сжимаются, а сжатые – растягиваются, что приводит к изменению угла гибки , т.е. к пружинению детали. Это следует учитывать или уменьшением угла инструмента на величину пружинения, или применением в конце рабочего хода дополнительного усилия.

Гибку производят в штампах, а также вращающимися фигурными роликами, играющими роль матрицы, на профилегибочных станах.

Вытяжка – образование полого изделия из плоской или полой заготовки (рис.16.1.б).

Вырубленную заготовку диаметром и толщиной укладывают на плоскость матрицы 3. Пуансон 1 надавливает на заготовку и она, смещаясь в отверстие матрицы, образует стенки вытянутой детали диаметром .

Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки , который в зависимости от механических характеристик металла и условий вытяжки не должен превышать 2,1.

При , возможны потеря устойчивости фланца и образование складок при вытяжке. Их предотвращают прижимом 2 фланца заготовки к матрице с определенным усилием .

Высокие детали малого диаметра получают за несколько операций вытяжки с постепенным уменьшением диаметра D полуфабриката и увеличением его высоты (рис. 16.1.в). При последующих переходах для предотвращения разрушения металла принимают

Промежуточный отжиг для устранения наклепа позволяет увеличить до 1,4…1,6.

Опасность разрушения заготовок устраняют применением смазочных материалов для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

При вытяжке зазор между матрицей и пуансоном составляет .

Отбортовка – получение борта диаметром путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу (рис.16.1.г).

Формоизменение оценивают коэффициентом отбортовки

который зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины . Большее увеличение диаметра можно получить, если заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие резанием, создающим меньшее упрочнение у края отверстия.

Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в деталях для нарезания резьбы, сварки, а также для увеличения жесткости конструкции при малой массе.

Выделяется отбортовка наружного контура – образование невысоких бортов по наружному криволинейному краю заготовки.

Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки.

Производится заталкиванием заготовки в сужающуюся полость матрицы (рис. 16.1.д). За один переход можно получить . Для большего формоизменения выполняют несколько последовательных операций обжима.

Раздача – увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки коническим пуансоном; это операция противоположная обжиму.

Рельефная формовка – местное деформирование заготовки с целью образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки (рис. 16.1.е).

Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости, лабиринтные уплотнения.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции: вырубные, гибочные, вытяжные и т.д. В зависимости от числа выполняемых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, в которых операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа, и совмещенного действия, в которых операции выполняются на одной позиции, например, одновременно вырубка и пробивка, вырубка и вытяжка и т.д.

В настоящее время применяют специальные конструкции штампов, в которых металлические пуансоны или матрицы отсутствуют, и давление на материал осуществляется при помощи резины, жидкости или сжатого воздуха (рис.16.2). При этом резина или жидкость легко удаляются из штампованной детали, а матрица должна быть разъемной.

При изготовлении небольших по глубине изделий пуансон заменяет резиновая подушка (рис.16.2.а). С помощью резины можно осуществлять все операции: вырубку, гибку, вытяжку, формовку. Матрица 3 крепится к столу, а резиновая подушка, помещенная в стальную обойму 1, крепится к ходовой части пресса (толщина заготовки 2 – до 1,5 мм).

Рис. 16.2. Схемы листовой штамповки при помощи эластичной среды и жидкости

Резиновые пуансоны цилиндрической формы применяются при вытяжке изделий сложной формы, при необходимости увеличения диаметральных размеров средней части цилиндрических полуфабрикатов (рис.16.2.б).

При гидравлической вытяжке (рис.16.2.в) полые детали цилиндрической, конической, сферической или другой формы получают надавливанием на заготовку жидкостью или жидкостью, заключенной в эластичную оболочку.

Высокоскоростные методы штамповки

Особенностью таких методов является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии. Кратковременное приложение больших усилий разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с. Последующее ее деформирование происходит за счет накопленной в период разгона кинетической энергии. Основными разновидностями высокоскоростной листовой штамповки являются: штамповка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная штамповка (рис.16.3).

Рис. 16.3. а- электрогидравлическая, б – электромагнитная штамповка

Штамповка взрывом осуществляется в бассейнах, наполненных водой (рис.16.3.а). Заготовку 3, зажатую между матрицей 5 и прижимом 4 опускают в бассейн с водой 2. Полость матрицы под заготовкой вакуумируется при помощи вакуумной линии 6. Заряд с детонатором 1 подвешивают в воде над заготовкой. Взрыв образует волну высокого давления, которая, достигая заготовки, вызывает ее разгон. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды, а скорости перемещения заготовки соизмеримы со скоростями распространения пластических деформаций в металле. При штамповке взрывом не требуется дорогостоящего прессового оборудования, конструкция штампа крайне проста.

Электрогидравлическую штамповку также осуществляют в бассейне с водой. Ударная волна, разгоняющая заготовку, возникает при кратковременном электрическом разряде в жидкости. Мощный искровой разряд подобен взрыву. В результате разряда в жидкости возникает ударная волна, которая, дойдя до заготовки, оказывает на нее сильное воздействие и деформирует ее по матрице.

При электромагнитной штамповке (рис.16.3. б) электрическая энергия преобразуется в механическую за счет импульсного разряда батареи конденсаторов через соленоид 7, вокруг которого при этом возникает мгновенное магнитное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой токопроводящей заготовке 3. Взаимодействие магнитных полей вихревых токов с магнитным полем индуктора создает механические силы , деформирующие заготовку. Для электромагнитной штамповки трубчатых и плоских заготовок созданы установки, на которых можно проводить обжим, раздачу, формовку иоперации получения неразъемных соединения деталей.

Формообразование заготовок из порошковых материалов

Заготовки из порошковых материалов получают прессованием (холодным, горячим), изостатическим формованием, прокаткой и другими способами.

При холодном прессовании в пресс-форму (рис.16.4.а) засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1.

В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки достигается благодаря силам механического сцепления частиц порошка электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы, вследствие чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Рис.16.4. Схема холодного прессования: а – одностороннего; б – двустороннего

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру, меньшим единицы, и заготовки втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки, меньшим трех.

Двустороннее прессование (рис.16.4.б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. После заполнения пресс-формы порошком к верхнему пуансону с помощью гидропресса прикладывают давление для предварительного прессования. Затем гидропривод выключают и удаляют подкладку 4. В дальнейшем в процессе прессования участвуют оба пуансона. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30…40 %. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить требуемое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругому и пластическому деформированию. После извлечения заготовки из пресс-формы ее размеры увеличиваются в результате упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются прессование и спекание заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6…0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву уплотнение протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью и однородностью структуры. Этот способ применяют для таких плохо прессуемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды).

Изостатическое (всестороннее) формование применяют для получения крупногабаритных заготовок с массой до 500 кг и более. Отсутствие потерь на внешнее трение и равномерность давления со всех сторон дают возможность получать необходимую плотность заготовок при давлениях, значительно меньших, чем при прессовании в закрытых пресс-формах.

При гидростатическом формовании (рис.16.5) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости, находящейся в сосуде высокого давления 1. В качестве рабочей жидкости используют масло, глицерин, воду и т.д.

Рис.16.5. Схема гидростатического формования

Прокатка – наиболее производительный и перспективный способ переработки порошковых материалов. Характерной особенностью является высокая степень автоматизации и непрерывность прокатки. Схема прокатки представлена на рис.16.6.

Рис.16.6. Схема прокатки порошков

Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Прокатка может быть совмещена со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке для получения листов заданных размеров. Применяя бункеры с перегородкой (рис. 16.6.б) изготавливают ленты из разных материалов (двухслойные). Применение валков определенной формы позволяет получать валки различного профиля, в том числе и проволоку.

Сварочное производство. Сварка плавлением

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.

Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.

При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.

При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д. По-разному обеспечиваются защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.

Существует множество технологических процессов сварки (более 70).

Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.

Сварка плавлением

Дуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки (рис. 17.1):

сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 17.1.а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3, либо с применением присадочного металла 4;
сварка плавящимся электродом (металлическим) 1 дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рис. 17.1.б);
сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. 17.1.в);
сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом (рис. 17.1.г).

Рис. 17.1. Схемы дуговой сварки

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис.17.2) дуга 8 горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.

Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. 17.2. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом

Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, вертикальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рис. 17.3.

Рис.17.3. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2. Ток к электроду подводят через токопровод 1.

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного – аргон, гелий; активного – углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося – проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

Плазменная и электрошлаковая сварка

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частиц или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000⁰С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги и плазменную дугу, в которых дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавки материалов.

Плазменная дуга обладает большой тепловой мощностью, имеет более широкое применение: для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу применяют для резки материалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.

Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала. Так как плазменная дуга обладает высокой стабильностью, то обеспечивается повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку металла толщиной 0,025…0,8 мм.

Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.

Электрошлаковая сварка

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рис. 17.4).

Рис.17.4. Схема электрошлаковой сварки

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к раславлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка, при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.

Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п.

Лучевые способы сварки

Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса состоит в том, что свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электродный луч – пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000…6000 ⁰С. Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.

Схема установка для электронно-лучевой сварки представлена на рис. 17.5.

Рис.17.5. Схема установки для электронно-дуговой сварки

Электроны, испускаемые катодом 1 электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20…150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные особенности:

сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация расплавленного металла;
интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких, химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Лазерная сварка.

Лазерная сварка – способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.

Газовая сварка

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Схема газовой сварки

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку применяют для сварки металла малой толщины (0,2…3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.

Сварка давлением

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2…4) 10 ^{– 10} см, при которых возникают межатомные силы притяжения.

Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подготовка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.

Контактная сварка

Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения.

Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и давления.

К деталям с помощью электродов подводят ток небольшого напряжения (3…8 В) и большой силы (до нескольких десятков кА). Большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей.

По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на точечную, шовную, стыковую. Схемы контактной сварки представлены на рис. 18.1.

Рис. 18.1. Схемы контактной сварки:

а – стыковой; б – точечной; в – шовной

Стыковая контактная сварка (рис.18.1.а) – способ соединения деталей по всей плоскости их касания.

Свариваемые заготовки 1 плотно зажимают в неподвижном 2 и подвижном 3 токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается, производится сдавливание заготовок – осадка.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой – сваркой оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей.

Сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п.

Точечная сварка (рис.18.1.б) – способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках.

Свариваемые заготовки 1, собранные внахлест, зажимают между неподвижным 2 и подвижным 3 электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора 4.

Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их.

Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Этот способ широко применяют в авто- и вагоностроении, строительстве, а также при сборке электрических схем.

Шовная сварка (рис.18.1.в) – способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек.

Свариваемые заготовки 1 помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов 2 может иметь вращательное движение, а другой 3 – вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь.

Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала толщиной до 5 мм.

Диффузионная сварка

Диффузионная сварка – способ сварки давлением в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре.

Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают, нагревают в вакууме специальным источником тепла до температуры рекристаллизации (0,4 Т_пл), и длительно выдерживают. В начальной стадии процесса создаются условия для образования металлических связей между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению поверхностных пленок, а высокая температура и давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужного расстояния. Затем протекают процессы диффузии в металле, образуются промежуточные слои, увеличивающие прочность соединения. Соединения получают при небольшой пластической деформации. Изменение размеров мало.

Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород.

Способ применяется для соединения металлов, металлов и полупроводников, а также других неметаллических материалов.

Диффузионная сварка широко применяется в космической технике, в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Сварка трением

Сварка трением – способ сварки давлением при воздействии теплоты, возникающей при трении свариваемых поверхностей.

Свариваемые заготовки устанавливают соосно в зажимах машины, один из которых неподвижен, а другой может совершать вращательное и поступательное движения. Заготовки сжимаются осевым усилием, и включается механизм вращения. При достижении температуры 980…1300 ⁰С вращение заготовок прекращают при продолжении сжатия.

Иногда сварку трением производят через промежуточный вращаемый элемент или заменяют вращательное движение вибрацией.

Сваркой трением можно сваривать заготовки диаметром 0,75…140 мм.

Преимущества способа: простота, высокая производительность, малая энергоемкость, стабильность качества соединения, возможность сварки заготовок из разнородных материалов.

Осуществляется сварка на специальных машинах.

Сварка взрывом

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного взрыва.

Соединяемые поверхности заготовок, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом друг к другу на определенном расстоянии. На вторую заготовку укладывают взрывчатое вещество и устанавливают детонатор. Сварку осуществляют на жесткой опоре. При соударении двух деталей под действием ударной волны, движущихся с большой скоростью, между ними образуется кумулятивная струя, которая разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки и другие загрязнения. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки несколько микросекунд.

Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами со специальными свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.

Тип сварного соединения

Основными преимуществами сварных соединений являются: экономия металла; снижение трудоемкости изготовления корпусных деталей; возможность изготовления конструкций сложной формы из отдельных деталей, полученных ковкой, прокаткой, штамповкой.

Сварным конструкциям присущи и некоторые недостатки: появление остаточных напряжений; коробление в процессе сварки; плохое восприятие знакопеременных напряжений, особенно вибраций; сложность и трудоемкость контроля.

Тип сварного соединения определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку.

В зависимости расположения соединяемых деталей различают четыре основных типа сварных соединений: стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые (рис. 18.2).

Рис.18.2. Основные типы сварных соединений

а – стыковое; б – нахлесточное; в – тавровое; г – угловое

Кромки разделывают в целях полного провара заготовок по сечению, что является одним из условий равнопрочности сварного соединения с основным металлом.

Формы подготовки кромок под сварку показаны на рис. 18.3. различают V, K, X – образные

По характеру выполнения сварные швы могут быть односторонние и двухсторонние.

Рис. 18.3. Формы подготовки кромок под сварку:

а – V-образная; б – U -образная; в – X-образная; г – двусторонняя Х-образная

Специальные термические процессы в сварочном производстве

Наплавка – процесс нанесения слоя металла или сплава на поверхность изделия.

Наплавка позволяет получать детали с поверхностью, отличающейся от основного металла, например жаростойкостью и жаропрочностью, высокой износостойкостью при нормальных и повышенных температурах, коррозионной стойкостью и т.п. Наплавка может производиться как при изготовлении новых деталей, так и в ремонтно-восстановительных работах, существенно удлиняя срок эксплуатации деталей и узлов, обеспечивая этим высокий экономический эффект.

Существуют разнообразные способы наплавки.

1. Ручная дуговая электродами со стержнями и покрытиями специальных составов.

2. Автоматическая наплавка под флюсом. Электроды могут быть сплошного сечения и порошковые. Состав флюса, металл электрода и состав наполнителя определяют свойства наплавленного слоя.

3. Наплавка плавящимися и неплавящимися электродами в среде защитных газов. Свойства наплавленного слоя зависят от материала присадки или электрода.

4. Плазменная наплавка. Дуга может быть как прямого, так и косвенного действия. Можно плазменной струей оплавлять слой легированного порошка, предварительно нанесенный на поверхность детали.

5. Электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная наплавка, а также наплавка газокислородным пламенем.

Существенным показателем эффективности того или иного способа наплавки является степень перемешивания при наплавке основного металла и присадочного: чем она меньше, тем ближе будут свойства наплавленного слоя к заданным.

Напыление

При напылении расплавленные по всему объему или по поверхности частицы материала будущего покрытия направляются на поверхность нагретой заготовки. При соударении с поверхностью частица деформируется, обеспечивая хороший физический контакт с деталью. Характер взаимодействия частицы с материалом подложки, последующая кристаллизация частиц определяет качество адгезии покрытия с подложкой. Последующие слои формируются уже за счет связей частиц друг с другом, имеют чешуйчатое строение и существенно неоднородны.

По мере повышения стоимости объемного легирования и стремления получить требуемые эксплуатационные свойства более экономичным способом (легированием поверхности) напыление становится все более предпочтительным.

Для напыления используют источники тепла: газовое пламя, плазму, ионный нагрев, нагрев в печах, лазер и др.

Наибольшее распространение получили процессы газопламенного и плазменного напыления. Материал для напыления подается в пламя горелки или плазменную дугу в виде проволоки или порошка, где происходит нагрев и распыление частиц, которые тепловым потоком источника нагрева разгоняются и попадают на поверхность напыляемой детали. Иной способ формирования покрытий при нагреве в печах. В этом случае нагретая деталь контактирует с материалом покрытия, находящимся в виде порошка или газовой фазы. Получаемое таким методом покрытие имеет высокую адгезию к поверхности детали за счет активных диффузионных процессов, происходящих в период длительной выдержки в печи при высокой температуре.

Все большее распространение получают ионно-плазменные методы напыления износостойких и декоративных покрытий.

Пайка

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей. Протекает процесс взаимного растворения металла деталей и припоя, в результате чего образуется сплав, более прочный, чем припой.

Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая соединения.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. По температуре плавления припои подразделяют на особо легкоплавкие (температура плавления ниже 145 ⁰С), легкоплавкие (145…450 ⁰С), среднеплавкие (450…1100 ⁰С) и тугоплавкие (выше 1050 ⁰С). К особо легкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, олова, цинка, свинца. К среднеплавким и тугоплавким относятся припои медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения.

При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота, канифоль, хлористый цинк, фтористый калий.

Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмосфере или в вакууме.

В зависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погружением (в металлическую или соляную ванну), электрическую (дуговая, индукционная, контактная), ультразвуковую.

В единичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с местным нагревом посредством паяльника или газовой горелки.

В крупносерийном и массовом производстве применяют нагрев в ваннах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты.

Перспективным направлением развития технологии пайки металлических и неметаллических материалов является использование ультразвука. Генератор ультразвуковой частоты и паяльник с ультразвуковым магнитострикционным вибратором применяются для безфлюсовой пайки на воздухе и пайке алюминия. Оксидная пленка разрушается за счет колебаний ультразвуковой частоты.

Процесс пайки включает: подготовку сопрягаемых поверхностей деталей под пайку, сборку, нанесение флюса и припоя, нагрев места спая, промывку и зачистку шва.

Детали для пайки тщательно подготавливаются: их зачищают, промывают, обезжиривают.

Зазор между сопрягаемыми поверхностями обеспечивает диффузионный обмен припоя с металлом детали и прочность соединения. Зазор должен быть одинаков по всему сечению.

Припой должен быть зафиксирован относительно места спая. Припой закладывают в месте спая в виде фольговых прокладок, проволочных контуров, лент, дроби, паст вместе с флюсом или наносят в расплавленном виде. При автоматизированной пайке – в виде пасты с помощью шприц-установок.

При возможности предусматриваются средства механизации – полуавтоматы и автоматы для газовой, электрической пайки.

Паяные соединения контролируют по параметрам режимов пайки, внешним осмотром, проверкой на прочность или герметичность, методами дефекто- и рентгеноскопии.

Механическая обработка

Механическая обработка поверхностей заготовок является одной из основных завершающих стадий изготовления деталей машин.

Одна из актуальных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.

Наряду с обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергии.

Классификация движений в металлорежущих станках

Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.

Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщать относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают на рабочих органах станков, обеспечивающих движение.

Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя материала или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания:

Главное движение – определяет скорость деформирования материала и отделения стружки (Дг);
Движение подачи – обеспечивает врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки (Дs);

Движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными.

Движения подачи: продольное, поперечное, вертикальное, круговое, окружное, тангенциальное.

В процессе резания на заготовке различают поверхности (рис.19.1.а):

обрабатываемую поверхность (1);
обработанную поверхность (3);
поверхность резания (2).

Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя металла.

Вспомогательные движения – транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов.

Рис.19.1 Схемы обработки заготовок: а – точением; б – шлифованием на круглошлифовальном станке; в – сверлением

Режимы резания, шероховатость поверхности

При назначении режимов резания определяют скорости главного движения резания и подачи, и глубину резания.

Скоростью главного движения – называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента в единицу времени (м/с).

Для вращательного движения:

где: – максимальный диаметр заготовки (мм); – частота вращения (мин^-1).

Для возвратно-поступательного движения:

где: – расчетная длина хода инструмента; – число двойных ходов инструмента в минуту; – коэффициент, показывающий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного хода.

Подача - путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один ход заготовки или инструмента.

В зависимости от технологического метода обработки подачу измеряют:

мм/об – точение и сверление;

мм/дв. ход – строгание и шлифование.

Глубина резания ( ) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к обработанной поверхности (мм).

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей с относительно малыми шагами.

Шероховатость является характеристикой качества поверхностного слоя заготовки. Она оценивается несколькими параметрами, в частности критерием .

- среднее арифметическое отклонение профиля (среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля) в пределах определенной базовой длины обработанной поверхности.

Допустимые значения шероховатости поверхностей деталей указываются на чертежах.

Значение параметра для разных технологических методов обработки лежат в пределах, мкм:

для предварительной черновой обработки – 100…22,5 ;
для чистовой обработки – 6,3…0,4 ;
для отделочной и доводочной обработки – 0,2…0,012.

Станки для обработки резанием

Классификация металлорежущих станков

По общности технологического метода обработки различают станки: токарные, фрезерные, сверлильные и др.

По назначению различают станки: широкоуниверсальные, универсальные, широкого назначения, специализированные, специальные.

Универсальные станки обрабатывают разнотипным инструментом различающиеся по размерам, форме и расположению поверхностей заготовки.

Широкоуниверсальные – предназначены для выполнения особо широкого разнообразия работ.

Станки широкого назначения характеризуются однотипностью применяемого инструмента.

Специализированные станки предназначены для обработки однотипных заготовок различных размеров.

Специальные станки предназначены для выполнения определенных видов работ на заготовках одинаковых размеров и конфигурации.

По массе: легкие (до 1т ), средние (до 10т ), тяжелые (свыше 10т ) и уникальные (свыше 100т ).
По степени автоматизации: с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы.
По компоновке основных рабочих органов: горизонтальные и вертикальные.

В общегосударственной единой системе (ЭНИМС) станки разделяются на 10 групп и 10 типов. В группы объединены станки одинаковые или схожие по технологическому методу обработки. Типы характеризуют их назначение, степень автоматизации, компоновку.

Технологические возможности способов резания

Точение

Точение является основным способом обработки поверхностей тел вращения.

Процесс резания осуществляется на токарных станках при вращении обрабатываемой заготовки (главное движение) и перемещении резца (движение подачи).

Движение подачи осуществляется:

параллельно оси вращения заготовки (продольная);
перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная);
под углом к оси вращения заготовки (наклонная).

Схемы обработки поверхностей заготовки точением представлены на рис. 19.2.

С помощью точения выполняют операции: обтачивание – обработку наружных поверхностей (рис19.2.а); растачивание – обработку внутренних поверхностей (рис.19.2.б); подрезание – обработку торцевых поверхностей (рис.19.2.в); резку – разрезание заготовки на части ( рис.19.2.г); резьбонарезание – нарезание резьбы (рис.19.2.д).

По технологическим возможностям точение условно подразделяют на: черновое, получистовое, чистовое, тонкое.

Рис. 19.2. Схемы обработки поверхностей заготовки точением

В качестве режущего инструмента при точении используют резцы.

Главным принципом классификации резцов является их технологическое назначение.

Различают резцы:

проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей;
расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий;
отрезные – для отрезания заготовок;
резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб;
фасонные – для обработки фасонных поверхностей;
прорезные – для протачивания кольцевых канавок;
галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.

По характеру обработки – черновые, получистовые, чистовые.

По направлению движения подачи – правые и левые (справа на лево и слева на право).

По конструкции – целые, с приваренной или припаянной пластиной, со сменными пластинами.

Установка к закреплению заготовки зависит от типа станка, вида обрабатываемой поверхности, характеристики заготовки (), точности обработки и других факторов.

Сверление

Сверление является основным способом получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в сплошном материале заготовки.

В качестве инструмента при сверлении используется сверло, имеющее две главные режущие кромки.

Для сверления используются сверлильные и токарные станки.

На сверлильных станках сверло совершает вращательное (главное) движение и продольное ( движение подачи) вдоль оси отверстия, заготовка неподвижна (рис.19.3.а).

При работе на токарных станках вращательное (главное движение) совершает обрабатываемая деталь, а поступательное движение вдоль оси отверстия (движение подачи) совершает сверло (рис.19.3.б).

Диаметр просверленного отверстия можно увеличить сверлом большего диаметра. Такие операции называются рассверливанием (рис.19.3.в).

При сверлении обеспечиваются сравнительно невысокая точность и качество поверхности.

Для получения отверстий более высокой точности и чистоты поверхности после сверления на том же станке выполняются зенкерование и развертывание.

Зенкерование – обработка предварительно полученных отверстий для придания им более правильной геометрической формы, повышения точности и снижения шероховатости. Многолезвийный режущим инструментом – зенкером, который имеет более жесткую рабочую част, отсутствует ! число зубьев не менее трех (рис.19.3.г).

Развертывание – окончательная обработка цилиндрического или конического отверстия разверткой в целях получения высокой точности и низкой шероховатости. Развертки – многолезвийный инструмент, срезающий очень тонкие слои с обрабатываемой поверхности (рис.19.3.д).

Схемы сверления, зенкерования и развертывания представлены на рисунке 19.3.

Рис.19.3. Схемы сверления, зенкерования и развертывания

Протягивание

Протягивание является высокопроизводительным методом обработки деталей разнообразных форм, обеспечивающим высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Применяется протягивание в крупносерийном производстве.

При протягивании используется сложный дорогостоящий инструмент – протяжка. За каждым формообразующим зубом вдоль протяжки изготавливается ряд зубьев постепенно увеличивающейся высоты.

Процесс резания при протягивании осуществляется на протяжных станках при поступательном главном движении инструмента относительно неподвижной заготовки за один проход.

Движение подачи отсутствует. За величину подачи принимают подъем на зуб, т.е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев протяжки; является одновременно и глубиной резания.

Протяжные станки предназначены для обработки внутренних и наружных поверхностей. По направлению главного движения различают станки: вертикальные и горизонтальные.

Схемы обработки заготовок на протяжных станках представлены на рисунке 19.4.

Рис.19.4. Схемы обработки заготовок на протяжных станках

Отверстия различной геометрической формы протягивают на горизонтально-протяжных станках для внутреннего протягивания. Размеры протягиваемых отверстий составляют 5…250 мм.

Цилиндрические отверстия протягивают крупными протяжками после сверления, растачивания или зенкерования, а также литые или штампованные отверстия. Длина отверстий не превышает трех диаметров. Для установки заготовки с необработанным торцом применяют приспособление со сферической опорной поверхностью (может самоустанавливаться по оси инструмента), либо упор в жесткую поверхность (рис.19.4.а).

Шпоночные и другие пазы протягивают протяжками, форма зубьев которых в поперечном сечении соответствует профилю протягиваемого паза, с применением специального приспособления – направляющей втулки 3 (рис.19.4.б).

Наружные поверхности различной геометрической формы протягивают на вертикально-протяжных станках для наружного протягивания.

Схема протягивания вертикальной плоскости показана на рис.19.4.в.

Наружные поверхности заготовок типа тел вращения можно обрабатывать на специальных протяжных станках рис.19.4.г.

Технологические возможности способов резания

Фрезерование

Фрезерование – высокопроизводительный и распространенный метод обработки поверхностей заготовок: многолезвийным режущим инструментом – фрезой.

Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы, а вспомогательным поступательное перемещение заготовки. Движение подачи может быть и вращательное движение заготовки вокруг оси вращающегося стола или барабана (карусельно- фрезерные, и барабанно-фрезерные станки). Каждый режущий зуб при вращении фрезы врезается в заготовку и осуществляет резание только в пределах определенного угла поворота фрезы, а затем вращается в холостую до следующего врезания. Таким образом, особенностью процесса фрезерования является периодичность и прерывистость процесса резания каждым зубом фрезы, при чем процесс врезания зуба сопровождается ударами.

По исполнению фрезы делятся на цилиндрические, когда зубья располагаются только на цилиндрической поверхности фрезы и торцевые, у которых режущие зубья располагаются на торцевой и цилиндрической поверхности фрезы.

Схемы обработки заготовок на станках фрезерной группы представлены на рис. 20.1.

Рис. 20.1. Схемы обработки заготовок на станках фрезерной группы.

Горизонтальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках цилиндрическими фрезами (рис. 20.1.а) и на вертикально- фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 20.1.б).

Вертикальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 20.1.в) и торцовыми фрезерными головками, а на вертикально- фрезерных станках – концевыми фрезами (рис. 20.1.г).

Комбинированные поверхности фрезеруют набором фрез (рис. 20.1.д) на горизонтально- фрезерных станках.

Уступы и прямоугольные пазы фрезеруют концевыми (рис. 20.1.е) и дисковыми (рис. 20.1.ж) фрезами.

Шпоночные пазы фрезеруют концевыми или шпоночными фрезами на вертикально- фрезерных станках (рис. 20.1.з).

Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной образующей и прямолинейной направляющей фрезеруют фасонными фрезами соответствующего профиля (рис. 20.1.и).

Пространственно- сложные поверхности обрабатывают на копировально-фрезерных автоматах (рис. 20.1.к). Обработку производят специальной концевой фрезой. Фрезерование ведут по трем координатам: x, y, z (объемное фрезерование).

Шлифование

Шлифование – процесс обработки заготовок резанием с помощью инструментов (кругов), состоящих из абразивного материала.

Абразивные зерна расположены беспорядочно. При вращательном движении в зоне контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа тонких стружек (до 100000000 в мин.).

Процесс резания каждым зерном осуществляется мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микро-следов абразивных зерен и имеет малую шероховатость.

Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью.

Главным движением при шлифовании является вращение шлифовального круга, а перемещение круга относительно детали является движением подачи.

Различают следующие основные схемы шлифования: плоское, круглое, внутреннее (рис. 20.2).

При плоском шлифовании (рис. 20.2.а) возвратно-поступательное движение заготовок необходимо для обеспечения продольной подачи . Для обработки поверхности на всю ширину заготовка или круг должны иметь поперечную подачу , которая осуществляется прерывисто при крайних положениях заготовки в конце продольного хода. Периодически осуществляется движение вертикальной подачи , в крайних положениях заготовки в конце поперечного хода.

Плоское шлифование может осуществляться периферией или торцом шлифовального круга.

При круглом шлифовании (рис. 20.2.б) движение продольной подачи осуществляется возвратно-поступательным перемещением заготовки. Подача соответствует осевому перемещению заготовки за один ее оборот. Вращение заготовки является движением круговой подачи. Подача на глубину резания происходит при крайних положениях заготовки.

Движения, осуществляемые при внутреннем шлифовании показаны на рис. 20.2.в.

Рис. 20.2. Основные схемы шлифования.

Для выполнения процесса шлифования наружных поверхностей деталей используются кругло-шлифовальные, плоско-шлифовальные и бесцентрово-шлифовальные станки. Для обработки сложных фасонных поверхностей используются специальные ленто- шлифовальные станки.

В ленто-шлифовальных станках применяется инструмент в виде бесконечной абразивной ленты. Лента в процессе шлифования поверхности сложной формы (например: лопатки турбин) огибает сложную поверхность и перемещается в осевом и продольном направлениях.

Абразивный слой наносят на бумажную или тканевую основу ленты.

Шлифованием обрабатываются только жесткие детали, не формирующиеся в процессе обработки. Данный способ не допускает обработки малых отверстий.

Технологические методы отделочной (финишной) обработки поверхностей деталей машин

Дальнейшее развитие машиностроения связано с увеличением нагрузок на детали машин, увеличением скоростей движения, уменьшением массы конструкции.

Выполнить эти требования можно при достижении особых качеств поверхностных слоев деталей.

Влияние качества поверхностных слоев на эксплуатационные свойства огромно, изменяются:

износостойкость;
коррозионная стойкость;
контактная жесткость;
прочность соединений и другие свойства.

С этой целью широко применяются отделочные методы обработки, для которых характерны малые силы резания, незначительное тепловыделение, малая толщина срезаемого слоя.

Хонингование

Хонингование применяют для получения поверхностей высокой точности и малой шероховатости, а также для создания специфического микро-профиля обработанной поверхности в виде сетки (для удержания смазочного материала на поверхности деталей).

Поверхность неподвижной заготовки обрабатывается мелко-зернистыми абразивными брусками, закрепленными в хонинговальной головке (хоне). Бруски вращаются и одновременно перемещаются возвратно- поступательно вдоль оси обрабатываемого отверстия (рис. 20.3.а). Соотношение скоростей движений составляет 1,5…10, и определяет условия резания.

Рис. 20.3. Схема хонингования.

При сочетании движений на обрабатываемой поверхности появляется сетка микроскопических винтовых царапин – следов перемещения абразивных зерен. Угол пересечения этих следов зависит от соотношения скоростей (рис. 20.3.б).

Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью, так как могут раздвигаться в радиальном направлении. Давление бруска контролируется.

Хонингованием исправляют погрешности формы от предыдущей обработки, а чистовое – для повышения качества поверхности.

Этот процесс осуществляется на специальных хонинговальных установках.

Суперфиниширование

Суперфиниширование уменьшает шероховатость поверхности, оставшуюся от предыдущей обработки. Получают очень гладкую поверхность, сетчатый рельеф, благоприятные условия для взаимодействия поверхностей.

Поверхности обрабатывают абразивными брусками, установленными в специальной головке. Для суперфиниширования характерно колебательное движение брусков наряду с движением заготовки (рис. 20.4).

Рис. 20.4. Схема суперфиниширования

Процесс резания происходит при давлении брусков (0,5…3)10⁵ Па в присутствии смазочного материала малой вязкости.

Амплитуда колебаний 1,5…6 мм. Частота колебаний 400…1200 мин ^-1. Бруски подпружинены и самоустанавливаются по обрабатываемой поверхности. Соотношение скоростей D_Sкр к в начале обработки составляет 2…4, а в конце – 8…16.

Полирование

Полированием уменьшают шероховатость поверхности.

Этим способом получают зеркальный блеск на ответственных частях деталей (дорожки качения подшипников) либо на декоративных элементах (облицовочные части автомобилей). Используют полировальные пасты или абразивные зерна, смешанные со смазочным материалом. Эти материалы наносят на быстро- вращающиеся эластичные круги (фетровые)или на колеблющиеся щетки.

Хорошие результаты дает полирование быстродвижущимися абразивными лентами (шкурками).

При этом одновременно протекают следующие процессы:

тонкое резание;
пластическое деформирование поверхностного слоя;
химические реакции (воздействие на металл химически активных веществ).

Схема полирования представлена на рис. 20.5.

Рис. 20.5. Схема полирования.

Для процесса характерны высокие скорости, до 50м/сек. Заготовка поджимается к кругу силой Р и совершает движения подачи D_Sкр и D_Sпр в соответствии с профилем обрабатываемой поверхности.

В процессе полирования не исправляются погрешности формы.

Абразивно – жидкостная отделка

Данный вид обработки применяется для отделки объемно- криволинейных, фасонных поверхностей.

На обрабатываемую поверхность, имеющую следы предшествующей обработки, подают струи антикоррозионной жидкости со взвешенными частицами абразивного порошка.

Водно–абразивная суспензия перемещается под давлением с большой скоростью. Частицы абразива ударяются о поверхность заготовки и сглаживают микро- неровности.

Интенсивность съема материала регулируется зернистостью порошка, давлением струи и углом под которым подают жидкость.

Жидкостная пленка играет важную роль в данном процессе. Зерна, попадающие на выступы, легко преодолевают ее, а зерна, попадающие во впадины – встречают сопротивление, съем материала затрудняется, шероховатость сглаживается.

Метод жидкостного полирования успешно применяется при обработки фасонных внутренних поверхностей. Сопло вводится в полость заготовки, которая совершает вращательное и поступательное перемещения в зависимости от профиля обрабатываемой поверхности.

Электрофизические и электрохимические методы обработки

Эти методы предназначены в основном для обработки заготовок из очень прочных, весьма вязких, хрупких и неметаллических материалов.

Эти методы имеют следующие преимущества:

– отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку (или очень мало и не влияет на суммарную погрешность обработки);

– позволяют менять форму поверхности заготовки и влияют на состояние поверхностного слоя: наклеп обработанной поверхности не образуется, дефектный слой незначителен; повышаются коррозионные, прочностные и другие эксплуатационные характеристики поверхности;

– можно обрабатывать очень сложные наружные и внутренние поверхности заготовок.

ЭФЭХ методы обработки являются универсальными и обеспечивают непрерывность процессов при одновременном формообразовании всей обрабатываемой поверхности. Эти методы внедряются в различных отраслях промышленности.

Электроэрозионные методы обработки

Эти методы основаны на явлении эрозии электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разряд между электродами происходит в газовой среде или при заполнении межэлектродного пространства диэлектрической жидкостью – керосин, минеральное масло.

При наличии разности потенциалов на электродах происходит ионизация межэлектродного пространства. При определенном значении разности потенциалов – образуется канал проводимости, по которому устремляется электроэнергия в виде импульсного искрового или дугового разряда.

На поверхности заготовки температура возрастает до 10000…12000 ⁰C. Происходит мгновенное оплавление и испарение элементарного объема металла и на обрабатываемой поверхности образуется лунка.

Удаленный металл застывает в диэлектрической жидкости в виде гранул диаметром 0,01…0,005 мм.

При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором возможен электрический пробой (0,01…0,05 мм) при заданном напряжении.

Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически с помощью следящих систем.

Электроискровая обработка

Схема электроискровой обработки представлена на рис. 21.1.

Рис.21.1. Схема электроискрового станка:

1 – электрод-инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка-электрод; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – изолятор

При электроискровой обработке – используют импульсные искровые разряды между

электродами ( обрабатываемая заготовка (анод) – инструмент (катод)).

Конденсатор заряжается через резистор от источника постоянного тока напряжением 100…200 В. Когда напряжение на электродах 1 и 3 достигает пробойного образуется канал, через который осуществляется искровой разряд энергии, накопленной конденсатором.

Продолжительность импульса 20…200 мкс.

Точность обработки до 0,002 мм, 0,63…0,16 мкм.

Для обеспечения непрерывности процесса ( зазор =const) станки снабжаются следящей системой и системой автоматической подачи инструмента.

Получают сквозные отверстия любой формы поперечного сечения, глухие отверстия и полости, отверстия с криволинейными осями, вырезают заготовки из листа, выполняют плоское, круглое и внутреннее шлифование.

Изготовляют штампы и пресс-формы, фильеры, режущий инструмент.

Схемы электроискровой обработки представлены на рис. 21.2.

Рис. 21.2. Схемы электроискровой обработки:

а – прошивание отверстия с криволинейной осью; б – шлифование внутренней поверхности фильеры

Электроискровую обработку применяют для упрочнения поверхностного слоя металла. На поверхность изделия наносят тонкий слой металла или композиционного материала. Подобные покрытия повышают твердость, износостойкость, жаростойкость, эрозионную стойкость и так далее.

Электроимпульсная обработка

При электроимпульсной обработке используют электрические импульсы большой длительности (5…10 мс), в результате чего происходит дуговой разряд.

Большие мощности импульсов от электронных генераторов обеспечивают высокую производительность обработки.

Электроимпульсную обработку целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, фасонных отверстий в детали из коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов.

Схема обработки показана на рис.21.3.

Рис. 21.3. Схема электроимпульсной обработки:

1 – электродвигатель; 2 – импульсный генератор постоянного тока; 3 – инструмент-электрод; 4 – заготовка-электрод; 5 – ванна.

Электроконтактная обработка.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом: относительным движением заготовки или инструмента.

Источником теплоты служат импульсные дуговые разряды.

Этот вид обработки рекомендуется для крупных деталей из углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплавких и специальных сплавов (рис.21.4).

Рис. 21.4. Схема электроконтактной обработки плоской поверхности:

1 – обрабатываемая заготовка; 2 – инструмент-электрод; 3 – трансформатор

Этот метод применяют для зачистки отливок от заливов, отрезки литниковых систем, зачистки проката, шлифования коррозионных деталей из труднообрабатываемых сплавов.

Электрохимическая обработка

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металлов при электролизе.

При прохождении электрического тока через электролит на поверхности заготовки происходят химические реакции, и поверхностный слой металла превращается в химическое соединение.

Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.

Производительность этого способа зависит от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого материала и плотности тока.

Электрохимическое полирование.

Электрохимическое полирование осуществляется в ванне, заполненной электролитом (растворы кислот и щелочей).

Обрабатываемую заготовку подключают к катоду (рис. 21.5). Катодом служит металлическая пластинка из свинца, меди, стали (иногда электролит подогревают).

Рис. 21.5. Схема электрохимического полирования:

1 – ванна; 2 – обрабатываемая заготовка; 3 – пластина-электрод; 4 – электролит;

5 – микровыступ; 6 – продукты анодного растворения

При подаче напряжения начинается процесс растворения металла заготовки (в основном на выступах микронеровностей). В результате избирательного растворения, микронеровности сглаживаются, и обрабатываемая поверхность приобретает металлический блеск.

Улучшаются электрофизические характеристики деталей: уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой не деформируется, исключаются упрочнения и термические изменения структуры, повышается коррозионная стойкость.

Этим методом получают поверхности под гальванические покрытия, доводят рабочие поверхности режущего инструмента, изготовляют тонкие ленты и фольгу, очищают и декоративно отделывают детали.

Электрохимическая размерная обработка

Электрохимическая размерная обработка выполняется в струе электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток.

Электролит растворяет образующиеся на поверхности заготовки – анода соли и удаляет их из зоны обработки. Высокая производительность процесса заключается в том, что одновременно обрабатывается вся поверхность заготовки.

Участки, не требующие обработки, изолируют. Инструменту придают форму, обратную форме обрабатываемой поверхности. Формообразование происходит по методу копирования ( рис. 21.6).

Рис. 21.6. Схема электрохимической размерной обработки:

1 – инструмент – катод; 2 – заготовка – анод

Точность обработки повышается при уменьшении рабочего зазора. Для его контроля используют высокочувствительные элементы, которые встраивают в следящую систему.

Этот способ рекомендуют для обработки заготовок из высокопрочных сталей, карбидных и труднообрабатываемых материалов. Также можно обрабатывать тонкостенные детали с высокой точностью и качеством обработанной поверхности (отсутствует давление инструмента на заготовку).

Комбинированные методы обработки

Электроабразивная и электроалмазная обработка.

При таких видах обработки инструментом служит шлифовальный круг из абразивного материала на электропроводящей связке (бакелитовая связка с графитовым наполнителем).

Между анодом – заготовкой и катодом – шлифовальным кругом имеется зазор, куда подается электролит. Продукты анодного растворения удаляются абразивными зернами; шлифовальный круг имеет вращательное движение, а заготовка – движение подачи, которые соответствуют процессу механического шлифования ( рис. 21.7).

Рис. 21.7. схема электроабразивного шлифования:

1 – заготовка; 2 – абразивные зерна; 3 – связка шлифовального круга.

Введение в зону резания ультразвуковых колебаний повышает производительность в 2…2,5 раза при улучшении качества поверхности. Эти методы применяются для отделочной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов, а также нежестких заготовок, так как силы резания незначительны.

Анодно-механическая обработка

Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электромеханических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионным и электрохимическим методами.

Заготовку подключают к аноду, а инструмент – к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку.

Обработку ведут в среде электролита ( водный раствор жидкого натриевого стекла).

Рабочие движения, как при механической обработке резанием.

Электролит в зону обработки подают через сопло ( рис. 21.8).

Рис. 21.8. Схема анодно-механической обработки плоской поверхности.

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения, как при электрохимической обработке.

При соприкосновении инструмента с микронеровностями заготовки происходит электроэрозия, присущая электроискровой обработке. Металл заготовки в месте контакта с инструментом разогревается и разжижается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются при относительных движениях инструмента и заготовки.

Этим способом обрабатывают заготовки из высокопрочных и труднообрабатываемых сплавов, вязких материалов.

Этим способом разрезают заготовки на части, прорезают пазы и щели, обрабатывают поверхности тел вращения, шлифуют плоские поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения, полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.

Лучевые методы обработки

Электроннолучевая обработка – основана на превращении кинетической энергии направленного пучка электронов в тепловую энергию. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовку за счет нагрева, расплавления и испарения материала с локального участка.

Схема электроннолучевой обработки представлена на рис. 21.9.

Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме катода. Он с помощью электростатических и электромагнитных линз фокусируется на заготовке.

При размерной обработке установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки.

Электроннолучевой метод эффективен при обработке отверстий диаметром 1…0,010 мм, при прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги, изготовлении заготовок из труднообрабатываемых металлов и сплавов, керамики, кварца, полупроводникового материала.

Рис. 21.9. Схема установки для электроннолучевой сварки: 1 – катод электронной пушки; 2 – электрод; 3 – анод; 4 и 5 – отклоняющая магнитная система; 6 – заготовка

Лазерная обработка – основана на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность заготовки. Источником светового излучения служит лазер – оптический квантовый генератор.

Энергия светового луча не велика 20…100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 0,01 мм. Поэтому температура в зоне контакта 6000…8000 ⁰С.

Слой металла мгновенно расплавляется и испаряется. С помощью этого метода осуществляется прошивание отверстий, разрезание заготовки, прорезание пазов в заготовках из любых материалов (фольга из тантала, вольфрама, молибдена). Также с помощью этого метода можно осуществить контурную обработку по сложному периметру.

Плазменная обработка

Сущность обработки заключается в том, что плазму направляют на обрабатываемую поверхность.

Плазменная струя представляет собой направленный поток частично или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000 ⁰С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов используют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

С помощью этого метода прошиваются отверстия, вырезаются заготовки из листового материала, производится точение в заготовках из любых материалов.

При прошивании отверстий и разрезке головку устанавливают перпендикулярно к поверхности заготовки, при строгании и точении – углом 40…60 ⁰.

Плазменное напыление.

Этот вид обработки осуществляется с целью получения заданных размеров.

В камеру плазматрона подается порошкообразный конструкционный материал и инертный газ под давлением.

Под действием дугового разряда конструкционный материал плавится и переходит в состояние плазмы; струя плазмы сжимается в плазматроне газом. Выходя из сопла, струя направляется на обрабатываемую заготовку.