Основы металловедения

Раздел 1 Основы металловедения Тема 1.1 Введение. Строение и свойства металлов и сплавов Материаловедением называется наука о структуре и свойствах материалов. Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенст­вование применяемых материалов является необходимым услови­ем успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электротехника и ра­диоэлектроника, для которых именно качество материалов стано­вится ключом к разработке сложных инженерных решений и созда­нию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые в этих об­ластях металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материа­лов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и экс­плуатационных факторов позволяет специалисту не только грамот­но выбирать материал при проектировании электротехнических уст­ройств, но и грамотно эксплуатировать их. Электротехническими являются специальные материалы, из которых изготавливают электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок. Основные группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные — диэлектрики. Проводниковые материалы используются в элект­ротехнических устройствах в качестве проводников элект­рического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппара­тах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергий. Полупроводники занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектри­ками. Их применяют в выпрямителях, в усилите­лях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т. п. Магнитные материалы отличаются способностью усили­вать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обла­дают большой магнитной проницаемостью. Они исполь­зуются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнит­ного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Электроизоляционные материалы не проводят электрический ток. Ди­электрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах. Диэлектрики бывают газообразными (воздух, водород, элегаз), жидкими (дистиллированная вода, различные масла), твердыми (бумага, керамика, резина и т.д.). Причинами выхода изоляции из строя являются старение и пробой. Под старением понимается комплекс процессов в материалах, вызванных различными факторами, под воздействием которых ухудшается их качество. Основные факторы: повышенная температура, повышенное напряжение, климатические факторы, механические воздействия, загрязнение. Процесс старения можно замедлить, а иногда отдалить его начало. Для этого применяют специальные вещества (стабилизаторы и ингибиторы), предотвращающие действие электрического поля и химических реакций. Добавляются в материалы для замедления окисления примеси (антиоксиданты), которые более активны по отношению к кислороду, чем частицы самого материала. Пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности электрической изоляции или неконтролируемое повышение электрической проводимости изоляции, которое могут вызывать следующие процессы: ударная ионизация, чрезмерный нагрев, старение. Противостоять воздействиям длительно без ухудшения свойств может только надежная изоляция. Оценивают свойства изоляции на заводах - изготовителях в результате проведения целого комплекса испытаний. При испытании изоляционных материалов выбирают более жесткие условия, чем в эксплуатации. Установлено два вида испытаний: контрольные и типовые. Контрольным испытаниям подвергают каждую партию изделий, например, при изготовлении лакотканей принимают один рулон. В контрольные испытания входят: проверка материала визуальным осмотром, определение размеров, пробивного напряжения и т. д. Типовые испытания наиболее расширены, их проводят не реже одного раза в три месяца или же в том случае, когда изменяется технологический процесс изготовления или применяется другое сырье, а также в случае требования служб надежности завода – изготовителя. «Кристаллическое строение металлов» Вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение. В аморфных веществах (янтаре, смолах, битумах, кварцевом стекле) атомы расположены беспорядочно, при нагревании аморф­ные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние. Большинство минералов, все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Эти вещества при нагреве остаются в твердом состоянии и переходят в жидкое при определенной тем­пературе. Рисунок 1 Атомно – кристаллическое строение металлов Располагаясь в строгом геометрическом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку (рис.1,а), а в пространстве – атомно-кристаллическую решетку (рис.1,б). Кристаллические решетки состоят из огромного количества ячеек. Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются: кубическая объемно-центрированная (рис. 1, в), кубическая гранецентрированная (рис. 1, г) и гексагональная плотноупакованная (рис.1, д). На рисунке 1,в приведена ячейка и часть кубической объемно - центрированной пространственной решетки, ограниченная восемью сопредельными элементарными ячейками; узлы, располо­женные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками. Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки (рис.1, г) ограничивается 14 атомами: восемь из них расположены ни вершинам куба, шесть — по его граням. На рисунке 1, д приведена схема элементарной ячейки гексагональной решетки. Она ограничена 17 атомами, из которых 12 расположены по вершинам шестигранной призмы, два атома — в центре основа­ний и три — внутри призмы. «Дефекты кристаллических решеток» Реально структура кристаллов отличается от приведенных иде­альных схем, в них имеются дефекты. Рисунок 2 Дефекты кристаллических решеток Точечными, дефектами являются пустые узлы, или вакансии (рис. 2,а) и межузельные атомы (рис. 2,б); число этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными (одномерными) дефектами являются дислокации, представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки (см. линию ММ на рис. 2,в). Поверхностные (двухмерные) дефекты определяются наличием субзерен или блоков 1, 2 внутри кристалла (рис. 2,г), а также различной ориентацией кристаллических реше­ток зерен 3, 4 (рис. 2, д). По границам зерен решетка одного кри­сталла переходит в решетку другого, здесь нарушена симметрия рас­положения атомов. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов. Металлы являются анизотропными, так как в отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях. Следствием анизотропности кристаллов является спайность, ко­торая выявляется при разрушении кристаллов. В изломах, проходящих через кристалл, имеются правильные микроплоскости, что указывает на смещение частей зерен под влиянием внешних сил пра­вильными рядами и в определенном направлении, а не беспорядочно, как это имеет место у аморфных веществ. Эти микроплоскости назы­ваются плоскостями спайности; по плоскостям спайности силы связи между слоями слабее, чем по другим плоскостям кристалла. Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму. Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью. Аллотропия металлов (или полиморфизм)— свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения — присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.). Компонентом называют химически индивидуальное вещество, т. е. компонентами являются химические элементы и химические соединения. Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. В жидком состоянии однородная система содержит одну фазу; при затвердевании всегда имеются две фазы: жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор) или сплав, содержащий сочетание фаз. «Кристаллизация металлов» Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений. Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой. Рисунок 3 Кривые процесса кристаллизации металла На рис.3, а приведена кривая охлаждения металла. Здесь точки а и в соответствуют началу и окончанию затвердевания. Участок ав характеризует неиз­менность температуры при продолжающемся охлаждении. Это указывает на то, что при кристаллизации выделяется тепловая энергия. Чтобы вызвать в металлическом расплаве выделение твердой фазы, необходимо некоторое переохлаждение (tпх) системы против равновесной температуры (tр), при которой жидкая и твердая фазы являются термодинамически устойчивыми; и обратно, чтобы вызвать плавление кристаллов, металл необходимо несколько перегреть (tпг) против равно­весной температуры (рис. 3, б). При затвердевании и аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых затем группируются атомы, образуя соответствую­щую кристаллическую решетку. Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из растущих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллиза­ции кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкой фазой. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен, гранул). У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: аллотропии у этих веществ быть не может. «Основные свойства металлов» У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства. Механические свойства: 1) Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил; 2) Твердость - сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты); 3) Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию; 4) Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке. 5) Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить). Физические свойства: 1) Способность плавиться при нагревании используют для получе­ния отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяют для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. п. 2) Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электро­передачи, а сплавы с высоким электросопротивлением—для ламп накаливания, электронагревательных приборов. 3) Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), приборостроении (телефонные, телеграфные аппараты) и т. д. 4) Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для литья, обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п. Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковых решеток, деталей аппаратов и машин в химической промышленности). Для деталей, которые должны обладать высокой корро­зионной стойкостью, производят специальные коррозионно-, кисло­стойкие и жароупорные стали и другие сплавы. «Основные сведения о сплавах» Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. В зависимости от при­роды компонентов образуются следующие виды сплавов: 1) механическая смесь компонентов; 2) твердый раствор компонентов; 3) химическое соединение компонентов. Сплавы — механические смеси — неоднородны и представляют собой смесь кристаллов компонентов. Сплавы — твердые растворы и сплавы — химические соедине­ния — однородны, причем первые могут содержать различное соот­ношение компонентов, а вторые образуются только при строго опре­деленном массовом соотношении компонентов, как всякое химиче­ское соединение. В сплавах — твердых растворах — атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис. 4, а) или внедряются в нее (рис. 4, б); сплавы — химические соедине­ния — образуют новую кристаллическую решетку. Рисунок 4 Расположение атомов в твердых растворах «Диаграммы состояния» Диаграммы состояния представляют системы, компоненты которых полностью взаимно растворяются в жидком состоянии. Они характеризуют процессы затвердевания и структур­ного изменения различных сплавов и дают наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы и при всех охва­тываемых диаграммой температурах. По диаграмме состояния сплавов данных компонентов можно заранее судить о свойствах всех сплавов системы. Диаграмма со­стояния позволяет выбирать температуру нагрева сплава при тер­мической обработке сплава, обработке его давлением, температуру нагрева для литья. Построение диаграмм состояния производится по кривым охлаждения, полученным посредством термического анализа, который сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов. 1) Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии образуют механические смеси. Например, рассмотрим сплав свинца и сурьмы (Pb – Sb) Рисунок 5 Диаграмма состояния механической смеси 1) По линии АВ начинается выделение кристаллов свинца; 2) В области диаграммы АВD находятся кристаллы свинца и жидкий растров; 3) По линии BD затвердевает весь оставшийся раствор; 4) По линии ВС начинается выделение кристаллов сурьмы; 5) В области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор 6) В точке в происходит одновременно кристаллизация сурьмы и свинца, образуется эвтектический сплав (легкоплавящийся), имеет низкую температуру плавления. Линия АВС – линия ликвидуса, жидкое состояние. Линия DBE – линия солидуса, твердое состояние. 2) Диаграмма состояния систем сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему сплавов медь- никель (Cu – Ni) . Рисунок 6 Диаграмма состояния твердых растворов При медленном охлаждении в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается вследствие диффузии. Если охлаждение производить быстро, состав внутри кристаллов не успевает выравниваться. Это явление называется ликвацией. Твердые растворы в отличие от смесей являются однофазными. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии определяется следующими факторами: 1) близостью их расположения в периодической системе Менделеева (то есть сходностью строения электронных оболочек их атомов); 2) близостью атомных диаметров; 3) подобием кристаллических решеток: 4) небольшой разностью температур плавления компонентов. 3) Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему медь – серебро (Cu – Ag) Рисунок 7 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью Линия АВС – ликвидус, выше этой линии находятся жидкие растворы, линия ADBEC – солидус. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельное массовое содержание раствора α (серебра в меди) – 7%, а раствора β (меди в серебре) – 8 %. При большей концентрации по линии DE образуются эвтектика растворов α + β. Кривые DF и EG показывают, что при охлаждении ниже линии эвтектики (DE) происходит постепенный распад твердых растворов α и β (выпадение серебра из раствора α и меди из раствора β). 4) Диаграмма состояния системы сплавов с образованием устойчивых химических соединений компонентов. Рассмотрим сплав магний – кальций (Mg – Ca). Рисунок 8 Диаграмма состояния химического соединения Химическое соединение Mg4Ca3 можно рассматривать как новый, третий компонент, который делит диаграмму Mg – Ca на две диаграммы: Mg – Mg4Ca3 и Mg4Ca3 – Ca. Для диаграммы Mg – Mg4 - Ca3 линия АВС – ликвидус, линия FG – солидус. По линии АВ начинается выпадение кристаллов магния, по линии ВС – выпадение кристаллов соединения Mg4Ca3. В точке В одновременно кристаллизуются Mg и Mg4Ca3, образуя эвтектику. Система Mg4Ca3 – Ca аналогична. «Диаграмма состав – свойство» Эти диаграммы являются ценным дополнением к диаграммам состояния сплавов: они характеризуют изменение свойств сплавов в зависимости от состава. На рис. 9, а—г изображены диаграммы состояния компонентов А и В, изменения твердости Н и электропроводности Е. В сплавах типа Pb—Sb (рис. 9, а) свойства изменяются прямолинейно от одного компонента к другому; в сплавах типа Сu—Ni (рис. 9, б) твердость при увеличении компонента В сначала возрастает, а затем падает, электропроводность, наоборот, вначале падает, потом возрастает. В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 9, в) свойства изменяются в соответствие с принадлежностью той или иной части диаграммы к виду а или б: сначала, пока образуется смесь твердых растворов, свойства изменяются прямолинейно, затем, когда образуется твердый раствор, прямолинейный ход изменения свойств нарушается. Изменение свойств в сплавах — химических соединения (рис. 9, г) выражается ломаными линиями, и каждое из них может быть представлено двумя различными прямыми на двух отдельных диаграммах. Рисунок 9 Диаграмма состояния компонентов Помимо твердости, прочности, электропроводности диаграммы состояния дают возможность определить литейные свойства, способ­ность поддаваться обработке давлением, резанием и т. д. Тема 1.2 Сплавы железа с углеродом К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод. Железо может находиться в двух аллотропических формах —α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность, γ-железо растворяет значительно боль­шее количество углерода —до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при вы­соких температурах. Аустенит пластичен. Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe3C, называемое цементитом, или карбидом железа. В цементите содер­жится 6,67 % С; он имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кри­сталлизации в равновесных условиях получается аустенитная струк­тура, называют сталями. Сталь —это железоуглеро­дистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми. Процесс, в результате которого углерод выделяется в свободном состоянии в виде графита, называют графитизацией. Графит является неметаллической фазой. «Чугун» В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод связан в цементит; серый чугун в котором весь углерод находится в свободном состо­янии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита; форма графита пластинчатая (рис. 10, а); высокопрочный чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 10, б); ковкий чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита хлопье­видная (рис. 10, в). Рисунок 10 Микроструктура чугуна с различной формой графита и внешний вид графитовых включений в чугуне: а) пластинчатый графит в сером чугуне; б) шаровидный графит в высокопрочном чугуне; в) хлопьевидный графит в ковком чугуне Серый чугун. Чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, т. е. нет цементита, и структура ферритно-графитная называют серым ферритным чугуном. Графитизация и структура чугуна существенно зависят от химиче­ского состава и скорости охлаждения отливки. Серые чугуны кроме железа и углерода содержат примеси крем­ния, марганца, серы и фосфора. Кремний способствует графитизации чугуна (содержание его в чугуне 0,5—4,5 %). Марганец препятствует графитизации, способствует, как говорят, отбеливанию чугуна (содер­жание 0,4—1,3'%). Серу считают вредной примесью, так как она спо­собствует отбеливанию чугуна, понижает прочностные характеристики и снижает жидкотекучесть (допускается < 0,12 %). Фосфор улучшает жидкотекучесть (при содержании до 0,8 %), но увеличивает хрупкость. Обычно для получения заданной структуры регулируют содержание углерода, кремния и марганца. На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает процесс графитизации. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна структура получается различной в зависимости от толщины отливки. Механические свойства серого чугуна в основном определяются количеством, формой и размерами включений графита. Чем больше графита в чугуне, чем крупнее пластинки графита, тем ниже механи­ческие свойства. Для получения мелких, завихренной формы чешуек графита применяют модифицирование —добавление в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция, играющих роль зародышевых центров выделения графита. Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузнач­ных числа: первое число показывает предел прочности при растяже­нии, второе — предел прочности при изгибе. Например, марка СЧ 15-32 показывает, что, чугун имеет σв= 150 MПа (15 кгс/мм2) и σи = = 320 МПа (32 кгс/мм2). Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, корпусов, поршневых колец, гильз автомобильных и тракторных двигателей и др. Высокопрочные чугуны. Для получения графита в виде шаровид­ных включений в ковш с жидким чугуном вводят небольшое количество металлического магния. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе —относительное удлинение; например, ВЧ 38-17; ВЧ 120-4 и др. Чугуны с шаровидным графитом применяют для ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др. Ковкий чугун. Этот чугун получают в результате длительного нагрева (отжига) доэвтектического белого чугуна, при котором проис­ходит распад цементита с образованием графита (хлопьевидной формы, рис.10,в). То есть процесс графитизации ( такой отжим называют графитизирующим). Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, далее следуют цифры предела прочности при растяжении и относительного удлинения; например, КЧ 35- 10, КЧ- 63-2. «Углеродистые и легированные стали» Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элемен­тами с содержанием до 2- % С (точнее до 2,14 % С). Если сталь имеет в своем составе железо и углерод и некоторое количество постоянных примесей — марганец (до 0,7 %), кремний (до 0,4 %), серу (до 0,06 %), фосфор (до 0,07 %) и газы, то такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирую­щие элементы—хром, никель, ванадий и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют леги­рованной. «Влияние на сталь углерода, постоянных примесей и легирующих элементов» Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увели­чением содержания углерода в стали повышается ее твердость и проч­ность, уменьшается пластичность и вязкость. Марганец и кремний — полезные примеси. Их добавляют в сталь при выплавке ее для раскисления стали. Сера с железом образует сульфид железа FeS, который в стали находится в виде эвтектики Fe—FeS с температурой плавления 985^°С. При нагреве стали до температуры 1000—1200 °С для горячей обра­ботки давлением эвтектика плавится, сталь становится хрупкой н при деформации разрушается. Это явление называют краснолом­костью. Красноломкость устраняет марганец. Образующийся пластич­ный сульфид марганца MnS плавится при температуре 1620 °С. Фосфор растворяется в феррите, повышает хрупкость стали, т. е. вызывает так называемую хладноломкость. Газы (кислород, азот, водород) частично растворены в стали, при­сутствуют в виде неметаллических включений (окислы, нитриды). Кислород в стали находится главным образом в виде окислов А1203, Si02 и др. Окислы, в отличие от сульфидов, хрупки, при горячей обработке не деформируются, а крошатся, разрыхляют металл. В при­сутствии большого количества водорода возникает опасный дефект — внутренние надрывы в металле, так называемые флокены. Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотро­пические превращения в железе, фазовые пре­вращения в стали. К элементам, способным образовывать карбиды, относятся Мn, Cr, W, V и др. Обозначают карбиды формулами, например Cr7C3, W2C, VC и др. Элементы, не образующие карбидов Ni, Si, находятся в стали главным образом в твердом растворе. Легирующие элементы в различной степени положительно влияют на изменение механических свойств феррита. Все легирую­щие элементы, за исключением кобальта, замедляют распад аусте­нита. Увеличивая устойчивость аустенита, легирующие элементы умень­шают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Карбидообразую­щие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. «Классификация сталей» Стали классифицируют по следующим при­знакам: химическому составу, качеству, структуре, применению. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на: низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10 %). По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается способ выплавки и содержание серы и фосфора. По структуре различают стали в отожженном и нормализован­ном состояниях: в отожженном состоянии —доэвтектоидный (компонента меньше нормы), заэвтектоидный (компонента больше нормы), ледебуритный (одновременная кристаллизация аустенита и цементита), ферритный (тв.раст-р углерода в α-железе) и аустенитный (тв.раст-р углерода в γ-железе) классы; в нормализованном состоянии—перлитный (одновременная кристаллизация феррита и цементита), мартенситный (перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе). К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих эле­ментов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов. По применению стали подразделяют на следующие группы: конструкционные стали—для деталей машин и конструкций; инстру­ментальные стали —для различного инструмента; стали и сплавы с особыми свойствами —например, жаропрочные, коррозионно-стой­кие, магнитные и др. «Маркировка сталей» Обозначение сталей обыкновенного качества — буквенно-цифровое, например Ст0, Ст1 —Ст6, БСт0, БСт1 —БСт6, ВСт2—ВСт5. Буквы Ст означают сталь (в марках других сталей буквы Ст не указываются), цифры от 0 до 6 —услов­ный номер марки в зависимости от химического состава и механи­ческих свойств; буквы Б и В —группы стали (группа А в марке стали не указывается). Степень раскисления — индексами: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп—спокойная, например Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, БСт3кп. Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают двузначными цифрами, показывающими среднее содержание угле­рода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, сталь марки 15 содержит в среднем 0,15 % С, сталь 40 —0,40 % С и т. д. Степень раскисления указывают в конце марки, например сталь 08кп. Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру —среднее содержа­ние углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С, сталь У11 — 1,1 % С. В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Легирующие элементы указывают русскими буквами: марганец —Г, кремний —С, хром — X, никель —Н, Вольфрам — В, ванадий —Ф, титан —Т, молибден —М, кобальт—К, алюминий — Ю, медь—Д, бор — Р, ниобий—Б, цирконий—Ц, фосфор —П, азот —А. В марках легированных конструкционных сталей, например 20Х, 18Г2С, 60С2, 18ХГТ, 38ХН3МФ и др., двузначные цифры в на­чале марки —это среднее содержание углерода в сотых долях про­цента, а цифры после букв — примерное содержание соответствую­щего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает на то, что оно составляет до 1,5 % и менее. Для высоко­качественных сталей в конце марки ставят букву А; например, сталь 12Х2Н4 — качественная сталь, а сталь 12Х2Н4А —высококачествен­ная. В марках легированных инструментальных сталей, например X, 9ХС, ХВГ, ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС и др., одна цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %. При содержании в сталях 1 % С или более цифру не пишут. Расшифровка в марках инструменталь­ных сталей содержания легирующих элементов такая же, как и в кон­струкционных сталях. Все стали инструментальные легированные и с особыми свойствами всегда высококачественные и поэтому в обо­значениях этих сталей буква А не ставится. В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указывающие их применение: А — автоматные стали, Р — быстрорежущие, Ш—шарикоподшипнико­вые, Э —электротехнические. «Конструкционные стали» Конструкционные стали должны обладать определенным комплексом механических свойств, которые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е. стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструк­тивной прочностью. Повышения конструктивной прочности можно достичь только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий. Конструкционные строительные стали. Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невы­соким содержанием углерода (при более высоких напряжениях). Листовая сталь для холодной штамповки. В зависимости от степени деформации листа сталь делят на следующие группы: весьма глубо­кой вытяжки (ВГ), глубокой вытяжки (Г), нормальной вытяжки (Н). Для холодной штамповки применяют, например, сталь марки 08кп. В этой стали мало углерода (0,08 %) и кремния (==с 0,03 %), что является положительным, так как углерод и кремний снижают спо­собность стали к вытяжке. Штампуемость листовой стали ухудшается при наличии в ней крупного и неоднородного по размерам зерна. Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Для изготовления де­талей небольших размеров, работающих на износ при малых нагруз­ках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, шпильки и др.), применяют углеродистые стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость, а сердцевина не упрочняется. Для тяжело нагруженных деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевины, применяют легированные стали 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы) Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Эти стали называют улучшаемыми потому, что их обычно подвергают улучшению — за­калке в масле и высокому отпуску (550—650 °С) с получением струк­туры сорбита. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, хорошую прокаливаемость. Пружинно-рессорные стали. Эти стали должны иметь особые свой­ства в связи с условиями работы пружин и рессор, которые служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в про­цессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости. Шарикоподшипниковые стали. Основной сталью является сталь ШХ15 (0,95 — 1,05 % С; 1,3 — 1,65 % Сг). Содержа­ние в ней углерода и хрома обеспечивает получение после закалки в масле высокой твердости, износостойкости, достаточной вязкости и необходимой прокаливаемости. Автоматные стали. Эти стали содержат повышенное количество серы и фосфора, хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, образуя короткую, ломкую стружку. Недостаток автоматных сталей—пониженная пластичность, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств (крепежные детали, втулки и др.). «Инструментальные стали» В связи с различными условиями работы инструмента инструментальные стали по назначению делят на следующие группы: стали для режущих инструментов, измерительных инструментов, штамповые стали. «Стали и сплавы с особыми свойствами» 1) Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности сначала образуется тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается, и образуется окалина. Способность стали сопротивляться окислению при высоких температурах называется жаростойкостью (окалиностойкостью). Если окисная пленка пористая, окисление происходит интенсивно; если плотная, окисление замедляется или даже прекращается. Для получения плотной пленки сталь легируют хромом, кремнием и алюминием. К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью (детали котлов и турбин) 2) Коррозийно-стойкие (нержавеющие) стали. 3) Магнитные стали и сплавы. Делятся на магнитно – мягкие и магнитно – твердые. Магнитно – мягкие стали (электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы) применяют для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов. Магнотно – твердые стали (высокоуглероистые и легированные стали) применяют для изготовления постоянных магнитов. Тема 1. 3 Основы термической и химико – термической обработки металлов Термической обработкой называют процессы теплового воздей­ствия по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. От термической обработки зависит качество и стой­кость в работе деталей и инструмента. Основоположником теории и рациональных методов термической обработки стали является русский ученый Д. К. Чернов. Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми структурой и свойствами. «Превращения в стали при нагреве» Превращение перлита в аустенит. В исходном состоянии сталь представляет собой смесь фаз феррита и цементита. Затем начинается образо­вание мелких зерен аустенита (рис. 11, а), в которых растворяется цементит. Затем образовавшиеся зерна растут, зарождаются новые мелкие зерна аустенита (рис. 11, б, в) и продолжается растворение цементита. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего пер­литного зерна зернами аустенита (рис. 11, г). Рисунок 11 Схема образования аустенитных зерен Превращение перлита в аустенит — процесс кристаллизацион­ного типа и носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на расстояния больше межатомных. Рост зерна аустенита при нагреве. Образующиеся при нагреве из зерен перлита зерна аустенита получаются мел­кими и называются начальными зернами аустенита. При повышении температуры происходит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склон­ность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, обладают склонностью к непрерыв­ному росту зерна с повышением температуры. Такие стали назы­вают наследственно крупнозерни­стыми (рис. 12). Стали, раскислен­ные в процессе выплавки дополни­тельно алюминием, не обнаружи­вают роста зерна при нагреве до значительно более высоких темпе­ратур (900—950 °С). Такие стали называют наследственно мелкозер­нистыми (рис. 12). Благоприятное влияние алюминия объясняется образованием ни­трида алюминия A1N, который в виде мелких включений располага­ется по границам зерен и тормозит их рост. При определенной темпе­ратуре происходит растворение включений в аустените, и зерна начи­нают расти очень быстро. Наследственную зернистость оценивают баллами по специальной шкале зернистости. Рисунок 12 Схема роста зерна аустенита в наследственно мелкозернистой (а) и крупнозернистой (б) сталях. «Превращения в стали при охлаждении» Превращение аустенита в перлит может происходить только при температурах ниже 727° С Для распада аустенита должно быть его переохлаждение. Образцы стали, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой сре­дой, имеющей температуру ниже 7270 С и выдерживают до завер­шения превращения. Видов термической обработки: собственно терми­ческая обработка—только термическое воздействие на сталь; термомеханическая —сочетание термического воздействия и пластической деформации; химико-термическая—сочетание термического и хими­ческого воздействия. Собственно термическая обработка подразде­ляется на отжиг (первого и второго рода), закалку и отпуск. «Отжиг стали» Отжигом называется нагрев стали до определенной температуры, выдержка и последующее медленное охлаждение (в печи) с целью получения более равновесной структуры. Отжиг первого рода – это отжиг, при котором не происходит фазовых превращений (перекристаллизации), а происходит приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный. Гомогенизационный отжиг - это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950 °С (обычно при 1100—1200 °С) с целью выравнивания химического состава в результате диффузии. Рекристаллизационный отжиг применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). С увеличением в металле количества дислокаций прочность сначала понижается, а затем повышается. Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется тем, что они препятствуют перемещению друг друга и поэтому затрудняют пластическую деформацию. Упрочнение металла в результате пластической деформации, проводимой при комнатной температуре (холодная деформация), например прокатка, волочение, называется наклепом. При рекристализационном отжиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутреннего напряжения в стали нужна температура не менее 600 0С. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения Отжиг второго рода - это отжиг, при котором изменяется структура сплава (перекристаллизация). Раз­личают следующие разновидности отжига второго рода: полный, не­полный, изотермический, нормализационный (нормализация). При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали. В результате полного отжига структура стали ста­новится близкой к равновесной, что способствует лучшей обраба­тываемости резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок. Отжигом достигается также измельчение зерна. Крупнозерни­стая структура получается, например, в результате перегрева стали, такая структура называется видманштетовой. С ростом зерна снижается ударная вяз­кость, особенно при высокой твердости (после закалки и низкого отпуска), повы­шается склонность к закалочным трещинам. Неполный отжиг применяют после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура. При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают и выдерживают при этой температуре, после чего охлаждают на воздухе. При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе в цехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации. В результате нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность после нормализации выше, чем после отжига. Часто нормализацией улучшают структуру перед закалкой. «Закалка стали» Закалкой называют процесс термической обработки — нагрев стали до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В резуль­тате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластич­ность стали. Основные параметры при закалке —температура на­грева и скорость охлаждения. В зависимости от размеров деталей и теплопровод­ности стали выбирают время нагрева. Время выдержки при темпера­туре закалки выбирают таким, чтобы полностью завершились фазо­вые превращения. Практически время нагрева в электропечах при­нято 1,5—2 мин на 1 мм сечения. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки. Наиболее распространенные закалочные среды — вода, вод­ные растворы солей и щелочей, масло, воздух, расплавленные соли. Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550—650 °С и в 28 раз быстрее при 200 °С. Поэтому воду применяют для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой крити­ческой скоростью закалки (легированные стали). Основной недо­статок воды как охладителя —высокая скорость охлаждения при пониженных температурах приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. Добавление к воде солей, щелочей увеличивает ее закаливающую способность. Масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преиму­щество масла как охладителя заключается также в том, что оно обла­дает небольшой скоростью охлаждения, поэтому при охлаждении в масле опас­ность образования трещин резко уменьшается. Недостатки масла — это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности деталей. Способы закалки. В зависимости от формы детали, марки стали и требуемого комплекса свойств применяют различные способы закалки. 1) Закалка в одном охладителе. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одном охладителе (вода, масло). 2) Ступенчатая закалка. Нагретую до температуры закалки деталь охлаждают в расплавленных солях. После выдержки в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь охлаждают на воздухе, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Недостаток ступенчатой закалки — ограниченность ее применения (для углеродистых сталей —только для мелких деталей диаметром до 10 мм). 3) Изотермическая закалка. Так же как и при ступенчатой закалке, нагретые до температуры закалки детали охлаждают в соляной ванне, где выдерживают в течение времени, после чего охлаждают на воздухе. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточное напряжение, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической. В зависимости от темпе­ратуры отпуск делят на низкий, средний и высокий. Низкий отпуск — нагрев стали до температуры 250 °С и охлаж­дение. Средний отпуск—нагрев стали от 350 до 450 °С и охлаждение. Высокий отпуск —нагрев стали от 450 до 650 °С и охлаждение. Закалку с высоким от­пуском называют улучшением. Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше критической и последующие охлаждение. Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам. «Химико-термическая обработка стали» Химико-термической обработкой называют процесс, представ­ляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, а, следовательно, и всей детали в целом. При химико-термической обработке протекают следующие про­цессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диф­фундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверх­ностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диф­фузия). Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят раз­личными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, крем­нием и др. Если используют углерод, то такой процесс называют цементацией, если азот — азотированием, хром — хромированием, кремний —силицированием и т. д. «Цементация стали» Цементация — процесс химико-термической обработки, представ­ляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель цементации —получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обога­щением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8—1 % и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %). В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в кото­рую помещают обрабатываемые детали, различают цементацию в твер­дой, жидкой и газовой средах. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация). При газовой цементации детали нагревают до 900—950 °С в спе­циальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродсодержащий газ [естественный (природный) или искусственный газ]. Атомарный углерод, необходи­мый для цементации, образуется при разложении углеводородов и окиси углерода, содержащихся в цементующих газах. Основным угле­водородом является метан СН4. Заданную концентрацию углерода (0,8—1 %) в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермического газа (эндо-газа), состоящего из окиси углерода (20 %), водорода (40 %) и азота (40 %). Для повышения активности газовой среды к эндогазу добав­ляют природный газ. В цементованной детали содержание углерода уменьшается от по­верхности к центру. Цементованные детали подвергают термической обработке, наи­более часто закалке с 820—850 °С и низкому отпуску. Для деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей, широко применяют непосредственную закалку из печи с предварительным охлаждением до 840—860 °С. Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, крупногабаритные кольца, ролики подшипников и др. «Азотирование, цианирование и нитроцементация стали» 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). Для азотирования детали нагревают (при 500—700 °С) в специ­альной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH3. При нагреве аммиак разлагается с образованием ато­марного азота, который поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. Для получения высокой твердости и износостойкости слоя применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий. При азотировании такой стали при 500—550 °С азот образует химические соединения, называемые нитридами (нитриды железа Fe2N, хрома CrN, алюминия A1N и др.), придающие 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 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 с со­хранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с 0,2—0,4 % С. При цианировании детали нагревают при 820—960 °С в расплав­ленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN. Для получе­ния слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820—860 °С в цианистых солях, содержащих NaCN, NaCl, Na2C03. При нагреве образующиеся в ванне атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Слой содержит ~ 0,7 % С и ~ 1 % N. Затем детали зака­ливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску. Для получения слоя толщиной до 2 мм цианирование ведут при 930—960 °С в цианистой ванне, содержащей NaCN, NaCl, ВаС12. Слой содержит ~ 1 %С и ~ 0,3 % N. Затем детали охлаждают на воздухе, проводят закалку и низкий отпуск. Недостаток цианирова­ния — ядовитость цианистых солей. При нитроцементации детали нагревают при 850—870 °С в газо­вой смеси, обычно состоящей из эндогаза, к которому добавляют 5—15 % природного газа и 3—8 % аммиака. После насыщения по­верхности деталей углеродом и азотом их подвергают закалке и низ­кому отпуску. Нитроцементацию применяют для обра­ботки широкой номенклатуры деталей. «Диффузионное насыщение металлами и металлоидами» Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости (до 1000 °С), коррозионной стойкости, твердости и износо­стойкости деталей. Насыщение (при 1000—1200 °С) проводят в твердых, жидких и газовых средах. При насыщении в твердой среде детали помещают в ящик со смесью ферросплава (например, ферроалюминия, феррохрома и др.) и хло­ристого аммония NH4C1. При нагреве, в связи с взаимодействием! ферросплава и хлористого водорода НС1, получающегося при разложении NH4CI, образуется летучее соединение (хлорид) хлора с ме­таллом (металлоидом), например хлорид алюминия А1С13, хлорид хрома СгС12 и др., которое при контакте с деталью распадается с обра­зованием атомов данного металла (металлоида), проникающих в сталь. При насыщении в жидкой среде детали нагревают в ванне с расплавленным металлом (например, алюминием и др.). При насыщении в газовой среде детали нагревают в среде летучих хлоридов различных металлов (металлоидов). «Коррозия металлов и меры борьбы с ней» Коррозией металлов и сплавов называют процесс превра­щения их в окисленное состояние, разрушение под влиянием внеш­ней среды. Примером коррозии может служить ржавление железа на воздухе, разъедание подводных частей судов, порча химической аппаратуры от действия различных растворов, а также кислот и щелочей. Коррозия приводит изделия в негодность. Потери от кор­розии сплавов на основе железа велики: каждая пятая тонна из выплавленных черных металлов расходуется на восполнение потерь по изделиям, пришедшим в негодность от коррозии. «Основы теории коррозии металлов» По виду коррозионного процесса различают электрохими­ческую, химическую и смешанную коррозию; в зависимости от кор­розионной среды ее относят к природной (под действием атмосферы, морской, речной, озерной воды, почвы) или промышленной (под действием солей, кислот, щелочей). По характеру коррозионного разрушения выделяют равномерную (рис. 13, а), неравномерную (б), избирательную, воздействующую на определенную фазу (в), пят­нами (г), язвенную (д), точечную (е), сквозную (ж), ножевую (з), трещинами (и), межкристаллитную (к), подповерхностную (л) и послойную (м) коррозии. Рисунок 13 Виды коррозийных разрушений Электрохимической коррозией называют процесс самопроизволь­ного взаимодействия металла с жидкостью—электролитом, в ходе которого последовательно протекает окисление металла и восста­новление окислительного компонента; окислительный компонент при этом не входит в состав продукта коррозии. По процессу электрохимической коррозии корродирует подавляющее большинство металлических изделий. Электролитами могут быть всевозможные электропроводные жидкости, чаще всего щелочи, водные растворы кислот, солей, газов. При соприкосновении металла с электролитом ионы с поверхности металла переходят в электролит, определяя возникновение между ними электродвижущей силы. В отличие от обычного растворения (например, соли в воде), которое прекращается, когда раствор ста­новится насыщенным, при растворении металла в электролит пере­ходят лишь положительно заряженные ионы, в результате чего электролит, находящийся в контакте с металлом, заряжается поло­жительно, а металл — отрицательно (за счет оставшихся элек­тронов). Металлы обладают различной способностью переходить в раствор, т. е. различной упругостью растворения. Поэтому, если пластинки (электроды) разных металлов поместить в один электролит, то они будут иметь различные потенциалы, причем, чем больше ионов ме­талла перейдет в раствор, тем больше будет его отрицательный потенциал. Если соединить проводником электроды различных металлов, находящихся в электролите, то образуются гальванические пары, где анодом является электрод с более низким потенциалом, а като­дом — электрод с более высоким потенциалом. В гальванической паре переход ионов анода в раствор продолжается до полного растворения пластинки анода. Так, если пластинку цинка и пластинку железа поместить в электролит и соединить их проводником, то цинк будет растворяться до полного разрушения пластинки. Структура металлов и сплавов в большинстве случаев неодно­родна и состоит из двух фаз (например, феррита и цементита). При погружении такого сплава в электролит отдельные фазы (зерна) его будут иметь различные потенциалы, а так как эти зерна соеди­нены друг с другом через массу металла, то сплав будет представ­лять собой множество гальванических микропар. Из сказанного следует, что чистые металлы и однофазные сплавы должны иметь большую кор­розионную стойкость, чем сплавы, состоящие из смеси фаз. Опыт подтверждает это; например, сталь, закаленная на мартенсит, корро­дирует значительно меньше, чем та же сталь после отжига или отпуска (состояние перлита, сорбита, троостита). Однако и однофазные металлы имеют дефекты структуры- дислокации, субзерна, загряз­нения и примеси, обладающие различными значениями электродного потенциала; то же относится и к наклепанным участкам металла. Все это определяет электрохимическую гетерогенность металлов. Поэтому электрохимическая коррозия может наблюдаться также и у однофазных металлов. Слой электролита при коррозии может быть весьма незначитель­ным: достаточно небольшой конденсации влаги из воздуха на поверх­ности металла, как начинается процесс коррозии, поэтому электро­химическая коррозия наблюдается и в закрытых помещениях. Наличие сплошной прочной оксидной пленки предохраняет ме­талл и от электрохимической коррозии, так как изолирует его от действия электролита. Этим объясняется тот факт, что некоторые металлы (например, алюминий, хром, титан), имеющие весьма низ­кие электродные потенциалы, обладают большей коррозионной стойкостью, чем, например, железо, имеющее более высокий электродный потенциал, но не образующее при коррозии сплошной прочной оксид­ной пленки. Металлы, на поверхности которых об­разуются прочные, предохра­няющие от коррозии плен­ки, называют пассивирующимися. Химической коррозией называют процесс самопроизвольного взаи­модействия металла с окислительным компонентом коррозионной среды, не зависящий от электродного потенциала металла. Продук­том коррозии является химическое соединение металла с окисли­тельным компонентом, Химическая коррозия протекает при действии на металл сухих газов, например, продуктов сгорания топлива, воздуха или жидких органических веществ (бензина, мазута, смолы и др.). В чистом виде химическая коррозия наблюдается, например, при горячей обработке металлов (продуктом является окалина), на деталях топок и котлов, тепловых двигателей, танкеров, газо- и нефтепроводов и пр. Атмосферная коррозия совмещает особенности химической и электрохимической коррозии. Мерой коррозионной стойкости металлов является скорость коррозии в данной среде и данных условиях. Скорость коррозии выражают массой металла в граммах, превращенной в продукты коррозии за единицу времени (1 ч) и отнесенной к единице его по­верхности (1 м2). На скорость коррозии влияют состав металлов, их механическая и термическая обработка, а также среда (воз­дух, вода, растворы кислот), температура, давление и характер нагрузки. Наиболее опасной является межкристаллитная коррозия. Она распространяется по границам зерен и мало заметна при осмотре, однако изделия становятся негодными, так как нарушается металли­ческая сплошность их и резко снижается прочность. «Способы предохранения металлов от коррозии» Все конструкционные и инструментальные металлы и сплавы подвержены коррозии. Сталь и чугун составляют основную массу металлических изделий, поэтому защита их от коррозии тре­бует особого внимания. Производство коррозионно-стойких сплавов (например, высоко­легированной хромовой и хромоникелевой стали) само по себе уже является способом борьбы с коррозией. Нержавеющая сталь и чу­гун, так же как и коррозионно-стойкие сплавы цветных металлов, — весьма ценный антикоррозионный материал, однако применение таких сплавов не всегда возможно из-за их высокой стоимости или по техническим соображениям. На практике применяются следующие способы защиты металли­ческих изделий от коррозии: металлические и неметаллические по­крытия, ингибиторы коррозии, электрохимическая защита. Металлические покрытия широко применяют для защиты от коррозии изделий и деталей машин, приборов, металло­конструкций. Наряду с защитой от коррозии металлические покрытия повышают износостойкость, жаро­прочность. Различают анодные и катодные металлические покрытия. Анод­ные покрытия производят металлами, электродный потенциал кото­рых в данном электролите ниже потенциала покрываемого (основного) металла, например, покрытие железа цинком. Анодное покрытие защищает основной металл готовых изделий электрохимически. Срок службы анодных покрытий возрастает при увеличении их тол­щины. Катодные покрытия производят металлами, электродный потенциал которых в данном электролите выше потенциала основного металла. Катодные покрытия создают механическую защиту основ­ного металла. Нарушение сплошности покрытия (разъединение, механические повреждения) влечет за собой усиленную электро­химическую коррозию основного металла. Во многих случаях сплош­ность покрытия может сохраняться довольно долго; столь же про­должительной будет и защита основного металла. Примером катод­ного покрытия является никелирование сплавов железа. Металлические покрытия наносят гальваническим, термодиффу­зионным, горячим способами, а также напылением, плакированием, припеканием. Галъванические покрытия получают при электрокристаллиза­ции — осаждении на изделии — катоде положительно заряженных ионов металлов из электролитов при пропускании через них по­стоянного тока. В качестве анодов применяют металлы покрытия (хром, никель, медь, цинк, олово, серебро, золото), которые в ходе процесса растворяются в электролите и пополняют его катионами, разряжающимися на катоде. При гальванических покрытиях обеспе­чивается нанесение покрытия из любого металла на заготовки также из любого металла. Наряду с гальваническими существуют химические покры­тия, осаждаемые на поверхность заготовки без внешней поля­ризации, когда в разогретый электролит загружают холодные за­готовки. Термодиффузионный способ состоит в поглощении защитного металла поверхностным слоем заготовок и осуществляется при вы­соких температурах. Этим способом производят алитирование (защитный металл — алюминий), хромирование, силицирование (за­щитный элемент — кремний). Горячий способ применяют для нанесения тонкого слоя легко­плавких металлов: олова (лужение), цинка (цинкование) или свинца (свинцевание). Очищенную заготовку при этом погружают в рас­плавленный защитный металл, который смачивает ее. Лужение применяют в основном в производстве белой жести и для медной посуды; цинкование — для проволоки, кровельного же­леза, труб; свинцевание — для химической аппаратуры и труб. Напыление плазменной струей получает все большее распростра­нение. Напыляемый материал расплавляется в потоке газоразрядной плазмы аргона, азота, аммиака или водорода. Материалом покрытия могут являться металлы (Zn, Al, Си, Ti, W, Сг, Мо и др.), оксиды (А1203, С1а03, Si02 и др.), кар­биды (В4С, TiC, NbC и др.), бориды, силициды, нитриды металлов, которые применяют в виде проволоки и прутков (диаметром 0,5—3 мм) или порошков сферической формы (диаметром 20— 100 мкм). Напыление используют для изделий из стали, сплавов алюминия, меди, титана и других металлов. Преимуществами плазменного способа являются универсальность, формование покрытий высокой плотности при хорошей сцепляемости с основным металлом, легкость управления процессом. Плакирование (термомеханическое покрытие) заключается в сов­местной горячей прокатке или волочении основного и защитного металлов. Сцепление между металлами осуществляется в результате диффузии под влиянием совместной деформации горячей заготовки. Защищаемый металл (сталь, сплавы титана) покрывают с одной или с обеих сторон медью, томпаком, коррозионно-стойкой сталью, алюминием. Припекание (металлирование) — это новый способ нанесения покрытий, образующихся из порошков металлов (железных, медных, титановых, никелевых, хромовых), а также нитридов, боридов, силицидов металлов и пластмасс. Операция припекания состоит в на­несении на подготовленную поверхность заготовки порошкового слоя и нагрева, в процессе которого порошок спекается, образуя сплошной защитный слой, и одновременно припекается к поверхности основного металла. Помимо защиты от коррозии, припекание (металлирование) используют для восстановления изношенных поверхностных слоев деталей. Неметаллические покрытия относятся по­крытия лаками, красками, смазкой, эмалями, а также резиной и эбонитом. Лакокрасочные покрытия имеют самое широкое распространение для защиты металлоконструкций, машин и механизмов в различных агрессивных средах. Входящие в состав лакокрасочных покрытий пленкообразователи обеспечивают получение сплошной, эластичной и беспористой пленки, изолирующей металл от коррозионной среды. Технологический процесс лакокрасочного покрытия включает в себя подготовку поверхности, приготовление лакокрасочных мате­риалов, нанесение покрытий и сушку. Лакокрасочные материалы наносят кистью, валиками, распылением, окунанием, струйным обливом. Срок службы противокоррозионных лакокрасочных покрытий от 1 до 5 лет. К недостаткам этих покрытий относится снижение эффектив­ности защиты со временем в результате порообразования и проник­новения агрессивной среды, а также обгорание при высоких тем­пературах. В качестве смазок применяют минеральные масла и жиры. За­щита смазкой производится при хранении и перевозке металличе­ских изделий. Смазку периодически обновляют. Покрытие резиной и эбонитом называют гуммированием; его при­меняют для защиты химической аппаратуры (сосуды, трубопроводы, травильные и гальванические ванны, краны, цистерны) от корро­зионного действия кислот, щелочей, растворов солей. Для гумми­рования поверхности заготовок обезжиривают, покрывают резиновым клеем и листами сырой резины или эбонита, затем производят вулка­низацию и отделку. Ингибиторами коррозии являются неко­торые органические и неорганические соединения, которые вводят в небольших количествах в агрессивную среду, чем обеспечивается предотвращение или уменьшение скорости коррозии вследствие изме­нения механизма и кинетики электродных процессов. Ингибиторы используют для защиты металлоконструкций буровых скважин, трубопроводов, теплообменных аппаратов, химического оборудо­вания. Химическая защита состоит в искусственном создании на поверхности изделий защитных неметаллических пленок (чаще всего оксидных) за счет окисления поверхностного слоя металла. Наведение оксидных пленок называют оксидированием, а на железе и стали — воронением в связи с сине-черным цветом покрытия. Для воронения сталей наиболее распро­странен способ погружения заготовок в растворы азотно-кислых солей при температуре 140 °С. Оксидирование применяют для алю­миния, магния и их сплавов. Этим способом осуществляют защиту изделий от воздуха и осадков. Для изделий, подверженных действию более агрессивных сред, этот способ неприемлем. Кроме оксидных пленок, на стальных изделиях наводят пленки фосфорно-кислых солей железа и марганца (фосфатирование); эти пленки в сравнении с оксидными являются более прочными. Электрохимическая защита разделяется на протекторную и ка­тодную. Протекторную защиту применяют для изделий, соприкасающихся с электролитами. Вблизи поверхности, подлежащей защите, уста­навливают протекторы из металла, имеющего в данном электролите меньший электродный потенциал, чем потенциал основного металла. При этом образуется гальваническая пара протектор — основной металл, в которой протектор будет анодом, а основной металл — катодом. В таких условиях протектор будет постепенно разрушаться, защищая тем самым основной металл. После полного разрушения протектор заменяют. Так, например, с помощью цинкового протектора защищают от коррозии подводные части судна (винты и киль). Катодную защиту применяют для подземных металлических соору­жений (трубопроводов, кабелей и т. д.), которые присоединяются к отрицательному полюсу источника постоянного тока; положи­тельный полюс заземлен. Тема 1.4 Цветные металлы и их сплавы «Сплавы на медной основе» В технике используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, никелем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и антифрикционных свойств. Сплавы меди с цинком называют латунями и томпаками, все другие ее сплавы, за исключением сплавов с никелем, называют бронзами. Латуни по сравнению с медью прочнее и тверже, устойчивее к коррозии и обладают жидкотекучестью. Существуют также сложные (специальные) латуни, содержащие железо, марганец, никель, олово, кремний. Массовое содержание легирующих компонентов в специальных латунях не превышает 7—9 %. Таблица 1 Марки латуней По ГОСТу латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей массовое содержание меди в сплаве в процентах. Латуни, содержа­щие до 10 % цинка, называют томпаком, свыше 10 до 20 % —полу­томпаком. Обозначение легирующих элементов следующее: Ж — Железо, Мц—марганец, Н—никель, О—олово, К—кремний, С — свинец; массовое содержание легирующего элемента указывается цифрами. Например, марка ЛМцЖ55-3-1 обозначает марганцево-железную латунь, содержащую около 55 % Cu, 3 % Mn и 1 % Fe (остальное—цинк). Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность, но уменьшают пластичность сплавов. Свинец улучшает антифрик­ционные свойства и обрабатываемость резанием. Латуни, как и все сплавы цветных металлов, делят на литейные (для фасонного литья) и деформируемые (обрабатываемые прокаткой, прессованием, волочением). Наклепанные (нагартованные) латуни в присутствии влаги (а также кислорода, аммиака) растрескиваются; для предотвращения этого их отжигают при 250—300 °С. В табл. 1 приведены некоторые марки латуней. Важнейшими бронзами являются оловянные, алюминиевые, кремнистые, никелевые. Оловянные бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и повышенными антифрикционными свойствами. Из них изготовляют главным образом отливки. Простые оловянные бронзы применяют редко; в стандартных литейных бронзах массовое содержание олова не превышает 6 %, деформируемые бронзы содержат до 8 % Sn. По ГОСТу оловянные бронзы маркируются буквами БрО и циф­рой, показывающей массовое содержание олова; последующие буквы и цифры показывают наличие и массовое содержание в бронзе дополнительных элементов, для обозначения которых применяют те же буквы, что и при маркировке специальных латуней. Кроме того, цинк обозначают буквой Ц, а фосфор —Ф. Например, маркировка БрОЦС6-6-3 обозначает оловянно-цинково-свинцовую бронзу, со­держащую около 6 % Sn, 6 %'Zn и 2 % Pb (остальное — медь). Цинк повышает жидкотекучесть бронз, плотность отливок, их прочность, улучшает свариваемость. Свинец улучшает антифрик­ционные свойства, обрабатываемость резанием, никель способствует повышению коррозионной стойкости и прочности. Среди сплавов на медной основе оловянные бронзы имеют самую низкую литейную усадку (около 1 %) и лучшую жидкотекучесть. Деформируемые бронзы имеют хорошую пластичность; они выпу­скаются в виде полос, лент, прутков, проволоки, трубок. В табл. 2 приведены некоторые марки бронз, область их применения. Таблица 2.Марки бронзы Наименование Марка Область применения Оловянно-цинковая бронза (обрабатываемая давлением) Оловянно-цинково-свинцовая бронза (литейная) Оловянно-цинково-свинцово-никелевая бронза (литейная) Алюминиевая бронза (обра­батываемая давлением) Алюминиево-железо-свинцовая бронза (литейная) Кремниемарганцевая бронза (обрабатываемая давлением) БрОЦ4-3 БрОЦС5-7-5 БрОЦСНЗ-7-5-1 БрА7 БрАЖС7-1,5-1,5 БрКМцЗ-1 Ленты, полосы , прутки, проволока для пружин Вкладыши подшипников Арматура, устойчивая к морской воде, а также работающая под давлением до 2500 кПа Ленты, полосы Отливки с высокими тре­бованиями по шерохова­тости поверхности после обработки резанием Проволока, прутки, лен­ты В алюминиевых бронзах содержится до 11 % А1. По структуре эта бронза в основном (до 9,7 % А1) однофазная и представляет собой твердый раствор алюминия в меди. Она устойчива к коррозии, износу, более пластична, чем оловянная бронза; недостатком является большая литейная усадка (2,3 %) и пониженная жидко­текучесть. Добавка к алюминиевой бронзе железа, марганца еще больше повышает ее механические свойства. Кремнистая бронза содержит 2—3 % Si и относится к однофаз­ным сплавам — твердым растворам, является литейной, имеет вы­сокую прочность и успешно заменяет во многих случаях оловянную бронзу; ее свойства улучшают добавками марганца, никеля и др. Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М, а по легиру­ющим элементам как бронзы. Константан МНМц40-1,5 имеет боль­шое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах. Мельхиор МНЖМпЗО-1 -1 имеет высокую коррозионную стойкость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих в морской воде. Монель-металл НМЖМц29-2,5-1,5 — сплав на основе никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных сре­дах, широко применяется в судостроении, электротехнике и других отраслях промышленности. «Легкие сплавы» К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния и титана. Из сплавов на основе алюминия получили распространение сплавы с медью, марганцем, крем­нием. Для повышения прочности, коррозионной стойкости, жаро­прочности алюминиевых сплавов используют литий, никель, ти­тан, бериллий. Алюминиевые литейные сплавы содержат чаще всего кремний, медь и магний. Сплавы алюминия с кремнием, называют силуминами. Силумины жидкотекучи, имеют малую усадку, их состав близок к эвтектическому (марки АЛ2, АЛ9, АЛ4, см. табл. 3). Сплавы алюминия с магнием для литья содержат 4,5—11 % Mg. Упрочнение отливок из алюминиевых сплавов производят за­калкой и старением; внутренние напряжения в отливках из этих сплавов снимают отжигом. Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, подразде­ляются на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Сплавы с марганцем и магнием относятся к неупрочняемым. К упрочняемым сплавам относится дюралюмин (Д1, Д16). Основными компонентами, упрочняющими дюралюмин после термической обработки, являются медь, магний и марганец. При нагреве до температуры 500—520 °С дюралюмин из двухфазного превращается в однофазный по мере растворения в а-фазе (сложном твердом растворе магния и меди в алюминии) алюминида СuА12. При последующей закалке образуется пересыщенный твердый рас­твор а. С течением времени в таком растворе даже при комнатной температуре происходит концентрация атомов меди внутри кристал­лической решетки в определенных зонах раствора — «дисках» диа­метром около 5 нм. Такие «диски» с повышенным массовым содержа­нием меди располагаются более или менее равномерно в пределах каждого кристалла; в результате твердый раствор становится неодно­родным. Это явление называют естественным старением. Оно сопро­вождается повышением твердости и прочности дюралюмина при некотором понижении его пластичности. Старение можно ускорить путем подогрева сплава — искусственное старение. Наибольшую прочность сплава имеют в состоянии неоднородного твердого рас­твора, поэтому после закалки их подвергают выдержке при комнат­ной температуре в течение 5—7 сут или при температуре 150 °С (искусственное старение) в течение нескольких часов. При искусствен­ном старении важно ограничить его до начала образования СuА12, так как выделение этой фазы сопровождается понижением проч­ности. Дюралюмин обра­батывают давлением в горячем (440—480 °С) и в холодном состоя­ниях. Обработку в холодном состоянии рекомендуется делать до старения. Дюралюмин широко применяют в промышленности, осо­бенно, в авиационной и ракетной. Спеченные алюминиевые порошки (САП) получают методами порошковой металлургии . САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение ее дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, умень­шается пластичность и повышается прочность сплавов. В различных марках САП А1203 содержится от 6 до 22 %, что определяет предел прочности от 300 до 460 МПа и относительное удлинение от 8 до 1,5 %. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при темпе­ратурах до 500 °С, когда требуется также высокая прочность и кор­розионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, ре­занием и удовлетворительно сваривается. Сплавы на основе магния. Из сплавов на основе магния получили распространение его сплавы с марганцем, алюминием и цинком. Для повышения механических свойств магниевых сплавов добавляют цирконий, церий, неодим, торий и др. Магниевые сплавы упрочняют закалкой и дисперсным твердением. Для магниевых сплавов характерна низкая сопротивляемость коррозии, поэтому готовые изделия защищают от коррозии оксиди­рованием и последующим покрытием специальными лаками, красками, эпоксидными пленками. Главным преимуществом их является высокая удельная прочность. Сплавы магния применяют для изготовления различных де­талей самолетов, вагонов, автомобилей, решающее значение при этом имеет малая плотность сплавов (1,75—1,8 г/см3). Титановые сплавы. Титан стоек в агрессивных средах (серной и соляной кислотах, их солях), поэтому он используется в химическом машиностроении, электронике, ядерной и других областях техники. В авиа- и ракето­строении чистый титан не применяется из-за его невысокой жаро­прочности. Для легирования титановых сплавов используют алюминий, олово, которые повышают температуру полиморфного превращения титана и называются α-стабилизаторами, а также марганец, хром, ванадий, железо, которые понижают температуру полиморфного превращения и являются β-стабилизаторами. Сплавы с α-структурой термической обработкой не упрочняются; они обладают жаропрочностью и прочностью при низких темпе­ратурах. В промышленности применяют в основном двухфазные а + β-сплавы, упрочняемые при закалке и старении. Помимо высокой прочности и малой плотности (4,5—5, 2 г/см3), титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах; они получили широкое применение при из­готовлении деталей реактивных авиационных двигателей, обшивки сверхзвуковых самолетов, их используют в судостроении, криоген­ной технике. «Антифрикционные сплавы» Наряду с подшипниками качения в машинах широко используются подшипники скольжения. Поскольку вкладыши под­шипников скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют из сплавов достаточно пластичных, чтобы было легко прирабатываться к поверхности вращающегося вала, и до­статочно прочных, чтобы служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются подшипниковыми или антифрикцион­ными. Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой равномерно рассеяны более твердые частицы. При вращении в под­шипнике вал опирается на эти твердые частицы, а мягкая основа сплава по поверхности соприкосновения с валом изнашивается, в результате чего образуется сеть микроканалов, по которым пере­мещается смазка. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца (баббиты) и алюминия; сплавы на основе меди, чугуны серые, моди­фицированные и ковкие; металлокерамические пористые материалы; пластмассы. Баббиты. В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы в меди и олове, а твер­дыми частицами—соединения SnSb и Cu3Sn. Баббиты Б83 применяют для заливки подшипников особо нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из свинца (например, баббитом марки Б16). В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu3Sn, рассеянные в мягкой основе — растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для под­шипников средней нагруженности (например, в тракторных и авто­мобильных двигателях). Другие подшипниковые сплавы. Сплавы алюминия по сравнению с баббитами отличаются меньшей плотностью, большей прочностью и меньшей стоимостью. Недостатком их является значительная разница в коэффи­циенте расширения алюминиевых сплавов и стали. Различные марки этих сплавов содержат олово (от 3,5 до 23 %), медь (0,7—8,5 %), кремний (0,3—1,2 %), никель (0,3—3,3%). Эти сплавы идут для изгото­вления литых подшипников и прокатных полос с последующей штамповкой из них. В качестве антифрикционных сплавов применяют бронзы БрОЦС5-5-5, БрОЦС4-4-17, БрСЗО и цинковые сплавы, а в качестве дешевых заменителей металлических материалов для подшипников используют пластифицированную древесину, текстолит и резину. Большое распространение получили спеченные анти­фрикционные материалы. Антифрикционные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, свинец, сурьма), кроме того, они не могут работать в условиях сухого трения, при большой скорости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С. Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, втулок, уплотнителей все более широкое применение находят спеченные антифрикционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы характеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относительная пористость этих материалов (18—25 %) обеспечивает необходимую масловпитываемость; для про­питки маслом изделия обрабатывают в масляной ванне при темпе­ратуре 100—120 °С. Спеченными антифрикционными материалами являются железо-графит, железо-графит-медь, железо-медь, бронзографит. Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок и тормозных дисках машин, для тормозных лент и колодок в само­летах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти материалы выдерживают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550 °С. «Порошковая металлургия» Технология порошковой металлургии позволяет получать изделия из одного металла, например, железа (такие изделия назы­вают однокомпонентными), а также из смеси порошков металлов или металлов с неметаллами (многокомпонентные изделия), причем в самых различных сочетаниях. По этой технологии можно получить сплавы из металлов, которые не образуют растворов, не смешиваются в жидком состоянии (железо—свинец, вольфрам—медь и др.), а также из металлов с неметаллами (медь-графит, алюминий—оксид алюминия, карбид вольфрама—кобальт и др.), из некоторых оксидов металлов (Fe203 и MnO, Fe203 и №0), Схема получения изделий из порошков включает следующие основные процессы: получение порошков и подготовка порошковой шихты, получение из порошка консолидированного тела — формова­ние с применением давления и спекание отформованных изделий. Применение различных значений удельной нагрузки при формова­нии определяет получение компактных прессовок различной плот­ности либо пористых изделий. Такая схема определяет практически безотходную технологию производства и возможность получения изделий с самыми разнооб­разными свойствами. Эти изделия могут быть весьма мягкими и чрезвычайно твердыми, фрикционными и антифрикционными, ма­гнитомягкими и магнитотвердыми, с высокой электрической про­водимостью и высоким электрическим сопротивлением, жаростой­кими и хладостойкими. Для многих изделий порошковая металлургия является един­ственным способом их получения, например, порошковая металлур­гия незаменима при производстве компактных изделий из вольфрама, молибдена, ниобия, деталей для устройств вычислительной техники и радиоэлектроники (ферриты), для изготовления металлокерамических твердых сплавов, производстве металлических фильтров и многого другого. (Порошковую металлургию называют также метал­локерамикой, что объясняется схожестью одной из основных опера­ций — спекания в порошковой металлургии и обжиге при произ­водстве керамики.) Внедрение порошковой металлургии дает большой экономический эффект. Отходы металла при традиционных способах обработки (на угар, в прибыли и литниковую систему, в обрезки, окалину, стружку) составляют в среднем более 50 %, а нередко достигают 80 %; при порошковой металлургии отходы практически отсут­ствуют. Экономия достигается также за счет замены дорогостоящих цветных металлов и легированных сталей, снижения трудоемкости изготовления изделий, а также расхода энергии, транспортных и дру­гих расходов и т. д. Все это определило широкое внедрение порошкой металлургии во все отрасли машино- и приборостроения. Изготовление металлических порошков осуществляется главным образом на металлургических заводах и комбинатах, а по­лучение изделий из порошков — на специализированных заводах или в цехах машиностроительных заводов. Частицы порошков для различных изделий имеют размеры от 0,01 до 1000 мкм, форма частиц зависит от способа производства порошков и может быть тарельчатой, сферической, каплеобразной, губчатой, пористой, дендритной. Порошок можно получить химико-металлургическими и физико-механическими спо­собами. Химика-металлургические способы связаны с восстановлением металлов из оксидов и других соединений, например, при получении порошков железа, меди, вольфрама (форма частиц порошков губча­тая, пористая) электролитическим осаждением из растворов солей металлов (порошки меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, олова, серебра, хрома; форма частиц сферическая), металлотермическим восстановлением (при производстве порошков титана, ниобия, цир­кония, тантала; форма частиц тарельчатая). Физико-механическими способами металлы измельчают в твердом или жидком состоянии. Распылением жидких расплавов получают порошки алюминия, цинка, меди, легированных сталей, чугунов. Металл расплавляют, как правило, в электропечах. Для распыления используют воздух, азот, аргон; форма частиц при распылении сферическая или каплеобразная. Размол хрупких материалов (фер­росплавов, чугунов, минералов) производят на шаровых или молот­ковых мельницах. Более вязкие металлы (железо, нержавеющую сталь, хром, никель, их сплавы) подвергают размолу на вихревых мельницах, билы которых вращаются со скоростью до 3000 об/мин; получаемая форма частиц тарельчатая. Никакой из способов получения порошков не дает частиц одина­ковых размеров, поэтому полученные порошки классифицируют (сортируют) по фракциям ситовым методом для грубодисперсных порошков (от 40 до 1000 мкм); для более тонких фракций (от 0,01 до 80 мкм) седиментационным методом (с использованием зависимости скорости осаждения частиц в жидкости от их размера). Форма частиц определяет их удельную поверхность и существенно влияет на технологические свойства порошка — насыпную плот­ность, текучесть (скорость высыпания из воронки). Для очистки порошков от примесей применяют магнитную сепа­рацию, промывку или химическую обработку их. Для снятия на­клепа, повышения пластичности, а также восстановления окислен­ных металлических порошков их отжигают в восстановительной среде, под вакуумом при температуре примерно в два раза меньшей, чем температура плавления этих металлов. В отличие от упругой среды, которую представляют, например, компактные поликристаллические литые или обработанные давле­нием металлы, мало и упруго изменяющие объем при повышении давления, порошки оценивают как дискретную среду, объемный вес которой изменяется с изменением давления. Дискретность и сжимаемость являются важнейшими свойствами порошков, на основе которых разрабатывается теория обработки порошков дав­лением. Раздел 2 Проводниковые материалы Тема 2.1 Электротехнические характеристики проводниковых материалов «Проводниковые материалы высокой проводимости» Металлические проводниковые материалы имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из множе­ства мелких кристалликов. Большинство металличе­ских проводников (серебро, медь, алюминий и др.) об­ладают большой проводимостью, т. е. малым удельным электрическим сопротивлением р = 0,0150÷0,0283 мкОм-м (1 мкОм·м=1 Ом-мм2/м). Это пре­имущественно чистые металлы, применяемые для из­готовления проводов и кабелей. Наряду с проводника­ми большой проводимости требуются также проводниковые материалы, обладающие большим удельным сопротивлением р = 0,4÷2,0 мкОм·м, необходимые для изготовления образцовых резисторов, нагревательных приборов и др. Все металлические проводниковые материалы обладают электронной электропроводностью, т. е. ток проводимости в них представляет собой направленное перемещение свободных электронов. С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясня­ется тем, что с ростом температуры тепловые колеба­ния атомов проводника становятся более интенсив­ными. Электроны, перемещаясь, все чаще сталкива­ются с атомами, встречая сопротивление. В силу этого температурный коэффициент удельного сопротивления всех проводников больше нуля. Важнейшие проводниковые материалы большой проводимости — медь, бронза, алюминий. Проводниковая медь — это очищенный от различ­ных примесей металл красновато-оранжевого цвета, имеющий температуру плавления 1083 °С и температур­ный коэффициент линейного расширения 1,64÷10-5 1/°С. Медь обладает хорошими механическими свой­ствами и пластичностью, что позволяет получить из нее проволоку диаметром до 0,01—0,02 мм, а также тонкие ленты. Проводниковая медь очень устойчива к атмосферной коррозии, чему способствует тонкий слой оксида (СuО), которым она покрывается на воз­духе. Защитный слой оксида препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь. Отечественная промышленность выпускает провод­никовую медь различной степени чистоты шести ма­рок. Примесями в меди являются висмут, сурьма, же­лезо, свинец, олово, цинк, никель, фосфор, сера, мышь­як и кислород. В наиболее чистом сорте проводниковой меди (марка М006) сумма всех примесей не превышает 0,01 %. Для изготовления проводниковых изделий (об­моточные и монтажные провода, кабели) применяют сорта проводниковой меди с содержанием примесей не более 0,05—0,1%. Медную проволоку изготовляют круглого и прямоугольного сечений. Круглую про­волоку выпускают диаметром от 0,02 до 10 мм. Меньшая сторона a проволоки (шин) прямоугольного сече­ния находится в пределах от 0,8 до 4 мм, а большая b — от 2 до 30 мм. Медную проволоку изготовляют из мягкой, т. е. отожженной при оптимальной темпе­ратуре (марка ММ) и твердой неотожженной (марка МТ) меди. Основные характеристики изделий из мягкой меди следующие: плотность 8900 кг/м3; предел прочности при растяжении σР = 200÷239 МПа; относительное удлинение ер = 6÷35 %; ρ= 0,0172÷0,01724 мкОм·м, а из твердой — плотность 8960 кг/м3; σр = 355÷408 МПа; ер = 0,5÷2 %; ρ= 0,0177÷0,0180 мкОм·м. Проволока меньшего диаметра обладает большим разрушающим напряжением при растяжении и боль­шим удельным электрическим сопротивлением. Про­вода очень малого диаметра (0,01 мм) и предназна­ченные для работы при повышенных температурах (выше 200 °С) изготовляют из проволоки из бескисло­родной меди, отличающейся наивысшей чистотой. Все марки меди имеют температурный коэффициент удель­ного сопротивления ТКρ= 0,0043 1/°С. Бронзы — сплавы на основе меди, отличающиеся малой объемной усадкой (0,6—0,8 %) при литье (объ­емная усадка стали и чугуна 1,5—2,5 %). Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием (алю­миниевые), бериллием (бериллиевые) и другими леги­рующими элементами. Марки бронз обозначают бук­вами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и циф­ры, указывающие, какие легирующие элементы, и в ка­ком количестве содержатся в данной бронзе. Бронзы легко обрабатываются резанием, давле­нием и хорошо паяются. Ленты и проволоки из них служат для изготовления пружинящих контактов, токопроводящих пружин и других токопроводящих и кон­струкционных деталей. Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах. В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Из проводниковых бронз изготовляют провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов. Алюминий благодаря его сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии является вторым после меди проводниковым материа­лом. Алюминий относится к группе легких металлов, поскольку его плотность равна 2700 кг/м3, т. е он в 3,3 раза легче меди. Алюминий — металл серебристо-белого цвета, имеет температуру плавления 658 °С, малую твердость и сравнительно небольшую механиче­скую прочность при растяжении σр = 90÷147 МПа. Кроме того, обладает более высоким, чем медь, увели­ченным коэффициентом температурного расширения (24·10 -6 °С), что является его недостатком. На воздухе алюминий очень быстро покрывается тонкой пленкой оксида (А12Оз), который надежно за­щищает его от проникновения кислорода воздуха. Так как эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, то в плохо зачищенных местах соеди­нений алюминиевых проводов могут быть большие переходные сопротивления. При увлажнении мест соединений алюминиевых проводов с проводами из других металлов могут обра­зовываться гальванические пары. При этом алюминие­вые провода разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать образования гальванических пар, места соединений тщательно зачищают от влаги (например, лакированием). Чем выше химическая чистота алюминия, тем лучше он сопротивляется коррозии. Отечественной промышленностью выпускается про­водниковый алюминий различной степени чистоты 13 марок. В марках алюминия высокой чистоты при­месей (железо, кремний, цинк, титан и медь) содер­жится не более 0,005 %. Из такого алюминия изготов­ляют электроды электролитических конденсаторов, а также алюминиевую фольгу. Проволоку для прово­дов изготовляют из алюминия, содержащего не более 0,3 и 0,5 % (марки А7Е и А5Е). Выпускаются мягкая (AM), полутвердая (АПТ) и твердая (AT) алюми­ниевая проволока диаметром от 0,08 до 10 мм и шины прямоугольного сечения. Изделия из мягкого алюминия имеют следующие основные характеристики: σр = 70÷100 МПа; ер = = 10÷25 %; ρ = 0,028 мкОм·м; из полутвердого алюминия — σр — 90÷140 МПа; ер≈3%; ρ —0,0283 мкОм·м, а из твердого — σр = 100 ÷180 МПа; ер==0,5÷2%; ρ = 0,0283 мкОм ·м. Температурный коэффициент удель­ного сопротивления всех марок алюминия принимают равным 0,00423 1/°С. Алюминиевые провода и токопроводящие детали можно соединять друг с другом горячей или холодной сваркой, а также пайкой, но с применением специаль­ных припоев и флюсов. Холодную сварку производят в специальных устройствах, в которых зачищенные поверхности алюминиевых деталей соприкасаются друг с другом при давлении примерно 1000 МПа. При этом происходит диффузия кристаллов одной из соединяе­мых деталей в другую, в результате чего они надежно соединяются. Листовой алюминий широко применяют для экранов. Длительно допустимая температура проводникового алюминия при использовании его на воздухе не должна превышать 300 °С. Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся на воздухе при комнатной темпера­туре. Интенсивное окисление серебра начинается при температуре выше 200 °С. Как и все благородные метал­лы, серебро отличается высокой пластичностью, позво­ляющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Кроме того, серебро обладает наивысшей проводимостью. Основные характеристики проводникового серебра следующие: плотность 10 500 кг/м3, температура плавления 960,5 °С, КТР= 19,3 -10 - 6 1/°С, т. е. немного больше, чем у меди; изделий из мягкого серебра — σр= 150÷180 МПа, ep = 45÷50 %, ρ = 0,015 мкОм-м, а из твердого серебра — σр = 203 МПа, ер = 46 %, р = 0,0160 мкОм-м, ТКρ= 0,00369 1/°С. По сравнению с медью и алюминием серебро приме­няют ограниченно в сплавах с медью, никелем или кадмием — для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, а также в припоях ПСр 10, ПСр 25 и др. Вольфрам относится к группе тугоплавких металлов и широко применяется в электротехническом производстве в качестве износостойкого материала для электрических контактов и деталей в электровакуум­ных приборах (нити ламп накаливания, электроды и др.). Вольфрам — металл серого цвета, обладающий очень высокой температурой плавления и большой твердостью, получают методом порошковой металлур­гии. Для этого из частиц вольфрама (порошка) прес­сованием в стальных пресс-формах получают заготов­ки — стержни, которые подвергают спеканию при 1300 °С. Спеченные вольфрамовые стержни имеют еще зерни­стое строение и хрупки, поэтому их нагревают до 3000 °С. Для получения механически прочного металла стержни подвергают многократной ковке и волочению с перемежающимися периодами отжига. В результате такой обработки вольфрам приобретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую механическую прочность и пластичность. Из вольфрама изготовляют проволоку диаметром до 0,01 мм. Окисление вольфрама на воздухе начи­нается при температуре от 400 °С и выше. В вакууме вольфрамовые детали могут работать при температуре до 2000 °С. Основные характеристики вольфрама следующие: плотность 19 300 кг/м3, температура плавления 3380 °С; изделий из отожженного вольфрама — σр = 380÷500 МПа, ρ = 0,055 мкОм-м, а изделий из твердого вольфрама — σр≈1800 МПа; ρ = 0,0612 мкОм-м. Тем­пературный коэффициент сопротивления ТКρ = = 0,0046 1/°С. Ста л е а л ю м и н и е в ы й провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводи­мость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого, провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженно­сти электрического поля на поверхно­сти провода. Железо (сталь) как наиболее деше­вый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочно­стью, представляет большой интерес для использования в качестве проводнико­вого материала. Однако даже чистое же­лезо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,1 мкОм-м). При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме то­го, при переменном токе в стальных про­водниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводнико­вого материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15%, обладающая пределом прочности при растя­жении σp = 700÷750 МПа, относительным удлинением при раз­рыве ∆l/l= 5-f-8% и удельной проводимостью γ, в 6—7 раз меньшей по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механиче­ской прочностью. Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, осо­бенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает,поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерыв­ность слоя цинка проверяет­ся опусканием образца про­вода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки отклады­вается медь в виде красных пятен, заметных на общем се­роватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного соп­ротивления . Поэтому тонкую железную проволоку, поме­щенную для защиты от окис­ления в баллон, заполненный водородом или иным химиче­ски неактивным газом, мож­но применять в бареттерах, т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку для целей поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения. Биметалл. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл (не смешивать с термическим биметаллом). Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болван­кой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холод­ном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе. Биметалл имеет механические и электрические свойства проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ною проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой —-медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминевых проводах). Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм с содержанием меди не менее 50% полной массы проволоки. Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из про­водникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов. «Материалы высокого сопротивления» Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000° С и даже выше). Кроме того, во многих случаях требуется технологичность сплавов — возможность изготовления из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавы, используемые для приборов, производимых в больших количествах — реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников и т. п. — были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов. Манганин - это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов и т. п. сплав. Примерный состав его: Си — 85%, Mn — 12%,, Ni — 3%; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum); желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение ρ манганина 0,42—0,48 мкОм·м. Манганин может вытягиваться в тонкую (до диаметра 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Константан — сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля. Название «константан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры. По механическим свойствам константан близок к манганину, его плотность8,9 Мг/м3. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450° С. Существенным отличием константана от манганина является высокая термо-э. д. с. константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-э. д. с. в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений. Зато константан с успехом может быть использован при изготовлении термопар, служащих для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов. Широкому применению константана препятствует большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля. Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации К и потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось выше, имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав. Сплавы системы Fe—Ni—Сг называются нихромами или (c повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe—Сr—Аl называются фехралями и хромалями. Происхождение названий этих сплавов не требует разъяснения. В обозначении буквы обозначают наиболее характерные элементы, входящие в состав сплава, причем буква входит в название элемента, но не обязательно является первой буквой этого названия (например, Б означает ниобий, В— вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, Л — бериллий, Н— никель, Т—титан, X — хром, Ю— алюминий и т. п.), а число — приблизительное содержание данного компонента в сплаве (в процентах по массе). Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем в случае непрерывной работы элемента при той же температуре. Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают. Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. «Жидкие и благородные металлы» Золото — металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве 40%). В электротехнике золото используется как контактный материал для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов фотоэлементов и для других целей. Серебро — белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет удельное сопротивление (при нормальной температуре), меньшее, чем какой бы то ни было другой металл. Серебряную проволоку используют для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или испарения в вакууме. Недостатком серебра является его склонность к миграции внутрь диэлектрика, на который нанесено серебро, в условиях высокой влажности, а также при высоких температурах окружающей среды. Химическая стойкость серебра по сравнению с другими благородными металлами пониженная. Платина — металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, но дороги и применяются только для ответственных целей. Никель — серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99% Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.). Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафинированию. Никель выпускается различных марок (в зависимости от чистоты) в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую прочность после отжига. Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению, и т. п. Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Помимо применения в электровакуумной технике, никель используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытий изделий из железа и т. п. Свинец — металл сероватого цвета, дающий на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеющий вследствие поверхностного окисления. Он имеет крупнокристаллическое строение; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом. Свинец — мягкий, пластичный, малопрочный металл. Преимуществом свинца является его высокая коррозионная стойкость; он устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и ряда других реагентов; однако азотная и уксусная кислоты, гниющие органические вещества, известь и некоторые другие соединения разрушают свинец. Свинец в больших количествах применяют в качестве оболочек, защищающих изоляцию кабелей от проникновения в нее влаги. Кроме того, свинец используют для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Свинец широко употребляют как материал, сильно поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200— 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту при толщине слоя соответственно 4—9 мм. Слой свинца толщиной 1 мм по защитному действию в этих условиях эквивалентен слою стали 11,5 мм или слою обычного кирпича толщиной 110 мм. Свинец поставляют в чушках, т.е. продолговатых слитках массой до 50 кг. Сплавы свинца с малыми количествами сурьмы, теллура, кадмия, меди; кальция и олова имеют мелкозернистое строение, повышенную механическую прочность и стойкость к вибрациям; однако коррозионная стойкость этих сплавов несколько ниже, чем у чистого свинца. Они находят применение в кабельной технике. В ряде случаев свинец для кабельных оболочек заменяется очень чистым алюминием (имеющим высокую пластичность, что важно для опрессовки кабелей при сравнительно невысоком давлении). Весьма широко используются для ряда конструкций кабелей пластмассовые оболочки, значительно более дешевые и легкие, чем свинцовые. Свинец и его соединения ядовиты. Ртуть — единственный металл, находящийся в жидком состоянии при нормальной температуре. Ее добывают из киновари HgS путем термического разложения при температуре около 500° С и затем подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре около 200° С Ртуть легко испаряется и имеет значительное давление паров при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах. Ртуть окисляется на воздухе лишь при температурах, близких к температуре ее кипения. Щелочные, щелочно-земельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина,золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель. Поэтому приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы нерастворимы в ртути. Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также используют для ртутных контактов в реле и т. п. Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути. «Электроугольные изделия» К электроугольным изделиям относят щетки для электрических машин, контактные детали, электроосветительные угли и др. Электроугольные изделия изготовляют методами порошковой технологии из смеси углеродистых материалов: графита, кокса, сажи, антрацита. В исходный состав некоторых электроугольных изделий вводят также металлические порошки (медный, свинцовый, оловянный и др.). Кроме того, в производстве электроугольных изделий применяют связующие вещества — каменноугольные, бакелитовые, кремнийорганические и другие смолы. Углеродистые материалы, за исключением графита и сажи, предварительно прокаливают при 1200—1300 °С для удаления летучих веществ и уменьшения объемной усадки получаемых электроугольных изделий. Затем углеродистые материалы измельчают в дробилках до порошкообразного состояния. Взятые в определенном соотношении исходные порошкообразные материалы (углеродистые и металлические) тщательно смешивают, вводят в них связующие вещества (смолы, пески), перемешивают и при 110—230 °С пропускают через специальные смесители. Полученную исходную электроугольную массу сушат, а затем размалывают и просеивают через сито, получая прессовочный порошок (пресс-порошок). Прессованием в стальных пресс-формах из этого порошка изготовляют различные электроугольные изделия или заготовки (блоки), из которых распиливанием и шлифованием получают электрощетки и другие изделия. Электроугольные изделия прессуют при комнатной температуре или при 180—210 °С (в зависимости от связующего). Применяя связующее, размягчающееся или полимеризующееся при повышенных температуpax, прессование производят при повышенных температурах. Прессуют электроугольные изделия при давлениях от 100 до 300 МПа. Изделия большой длины (электроосветительные угли и др.) изготовляют выдавливанием нагретой исходной пластичной массы через стальной мундштук винтового пресса. Полученные изделия или их заготовки (блоки) подвергают высокотемпературному обжигу в специальных печах в интервале температур от комнатной до 1200—1300 °С. При обжиге происходит спекание — соединение частиц исходных материалов и цементация их коксом, образующимся из связующих органических веществ. В результате обжига электроугольные изделия приобретают механическую прочность и способность к механической обработке, но уменьшается их удельное электрическое сопротивление. Электроугольные изделия, содержащие сажу, кокс и другие неграфитовые компоненты, после обжига подвергают дополнительной термической обработке (при 2400—2800°С), называемой графитизацией. При этом неграфитовые компоненты в изделиях превращаются в графит, а большинство примесей испаряется. В результате графитизации электрощетки (группы ЭГ) и другие изделия приобретают некоторую мягкость, уменьшается их коэффициент трения и резко снижается удельное электрическое сопротивление. Полученные после графитизации и механической обработки (резка, шлифование) электроугольные изделия обладают значительной пористостью (до 30 %), поэтому их пропитывают лаками или воскообразными веществами, а в некоторых случаях — расплавленными металлами (олово, свинец и др.). Пропитку производят при 80—200 °С и выше жидким пропитывающим веществом. Пропитка устраняет пористость и уменьшает гигроскопичность электроугольных изделий, а иногда позволяет ввести в них смазочные вещества (воскообразные) . Пропитка металлами резко увеличивает механическую прочность электроугольных изделий и повышает их проводимость. Электроугольные изделия (электрощетки и др.) подвергают механической обработке для придания им окончательной формы и необходимой шероховатости поверхности. Заготовки (блоки) электрощеток и других изделий разрезают на мелкие части фрезами или тонкими карборундовыми кругами на специальных станках. Затем в изделиях сверлят отверстия под гибкие соединительные провода. Некоторые типы электрощеток и осветительных углей после механической обработки меднят, покрывая часть их поверхности тонким слоем меди для создания надежного электрического контакта между телом электрощетки и щеткодержателем в электрической машине. Слой меди имеет толщину 10—15 мкм. Гибкие (многопроволочные) провода крепят в теле электрощеток развальцовкой, пайкой или запрессовкой. Затем проверяют размеры, твердость и механическую прочность и удельное электрическое сопротивление электрощеток, падение напряжения между щеткой и коллектором, коэффициент трения, переходное сопротивление между токоподводящим проводом и электрощеткой и др. Наибольшее применение среди электроугольных изделий имеют щетки для электрических машин и контактные детали. Различают следующие виды щеток: графитные, угольно-графитные, металлографитные и электрографитированные. Графитные щетки, изготовляемые из натурального графита, отличаются мягкостью, не вызывают шума при работе и применяются при окружных скоростях от 20 до 35 м/с. Их удельное электрическое сопротивление 70—170 мкОм-м. Угольно-графитные щетки, изготовляемые из графита, сажи, кокса и связующих смол, обладают повышенной твердостью, механической прочностью, а также абразивностью и поэтому могут очищать оксидные пленки на коллекторах и кольцах электрических машин. Эти щетки применяют при окружных скоростях от 10 до 30 м/с. Их удельное сопротивление 100— 300 мкОм-м. Металлографитные щетки, изготовляемые из порошков графита и меди (в некоторые вводят также порошки олова и серебра), обладают малым удельным электрическим сопротивлением 0,04—0,3 мкОм-м, щетки с пониженным содержанием меди имеют удельное сопротивление 5—28 мкОм-м. Эти щетки применяются при окружных скоростях 30—40 м/с. Электрографитированные щетки изготовляют из графита, кокса, сажи и связующих смол. После прессования и обжига в печах щетки поступают в электрические печи для графитизации при 2500 °С. Состав щеток при этом обогащается графитом, что обеспечивает их повышенную механическую прочность и возможность использования при повышенных окружных скоростях (40—90 м/с). Удельное электрическое сопротивление щеток 12—75 мкОм-м. Такие щетки применяют в электрических машинах с тяжелыми условиями коммутации. Электроугольные электроды, отличающиеся стойкостью к электрической дуге, очень медленно окисляются, не горят, не плавятся до температуры 3800 °С и широко применяются в электрических аппаратах большой мощности. Контактные детали, применяемые в электровозах, троллейбусах и других токосъемных устройствах, изготовляют из электроугольных и медно-графитных масс. Эти изделия имеют очень малое удельное сопротивление — 0,02—0,05 мкОм • м. Тема 2.2 Сортамент проводов Провода мо­гут быть неизолирован­ными и изолированными, с покрытием из резины, пластмасс и др. Неизолированные провода применяют на ЛЭП. По роду материала различают медь (М), алюминий (А) и сталь (С). Изготовля­ются также провода с использованием одно­временно двух металлов — алюминия и стали (стальной сердечник). Сердечник служит для увеличения механиче­ской прочности провода. В этих проводах площадь сечения стальной части примерно в 5 раз меньше, но сталь берет на себя около 40% всей механической нагрузки. По конструктивному выполнению делают одно- и мно­гопроволочные и полые провода. Однопроволочные провода состоят из одной круглой про­волоки, дешевле многопроволочных, но менее гибки и име­ют меньшую механическую прочность. Стальные однопро­волочные провода (ПСО) применяют редко из-за высокого удельного электрического сопротивления стали. Обычно они используются при небольших нагрузках, преимущест­венно в сельскохозяйственных сетях. Алюминиевые одно-проволочные провода вообще не выпускаются промышлен­ностью из-за низкой механической прочности. Многопроволочные алюминиевые провода обычно при­меняются в сетях до 35 кВ. При более высоких напряжениях используются сталеалюминиевые провода марок АС, АСКС, АСК и других в зависимости от способа их исполнения. Например, АСК состоит из алюминиевых проволок и стального сердечника из стальных оцинкованных прово­лок, изолированных двумя лентами из полиэтилентерефталатной пленки, заполненных смазкой. Стальные многопроволочные провода обозначаются ПМС. Полые провода изготовляются из плоских проволок, соединенных пазами и имеющих внутри провода пустое пространство, аналогично венку. Это обеспечивает увеличе­ние наружного диаметра при той же затрате металла, что снижает потери на корону. Такие провода ис­пользуются главным образом для ошиновки подстанций 330 кВ и выше. «Обмоточные провода» Обмоточные провода служат для изготовления об­моток электрических машин, аппаратов и приборов и выпускаются с жилами из проводниковых меди и алю­миния, а также сплавов большого удельного сопротив­ления (манганина, константана, нихрома и др.). Жилы обмоточных проводов могут иметь эмалевую, пленоч­ную, волокнистую и эмалево-волокнистую изоляцию. Эмалевая изоляция по сравнению с пленочной и волокнистой имеет мень­шую толщину (0,003—0,070 мм), что позволяет в тот же объем обмотки заложить большее количество проводов и тем самым увеличить мощность электрической маши­ны или аппарата. Эмалевая изоляция представляет собой гибкое лаковое покрытие, полученное в резуль­тате отверждения сплошного слоя эмаль-лака, нане­сенного на провод на специальных эмалировочных машинах. Основной сортамент медных обмоточных проводов с эмалевой изоляцией приведен в табл. 4 К основному типу обмоточных проводов нагрево-стойкости класса А (105 °С) относятся ПЭВ-1, ПЭВ-2 и ПЭМ-1, ПЭМ-2 с механически прочной эмалевой изо­ляцией на основе поливинилацеталевых смол. Эти провода широко применяют для изготовления обмоток электрических машин общепромышленного назначе­ния. Так как изоляция проводов ПЭМ-1 и ПЭМ-2 стойка к нефтяному маслу, то их применяют также для изго­товления обмоток маслонаполненных аппаратов. Изоляцию нагревостойкости класса Е (120 °С) име­ют обмоточные провода ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2, эмали­рованные полиуретановыми термопластичными эмаль-лаками. Эмаль-лаки образуют механически прочное изоляционное покрытие проводов, размягчающееся при 160° , что ограничивает их область применения (об­мотки электрических машин и аппаратов малой мощ­ности). Таблица 4 Основной сортамент обмоточных проводов с эмалевой изоляцией Марка провода Диаметр жилы без изоляции, мм Наружный диаметр провода, мм Общая характеристика ПЭВ-1 0,02-2,5 0,035-2,6 Провод медный, изолированный лаком ВЛ-931 ПЭВ-2 0,05-2,5 0,08-2,63 То же, но слой эмаль-лаковой изоляции большей толщины ПЭВА 0,08-2,44 0,105-2,55 То же, но с алюминиевой жилой ПЭМ-1 0,05-2,12 0,07-2,22 Провод медный, изолированный лаком ВЛ-941 ПЭМ-2 0,05-2,12 0,08-2,25 То же, но слой эмаль-лаковой изоляции большей толщины ПЭВТЛ-1 0,02-1,6 0,027-1,64 Провод медный, изолированный полиуретановым лаком, лудя­щийся ПЭВТЛ-2 0,02-1,6 0,03-1,67 То же, но слой эмаль-лаковой изоляции большей толщины ПЭТВ 0,06-2,5 0,07-2,57 Провод медный, изолированный полиэфирным лаком ПЭ-943 ПЭТВА 0,08-24 0,14-2,55 То же, но с алюминиевой жилой ПЭТ-155 0,06-2,5 0,08-2,63 Провод медный, изолированный теплостойким лаком на поли-эфиримидной основе ПЭТ-200 0,05-2,5 0,057-2,63 Провод медный, изолированный теплостойким полиимидным ла­ком ПНЭТ-имид 0,03-2,5 0,035-2,6 Провод медный, никелирован­ный, изолированный нагревостойким полиимидным лаком Особенность этих проводов — возможность лужения и пайки без предварительной зачистки изоляции, которая при пайке размягчается и в расплавленном виде является флюсующим веществом, обеспечиваю­щим применение оловянно-свинцовых припоев. Более высокой нагревостойкостью (130 °С) и хоро­шими электроизоляционными свойствами обладают провода ПЭТВ, эмалированные полиэфирным лаком на основе лавсана. Повышенная механическая прочность эмаль-лако­вой изоляции этого типа позволяет механизировать намотку обмоток электрических машин и аппаратов, т. е. она хорошо выдерживает многократные перегибы и растяжения. Изоляцию класса нагревостойкости F (155° С) имеют провода ПЭТ-155 с эмаль-лаковой изоляцией на полиэфиримидной основе, обладающей хорошими изоляционными свойствами. Для механизированной намотки катушек выпус­каются провода марки ПЭТМ с эмаль-лаковой изоля­цией той же нагревостойкости, обладающей повышен­ной механической прочностью. Эмаль-лаковую изоляцию для работы при темпера­туре 180—200 °С имеют провода марки ПЭТ-200. Эта изоляция изготовляется на основе полиимидов, которые обладают высокими электрическими и механическими свойствами. Для работы при температуре 220 °С предназначены провода ПНЭТ-имид, имеющие медную никелирован­ную жилу, покрытую эмаль-лаковой изоляцией на поли-имидной нагревостойкой основе, обладающей высокими электрическими свойствами. Разработаны и применяются обмоточные провода ПЭЖБ с неорганической изоляцией (стеклоэмаль), которые могут работать при температуре 300 °С, а кратковременно — до 600 °С. Провода с бумажной изоляцией изготовляют из медных и алюминиевых жил, имеющих изоляцию в виде обмотки из кабельной бумаги толщиной 0,10—0,12 мм. Основной областью применения этих проводов явля­ются обмотки трансформаторов с внутренней масляной изоляцией. Бумажная изоляция, пропитанная маслом, обладает большой электрической прочностью (порядка 80 МВ/м). Толщина бумажной изоляции во много раз превосходит толщину эмаль-лаковой и имеет в пропи­танном виде большую электрическую прочность. Провода с волокнистой изоляцией изготовляют из медных и алюминиевых жил круглого и прямоугольного сечения. Изоляция жил представляет собой одинарную или двойную обмотку из хлопчатобумажной, шелковой пряжи, пряжи из синтетических (лавсан, капрон) и стеклянных волокон. Наибольшей нагревостойкостью обладают провода со стекловолокнистой изоля­цией, основной сортамент которых приведен в табл.5 Таблица 5 Основной сортамент обмоточных проводов с волокнистой изоляцией Марка провода Диаметр жилы без изоляции, мм Наружный диаметр провода, мм Общая характеристика ПБД 0,35-5,2 0,60—5,35 Провод медный, изолированный двумя слоями хлопчатобумаж­ной пряжи АПБД 1,35-8,0 1,62—8,35 То же, но с алюминиевой жилой ПЛБД 0,38-5,2 0,59—5,53 Провод медный, изолированный одним слоем лавсанового волок­на и одним слоем хлопчатобу­мажной пряжи АПЛБД 1,35-8,0 1,62—8,35 То же, но с алюминиевой жилой ПЛД 0,38-1,3 0,57—1,52 Провод медный, изолированный двумя слоями лавсанового во­локна ПСД 1,0-5,0 1,25-5,38 Провод медный, изолированный двумя слоями стекловолокна, пропитанного нагревостойким лаком АПСД 1,65-5,2 1,90—5,52 То же, но с алюминиевой жилой ПСДК 1,0-5,0 1,45—5,35 Провод медный, изолированный двумя слоями стекловолокна, пропитанного нагревостойким кремнийорганичееким лаком Толщина волокнистой изоляции намного превосхо­дит толщину эмаль-лаковой, но электрическая проч­ность такой чистой изоляции, пропитанной лаками или компаундами, значительно больше. Обмотки, изготов­ленные из проводов с волокнистой изоляцией, требуют тщательной сушки и пропитки изоляционными лаками или компаундами. Провода с эмалево-волокнистой изоляцией имеют эмалированную медную жилу круглого сечения поверх слоя эмали, который состоит из хлопчатобумажной, шелковой, лавсановой или стеклянной пряжи. Такая двойная изоляция обеспечивает повышенную механи­ческую и электрическую прочность проводов. Таблица 6 Основной сортамент обмоточных проводов с эмалево-волокнистой изоляцией Марка провода Диаметр жилы без изоляции, мм Наружный; диаметр провода, мм Общая характеристика ПЭЛБО ПЭЛШО ПЭТЛО ПЭТКСОТ 0,38—2,1 0,05—1,56 0,2—1,3 0,33—1,56 0,55—2,4 0,14—1,74 0,33—1,5 0,48—1,74 Провод медный, изолированный масляной эмалью и двумя слоя­ми хлопчатобумажной пряжи Провод медный, изолированный масляной эмалью и одним слоем натурального шелка Провод, изолированный лаком повышенной нагревостойкости и одним слоем лавсанового волок­на Провод, изолированный крем­нийорганическим лаком и одним слоем утоненного стекловолок­на, пропитанного нагревостой­ким кремнийорганичееким ла­ком Провода с эмалево-волокнистой изоляцией широко применяют для изготовления обмоток электрических машин и аппаратов, в которых могут быть повышенные механические нагрузки на обмоточные провода, как в процессе изготовления обмоток, так и в процессе экс­плуатации. Основной сортамент проводов приведен в табл.6 Наибольшими механической прочностью и сопротив­лением истиранию обладает изоляция из лавсановых и капроновых волокон, а наиболее высокой нагревостойкостью — изоляция из стеклянной пряжи, наложенной на слой кремнийорганической эмали. «Монтажные провода и кабели» Монтажные провода и кабели предназначены для выполнения различных соединений в электрических ап­паратах, приборах и других электротехнических устройствах. Токопроводящие жилы монтажных проводов и кабелей изготовляют лужеными из проводниковой меди. Жилы могут быть однопроволочными и многопроволочными соответственно для фиксированного и нефиксиро­ванного монтажа. Сечения жил монтажных проводов от 0,05 до 2,5 мм2, а кабелей от 0,35 до 2,5 мм2. Количество жил кабелей от 1 до 52. В монтажных проводах высокой нагревостойкости (200—250 °С) применяют никелированные медные жи­лы. Изоляция этих проводов выполняется из фторопласта или фторопластовых лент в комбинации с оплет­кой из стекловолокна. Наибольшее число марок мон­тажных проводов и кабелей предназначено для работы в интервале температур от —50 до +70 °С. Жилы этих проводов имеют гибкую влагостойкую пластмас­совую изоляцию из полиэтилена или поливинилхлоридного пластиката. В некоторых конструкциях монтажных проводов и кабелей поверх основной изоляции наносится капроно­вая защитная оболочка. Эти провода и кабели применяют при напряжениях от 50 до 1000 В переменного или 150—400 В постоянного тока (соответственно). Монтажные провода изготовляют также с волокнистой изоляцией из капроновых или стеклянных нитей. Эти провода могут работать при температуре от —60 до + 105 °С, но в атмосфере нормальной влажности. Рабо­чие напряжения их от 24 В (МГШ) * до 220 В (МШДЛ) **. Монтажные провода с двойной изоляцией из волок­нистой и пластмассовой (полиэтилен или пластикат поливинилхлоридный) изоляций могут работать при температурах от —50 °С (изоляция из пластиката) и —60 °С (изоляция из полиэтилена) до +70 °С при влажности до 98 % (не выше 40 °С). Рабочие напряже­ния проводов в зависимости от их марки от 380 до 1000 В переменного тока или соответственно до 500 и 1500 В постоянного тока. Выпускаются также монтажные провода на напря­жения до 4 кВ с изоляцией из фторопласта-4. «Установочные провода» Установочные провода предназначены для распре­деления электрической энергии в силовых и освети­тельных сетях при неподвижной прокладке внутри и вне помещений. Установочные провода выпускаются с мед­ными и алюминиевыми токопроводящими жилами, ко­торые могут быть однопроволочными и многопроволоч­ными (гибкие). Установочные провода могут иметь изоляцию из ре­зины или гибких пластмасс (полиэтилен, поливинил­хлоридный пластикат). Основная резиновая изоляция установочных прово­дов некоторых типов заключена в оплетку из хлопчато­бумажной пряжи, пропитанной противогнилостным составом. В зависимости от вида и толщины изоляции установочные провода изготовляют на напряжения 380 и 660 В переменного тока. Интервал рабочих температур проводов с резиновой на основе бутилкаучука изоляцией от —40 до +65 °С и от —40 до +85 °С, с пластмассовой изоляцией от — 50 до +70 °С и с изоляцией из кремнийорганической резины от —60 до +180°С (провод РКГМ и др.). Основные установочные провода приведены в табл. 7 Таблица 7 Установочные провода Марка провода Сечение жил, мм2 Основная характеристика Область применения ПРИ 0,75—120 Провод с медной однопроволочной жилой с резино­вой изоляцией в пропитан­ной хлопчатобумажной оп­летке Для неподвижной прокладки внутри помещений (на ро­ликах) и вне поме­щений (на изоля­торах) в сетях на­пряжением до 660 В переменного тока АПРИ 2,5—120 То же, но с алюминиевой однопроволочной жилой То же ПРГИ 0,75—120 Провод гибкий с многопро­волочной медной жилой с резиновой изоляцией в про­питанной хлопчатобумаж­ной оплетке ППВ 0,75—4,0* То же, но в оболочках из поливинилхлоридного плас­тиката То же, и в помещениях с повы­шенной влажно­стью АППВ 2,5—6* То же, но с алюминиевой жилой » ПВ1 0,5—95 Провод с медной однопроволочной жилой с изоляци­ей из поливинилхлоридного пластиката Для неподвижной прокладки внутри и вне помещений в сетях напряжением до 380 В и до 660 В (в зависимости от толщины изоля­ции) АПВ 2,0—120 То же, но с алюминиевой жилой То же ПГВ 0,5—95 Провод гибкий с многопро­волочной медной жилой с изоляцией из поливинил­хлоридного пластиката » ПП 0,5—95 Провод с медной однопроволочной жилой с изоляци­ей из полиэтилена » АПП 2,5—120 То же, но с алюминиевой жилой » РКГМ 0,75—120 Провод гибкий с многопро­волочной медной жилой с изоляцией из нагревостой-кой кремнийорганической резины в оплетке из стек­лянной пряжи, пропитан­ной лаком Для выводов в электрических ма­шинах и аппара­тах нагревостойкого (180° С) испол­нения на напряже­ния до 660 В *С числом жил 2 и 3. «Кабельные линии» Кабель представляет собой один или несколько изолированных проводников, заключенных в герметическую оболочку, по верх которой накладывается защитный покров. Кабель применяют для передачи электроэнергии, а также для соединения аппаратов друг с другом и распределительным устройством. Кабели любых типов имеют общие конструктивные элементы: токопроводящие жилы, изготовлены из меди или алюминия, изоляцию и оболочку. В качестве диэлектрика нашли наибольшее распостронение кабельная бумага, резина, пластмасса. Оболочка кабеля имеет вид сплошной трубы, выполненной из свинца, алюминия и пластмассы и наложены поверх изолированных токопроводящих жил. Для предохранения оболочек от механических повреждений и коррозии на них накладывают защитные покровы (броня) из стальных лент, покрытых битумным составом. Первая буква в маркировке означает материал токоведущей жилы: А – из алюминия, если буква отсутствует, то материал медь. Вторая буква означает материал оболочки: С – свинцовая, А- алюминиевая, В – поливинилхлоридная Третья означает материал брони: Б- броня из стальных лент, с защитным покровом из джута; Г – кабель без джутового покрытия. Четвертая материал изоляции жил: Р – резиновая, В – поливинилхлоридная, П- полиэтиленовая Например: АСБ -3×150+1×50 -Кабель с алюминиевыми жилами, свинцовой оболочкой бронированной стальной лентой, в котором 3 жилы сечением по 150 мм2 и одна 50мм2. Кабель бывает силовой и контрольный. Силовой кабель используется в первичных электрических цепях- силовые цепи, которые несут основную нагрузку (ток высокий и напряжение высокое). Силовой кабель имеет наибольшее количество жил – 4. три жилы одинакового сечения – это фазные жилы, четвертая жила меньшего сечения – нулевая. Сечение солового кабеля по ГОСТу от 6 мм2 до 350 мм2. Контрольный кабель используется во вторичных цепях - это цепи небольшой нагрузки – цепи измерительных приборов. Количество жил по ГОСТу: 4, 5, 7, 10, 14, 19, 24, 27, 37. Сечение всех жил одинаково. Сечение медных жил: 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4 мм2. Сечение алюминиевых жил: 2,5; 4 мм2. Раздел 3Электроизоляционные материалы Тема 3.1 Физика диэлектриков Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохра­нять электростатическое поле. Это широкий класс электротехниче­ских материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и синтетических, органических, неорганических и элементоорганических. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из непо­лярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состо­ят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула ха­рактеризуется дипольным моментом - р (рис. 14). Рисунок 14. Примеры электрического строения молекул диэлектриков: а - неполярная (симметричная) молекула неполярного диэлектрика (метана); б- дипольная молекула полярного диэлектрика (хлорированного метила), дипольный момент р > О р = q • ℓ где q = 2 • 10 -19 заряд, Кл; l - расстояние между зарядами, м В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивает­ся в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики. «Основные электрические свойства диэлектриков» Основные электрические свойства диэлектриков и их характе­ристики приведены в табл. 8 Таблица 8 Электрические свойства диэлектриков и их характеристики № Свойство Характеристика Обозначение 1 Поляризация Относительная диэлек­трическая проницаемость ε 2 Электропроводность Удельное электрическое сопротивление ρ, Омм 3 Диэлектрические потери Тангенс угла диэлектриче­ских потерь tgδ 4 Электрическая проч­ность Пробивная напряженность Епр, МВ/м «Поляризация диэлектриков» Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляриза­ция сопровождается появлением на поверхности диэлектрика свя­занных электрических зарядов. Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью где С - емкость конденсатора с диэлектриком; Со - емкость конден­сатора без диэлектрика (в вакууме). Различают следующие виды поляризации: • электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля (рис. 15, а). Она свойственна всем веществам, но играет опре­деляющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных, жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгно­венно (t = 10 -15с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля; • ионная поляризация обусловлена смещением упруго связан­ных ионов в пределах межатомного расстояния (рис. 15,6). Она характерна для веществ с ионным строением, время поляриза­ции невелико (t = 10-13с), происходит практически без потерь энергии; • дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации дипольных молекул под действием сил поля (рис. 15, в). Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (t = 10 -2с) и сопровождается потерями энергии; • самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризо­ванных областей - доменов, обладающих электрическим мо­ментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации (рис. 15, г): относительная диэлектриче­ская проницаемость достигает ε = 105. Рисунок 15 Схема возникновения поляризации: а - электронной, б - ионной, в - дипольно-релаксационной, г - спонтанной (самопроизвольной) «Влияние температуры на поляризацию диэлектриков» Изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффи­циентом При электронной поляризации относительная диэлектрическая проницаемость несколько уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества (αε<0) (кривая 1 на рис. 16). При ионной поляризации ε с увеличением температуры не­сколько повышается в результате ослабления упругих сил, дейст­вующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении (αε >0) (кривая 2 на рис. 16). Дипольно-релаксационная поляризация сильно зависит от температуры сре­ды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимо­действия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении темпера­туры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориенти­рующее влияние поля - ε уменьшается (кривая 3 на рис. 16). При самопроизвольной поляризации ее величина растет до определен­ной температуры (Tк - точка Кюри), выше которой сегнотоэлектрик теряет свои специфические свойства (кривая 4 на рис. 16). Рисунок 16 Температурные зависимости относительной диэлектрической проницаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольно-релаксационной, 4 – спонтанной «Электропроводность диэлектриков» Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике до момента установления равновесного состояния происходят во времени, создавая поляризационные токи или токи смещения. При дипольно-релаксационной поляризации токи смещения на­зывают еще абсорбционными токами iабс. При постоянном на­пряжении абсорбционные токи возникают только в моменты вклю­чения и выключения напряжения. Наличие в технических диэлек­триках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине токов сквозной проводимости iск. Та­ким образом, полный ток в диэлектрике, называемый током утеч­ки, складывается из абсорбционного и сквозного (рис.17) Iут=iаб+ iск Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется величиной сквозного тока. При переменном напряжении проводимость определяется сквозным током и абсорбционными то­ками замедленных механизмов поляризации. У твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную электропроводность, которую оценивают, соответственно, удель­ным объемным сопротивлением (ρ, Омм) и удельным поверхностным сопротивлением (ps, Ом). О 60 t,с Рисунок 17 Изменение тока утечки в твердом диэлектрике Удельное объемное сопротивление численно равно сопро­тивлению куба с ребром в 1 м, если ток проходит через две проти­воположные грани. В случае плоского образца в однородном поле где R - объемное сопротивление образца, Ом; S - площадь электро­да, м2; h - толщина образца, м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, если ток проходит через две противоположные стороны где Rs - поверхностное сопротивление образца между параллельно стоящими электродами шириной d, находящимися друг от друга на расстоянии l (рис. 18). 1 - электроды, 2 – диэлектрик Рисунок 18 Схема определения удельного поверхностного сопротивления ps твердого диэлектрика Полная проводимость диэлектрика, соответствующая сопро­тивлению изоляции Rиз, складывается из объемной и поверхностной проводимостей. Электропроводность диэлектриков зависит от концентрации свободных носителей заряда, температуры и влажности среды. Примеси являются дополнительными источниками ионов и увели­чивают электропроводность. С повышением температуры растут подвижность носителей за­ряда и их количество, поэтому электропроводность диэлектриков возрастает, а сопротивление падает. Увеличение влажности среды практически не оказывает влия­ния на проводимость неполярных диэлектриков, так как они не сма­чиваются водой. Полярные диэлектрики смачиваются водой, а вода является источником ионов. Кроме того, при наличии влаги может происходить частичная диссоциация молекул диэлектрика и приме­сей, что приводит к возрастанию электропроводности. « Диэлектрические потери» Диэлектрические потери - это мощность электрического то­ка, рассеиваемая в диэлектрике в виде тепла. Численно диэлектри­ческие потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических по­терь tgδ, где δ - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между векторами тока и напряжения в цепи с емкостью (δ = 90° - φ). При приложении переменного напряжения к конденсатору с идеальным диэлектриком угол сдвига фаз между током и напряже­нием φ = 90° (рис. 19,а), δ = 0, тепловых потерь нет. Для расчета потерь мощности в реальном диэлектрике при воз­действии переменного напряжения используют эквивалентную схе­му, заменив конденсатор с реальным диэлектриком на идеальный конденсатор с параллельно (или последовательно) включенным ак­тивным сопротивлением (рис. 19,6). Потери мощности Ра (Вт) вызы­вает активная составляющая тока Pа =U•Ia Учитывая, что Iа =Iс ·tg δ, a Ic =U -ω-С, получаем Ра =U2 ω C tgδ, где (U- напряжение, В; ω - круговая частота тока, с -1.) Рисунок 19 Схема определения диэлектрических потерь: а - конденсатор с иде­альным диэлектриком (tgδ = 0); б - параллельная эквивалентная электрическая схема конденсатора с реальным диэлектриком (tgδ > 0) Виды диэлектрических потерь: • потери от сквозной проводимости (на электропроводность); • релаксационные; • ионизационные; • резонансные. Потери на электропроводность (от сквозной проводимости) - основные потери для неполярных диэлектриков. Они не зависят от частоты приложенного напряжения (Ра = const), tgδ уменьшается с частотой поля f по гиперболическому закону (рис. 20,а) Рисунок 20 Зависимости диэлектрических потерь от частоты тока (а) и температу­ры (б) tgδ=1,8•10 10 ε • f • ρ где ρ - сопротивление, измеренное на постоянном токе; ε - относи­тельная диэлектрическая проницаемость на данной частоте. Потери сквозной проводимости возрастают с ростом темпера­туры по экспоненциальному закону (рис. 20,6). Рат=А-ехр(-b /Т), где A, b - постоянные материала Релаксационные потери характерны для диэлектриков с за­медленными видами поляризации. Они наблюдаются в полярных жидкостях с дипольно-релаксационной поляризацией, а также у ли­нейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации (неорганические стек­ла, полимеры, керамика, кристаллические вещества, с неплотной упаковкой атомов и др.). Релаксационные потери сильно зависят от температуры и час­тоты поля. При низких температурах время релаксации поляризации велико (tо»1/ω)), tgδ мал. С повышением температуры сте­пень поляризации молекул увеличивается, и tgδ возрастает. При температуре, соответствующей наибольшему развитию дипольно-релаксационной поляризации (время релаксации приближается к периоду изменения поля), tgδ достигает максимального зна­чения. При дальнейшем повышении температуры время релаксации становится меньше времени периода изменения поля, ориенти­рующее влияние поля ослабевает, релаксационные потери умень­шаются, однако с учетом потерь на электропроводность общие по­тери возрастают. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля. Ионизационные потери в диэлектрике обусловлены процес­сами ионизации под действием электрического поля. Они свойст­венны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются в не­однородных электрических полях при напряженностях, превышаю­щих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Резонансные потери - это интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля газом при определенной частоте. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля. Когда же частота настолько велика, что поляризованность диэлектрика становится незначительной, мало и значение tgδ. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации в единицу времени, и активная мощность, рассеиваемая в диэлектри­ке, остается практически постоянной, несмотря на уменьшение tgδ с ростом частоты. «Пробой диэлектриков» Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика. Пробивное напряжение обозначается Uпр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя: Enp = Uпp/h где h — толщина диэлектрика. Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика — в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в кВ/мм. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м: 1МВ/м= 1кВ/мм= 106 В/м. Пробой газа обусловливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них сторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля. Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения. При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля. Из изложенного следует, что пробой газов — явление чисто электрическое. Поэтому все численные данные по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения. Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы, то в случае приложения к диэлектрикам переменного напряжения численные значения пробивного напряжения относятся к действующим (эффективным). «Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков» Электротепловой (сокращенно тепловой) пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследвие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя должны приниматься во внимание tg б диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание tg δ уже при нагреве выше 20—30° С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение tg δ которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150—200° С; в последнем случае тепловой пробой сможет развиваться только при достижении этих температур. Температура нагрева изолятора в электрическом поле высокого напряжения устанавливается тогда, когда тепловыделение оказывается равным теплоотдаче в окружающую среду. В большинстве случаев теплоотвод обусловливается конвекцией воздуха. Таковы условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место для кабелей, вводов, вмонтированных в стены. Обычно при расчете изоляторов выбирают такое рабочее напряжение, соответствующее установившейся температуре, чтобы температура нагрева не превосходила некоторого заданного значения, опасного с точки зрения нагревостойкости диэлектрика. С увеличением приложенного к изолятору напряжения возрастает реактивная мощность, вызывающая рост тепловыделения и нагрев изолятора. Для того чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при заданной температуре с поверхности изолятора: «Электрохимический пробой» Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции. Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено прежде всего развитием ионизационного процесса в воздушных включениях; ионизация связана с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике. Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту. Тема 3.2 Механические, тепловые и физико – химические характеристики диэлектриков Поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться от механических напряжений. Прочность на разрыв, сжатие и изгиб.Значения пределов прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи) в системе единиц СИ выражаются в Паскалях (Н/м2). Так как в практике еще очень распространено выражение пределов прочности в кгс/см2, а 1 Па ≈ 10 -5 кгс/см2, то для перевода в паскали численных значений механических прочностей, выраженных в кгс/см2, их надо умножить примерно на 105. Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от на- правления приложения нагрузки. Важно отметить, что для ряда диэлектриков (стекол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе. Так, например, у кварцевого стекла при сжимающих напряжениях можно получить σс ≈200 МПа, а при растяжении σр - всего около 50 МПа. Механическая прочность ряда диэлектриков сильно зависит от площади поперечного сечения образцов. Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит от температуры, как правило, уменьшаясь с ее ростом. Определение предела прочности и относительной деформаций при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах матери- ала). Однако эти испытания еще не дают исчерпывающих сведений о поведении материала во многих практически важных случаях механической нагрузки. Так, для некоторых материалов (в особенности термопластичных) характерна способность при длительном воздействии сравнительно малых нагрузок давать заметные деформации. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры. При повышении температуры и приближении ее к температуре размягчения данного материала пластическое течение материала сильно увеличивается. Многие материалы хрупки, т. е., обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями. Распостраненый прием для оценки способности материала сопротивляться действию динамических нагрузок — испытание на ударный изгиб (определение ударной вязкости). Ударную вязкость σуд материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца S. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м2. 1 Дж/м2 ≈ 10 -3 кгс·см/см2. Поэтому для сохранения неизменными численных значений ударной вязкости, часто выражаемых на практике в кгс-см/см2, их удобно приводить в кДж/м2. Очень высокой ударной вязкостью обладает полиэтилен, у которого σуд превышает 100 кДж/м2; для керамических материалов и микалекса σуд составляет всего 2—5 кДж/м2. В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма. Определение вибропрочности важно, например, для изоляции ракетного и самолетного электрооборудования. Твердость, т. е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение и определяется различными методами: для неорганических материалов — по минералогической шкале Мооса, для органических диэлектриков — по способу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова. Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п. важной механической характеристикой является вязкость. Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, жидкости представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики вязких сред, а именно в закон Пуазейля — истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон Стокса — движения шарика в вязкой среде под действием небольшой постоянной силы. Динамическая вязкость η в системе СИ измеряется в Паскалях, умноженных на секунды. В системе единиц СГС динамическая вязкость выражается чаще всего в сантипуазах (сП): 1Па.с=10 П =1000 сП. Кинематическая вязкость ν равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности: В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в м2/с,. 1 м2/с = 104 Ст (стокс—единица кинематической вязкости в системе СГС). Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается с повышением температуры. «Тепловые свойства диэлектриков» К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tg δ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение «теплостойкости»). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам. В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Для различных диэлектриков по этому методу получаются следующие численные значения: Эбонит . . . ………..65—75° С Полистирол ……….70—85° С Гетинакс …………..150—180° С В качестве примера употребляющегося в практике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов можно отетить способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в металлическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть, что этот способ определения температуры размягчения и ему подобные в значительной мере условны, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания температуры и предельные деформации выбираются произвольно. Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения— еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается. Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков. Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуре решается на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции. Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т. п. Для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. Согласно ГОСТу предусматривается разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для, которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение ряда лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях: Класс нагревостойкости . . Y А Е В F Н С Наибольшая допустимая ра- бочая температура, °С .........90 105 120 130 155 180 Более 180 К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал. К классу А относятся те же самые органические волокнистые материалы, если они работают в готовой изоляции, будучи пропитаны лаками либо компаундами или же погружены в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищены от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией в пропитанной лаком обмотке электрической машины или же и погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных или битумно-масляных лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А относятся также ацетобутиратцеллюлозные и полиамидные пленки, литые полиамидные смолы, изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т. п. К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой и т. п.), полиэтилентерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на поли уретановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляционные материалы. В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами; таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолита на фенолоформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т. п. К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости; эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнийорганических. Материалы класса Н получаются при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости. К классу нагревостойкости С относятся чисто неорганические материалы, совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов. Таковы слюда, стекло и стекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, шифер, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т. п. Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторопласт-4) и материалы на основе полиимидов (пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов и т. п.). Во многих случаях эксплуатации изоляции важна холодостойкость, т. е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от —60 до —70° С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью γТ, входящей в уравнение Фурье где ΔРТ – мощность теплового потока сквозь площадку ΔS, dT/dl – градиент температуры Таблица 9 Значения теплопроводности некоторых диэлектриков Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1: Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. Таблица 10 Температурный коэффициент линейного расширения некоторых диэлектриков «Физико-химические свойства диэлектриков» При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха, повышенных температур, мороза и радиоактивных излучений. Нормальное использование изделия в большой степени зависит от механических свойств материалов: их прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, твердости или эластичности. В ряде случаев к изделиям, а, следовательно, в известной степени и к материалам предъявляются требования вибропрочности при различных амплитудах и частотах колебаний. Для деталей, в которых имеется сопряжение разных материалов, большое значение имеют температурные коэффициенты линейного расширения. Разработка технологических процессов изготовления электрических машин и аппаратов также требует знания физических, механических и химических свойств (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов. Срок службы изделий в тропических условиях зависит от надежности химической защиты материалов против гнилостных бактерий, насекомых и образования плесени. Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю. Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину ρ после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть. При длительном использовании электроаппаратуры, особенно в тропических условиях, на органических диэлектриках наблюдается развитие плесени. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее уязвимы для развития плесени целлюлозные материалы, в том числе и пропитанные (гетинакс, текстолит), канифоль, масляные лаки и др. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики: керамика, стекла, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол. С целью повышения плесенеустойчивости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгицидов. Воздействие излучения может привести к ряду молекулярных преобразований и химических реакций. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимерирация, образование поперечных связей, вулканизация и пр. Тема 3.3 Газообразные диэлектрики Воздух используется практически в подавляющем большинстве электротехнических машин, аппаратов, трансформаторов и приборов, даже в устройствах, заполненных жидким диэлектриком. Так, маслонаполненный трансформатор имеет выводы (изоляторы), часть которых находится в окружающей воздушной среде, и воздух является частью системы изоляции. Газообразные диэлектрики работают обычно в сочетании с твердыми. Отрицательной особенностью воздуха как диэлектрика является низкая электрическая прочность. На электрическую прочность газов влияет их химический состав. В таблице 11 показаны отношения электрической прочности некоторых газов к электрической прочности воздуха и температура кипения этих газов. Таблица 11 Электрическая прочность и температура кипения газов Повышенную электрическую прочность имеют так называемые электроотрицательные газы, отличающиеся тем, что их молекулы способны присоединять к себе (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь таким образом в малоподвижные отрицательные ионы. Для осуществления ударной ионизации этими ионами требуется большая, напряженность электрического поля, чем при ионизации электронами. К электроотрицательным относятся в частности, газы, содержащие в своих молекулах атомы фтора, брома и хлора. Хотя условия применения газов весьма различны, требования к ним как к электроизоляционным материал могут быть обобщены следующим образом. Важно, чтобы газы были химически инертными, не взаимодействовали с соприкасающимися с ними твердыми материалами. Желательно, чтобы при ионизации газы не образовывали особо активных химических веществ, способных разрушать твердые материалы, вызывать коррозию материалов. Это требование носит, в известной степени, относительный характер например, при ионизации воздуха образуются озон, окислы азота, а он все же широко используется. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используются при повышенном давлении. В связи с этим важно, чтобы они имели достаточно низкую температуру сжижения, так как она повышается с увеличением давления. Воздух является охлаждающей средой в случаях, когда тепло с поверхности нагретых частей отдается в окружающую среду. В Высоковольтных герметизированных устройствах (конденсаторы, трансформаторы, кабели) газы применяются обычно под давлением. Исключение составляют некоторые вакуумные устойства. Воздух под давлением в основном используется в так называемых образцовых (стабильных и не имеющих диэлектрических потерь) конденсаторах на сравнительно невысокие напряжения – до 1 кВ, в редких случаях на напряжение 10-35 кВ. Более широкое применение находит азот под давлением – газ, инертный в химическом отношении и при ионизации не выделяющий агрессивных продуктов. Азот имеет неблагоприятную особенность – в зависимости его электрической прочности от давления при относительно невысоком давлении наступает насыщение – напряжение практически перестает расти с увеличением давления. Давление, вызывающее это насыщение, зависит от однородности электрического поля. «Пробой газов» Внешней изоляцией во-многих видах электротехнических кон- струкций: в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи — служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с Епр большинства жидких и твердых диэлектриков. Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию W = qUλ, где q — заряд, Uλ,— падение напряжения на длине свободного пробега λ. Если поле достаточно однородно, то можно положить Uλ = Еλ, где Е — напряженность поля. Отсюда W = Eqλ. Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов и молекул, связанное с переходом, электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже ионизация молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы. Условием, определяющим возможность ионизации, является W≥Wи, Eqλ ≥ Wи. причем W включает в себя и энергию теплового движения, обычно небольшую при нормальной температуре. Энергию ионизации Wи обычно характеризуют ионизационным потенциалом Uи = W и /q. Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах от 4 до 25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ. При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при, одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион. Присоединение, «прилипание» электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону. Она колеблется у разных газов от 0,75 до 4, 5 эВ. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте — отрицательные ионы не возникают. При разряде в воздухе образуются положительные ионы О+, O+2, N+, N2+, NO+. Скорость электрона (км/с), прошедшего без столкновений разность потенциалов U (вольт), определяется выражением v ≈ 600√U Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с. Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, должны вызывать ионизацию газа. В действительности при энергиях до сотни и тысячи электронвольт соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами объясняется тем, что электроны имеют значительно большую подвижность, чем ионы. Кроме того, отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газa, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим электроном нейтральной частицы, то условия для отщепления электрона оказываются неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону при ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции. В явлениях разряда в газе, находящемся между металлическими электродами, положительные ионы высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода. В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее, как указывалось выше, в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула 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 особенно быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа. На рис. 21 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Рисунок 21 Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа На этом рисунке 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. Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотон. 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, показанной на рис. 21, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD, показанной на том же рисунке. В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, 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 новообразованных 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 полотельного 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. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса где Unp — пробивное напряжение при данном импульсе, Uпр50 — пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении, частотой 50 Гц Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях может доходить до 1,5. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ниш. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при известном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения (измерение высоких напряжений при помощи шаровых разрядников). Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния между электродами показана на рис.22. Рисунок 22 Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3,2 МВ/м; она достигает 70 МВ/м при h = 5 мкм. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. Поэтому для расчета пробивных напряжений воздуха применяется формула где Unp — пробивное напряжение при данных температуре и давлении, Unp0 — пробивное напряжение при нормальных условиях (t = 20° С и р = 0,1 МПа), δ — относительная плотность воздуха, рассчитанная по соотношению: при нормальных условиях δ = 1 При больших давлениях и соответственно повышенной плотности газа расстояние между молекулами становится меньше; тем самым уменьшается длина свободного пробега электронов, и, для того, чтобы произошел пробой, должна быть увеличена напряженность поля Рисунок 23 Зависимость электрической прочности газа от давления При уменьшении давления вначале наблюдается падение электрической прочности, как видно из рис.23; когда же давление доходит до некоторого предела, ниже атмосферного давления, и разряжение достигает высоких степеней, электрическая прочность вновь начинает возрастать. Это возрастание объясняется уменьшение числа молекул газа в единице объема при сильном разряжении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электродов. Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты. Газы при больших давлениях применяют в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения. Химический состав газа заметно влияет на величину электрической прочности. Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличается от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы, и т. д. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. В случае электродов игла—плоскость и положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис. 24). Рисунок 24 Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле Это объясняется следующим образом. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется «облако» из положительно заряженных ионов — молекул, с орбит которых сорваны электроны. При положительной полярности на игле этот объемный заряд служит продолжением иглы и сокращает протяженность разрядного промежутка. Положительный объемный заряд отталкивается и уходит от положительно заряженной иглы, однако более подвижные электроны, обусловливающие процесс ионизации, все время успевают его восстанавливать, т. е. получается картина «прорастания» положительного объемного заряда, связанного с иглой, в сторону отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем в случае противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует иглу с отрицательной полярностью от плоскости, заряженной положительно. При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным, напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами. Этого не наблюдается при промышленной частоте, где зависимость практически линейная. Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным разрядом (перекрытием), возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На разрядное напряжение влияют форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота поля, состояние поверхности диэлектрика, давление воздуха. Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При частоте 50 Гц повышение относительной влажности воздуха с 60 до 80—90%, например, снижает почти вдвое разрядные напряжения керамических изоляторов бочоночного типа. В настоящее время для высоковольтных конструкций наиболее широкое применение имеет элегаз. Впервые был изучен Б. М. Гохбергом, который и дал ему это название сокращенно от слов «электрический газ». Элегаз обладает рядом положительных свойств. Химически он достаточно инертен, в частности не реагирует с медью и алюминием. Нижний предел его рабочей температуры определятся условиями сжижения (давлением), верхний составляет 130—150° С. Установлено, что превышение электрической прочности элегаза над прочностью воздуха не постоянно, оно зависит от расстояния между электродами и однородности электрического поля. Эта закономерность представлена на рис. 25, из которого видно, что электрическая прочность элегаза особенно сильно превосходит таковую воздуха, в сильно неоднородных полях при больших расстояниях между электродами. Рисунок 25 Зависимость пробивного напряжения элегаза при различных расстояниях между электродами от давления. Плоские электроды диаметром 105 мм с закругленными краями. Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами в миллиметрах. При нормальной температуре элегаз может быть сжат до 2 МПа, а уже при давлении 0,3—0,4 МПа электрическая прочность элегаза практически соответствует электрической прочности среднего по качеству трансформаторного масла. Элегаз с успехом может быть использован в герметизированных распределительных устройствах, конденсаторах, трансформаторах, выключателях и в газонаполненных высоковольтных кабелях. Во многих высоковольтных конструкциях, например в кабелях, приходится применять распорки из твердого материала между жилой и оболочкой —стальной трубой; их наличие обычно снижает разрядные напряжения элегаза на 10—20%. Газонаполненные (элегазовые) кабели просты по своей конструкции, благодаря малой емкости имеют малые зарядные токи. Трансформаторы с элегазовым заполнением взрывобезопасны. Элегаз за счет повышенной плотности обладает хорошей охлаждающей способностью, хотя теплопроводность и удельная теплоемкость не велики по сравнению с воздухом. Теплопроводность элегаза составляет 0,0136 мкВт/(м • °С) при 70 0С; удельнаятеплоемкость при 20° С равна 0,598 кДж/(кг ∙°С). Высокая охлаждающая способ элегаза имеет большое значение для высоковольтных кабелей, трансформаторов и других устройств. Применение элегаза в высоковольтных выключателях определяется его высокими дугогасящими свойствами; обусловленными особенностями диссоциации при высоких температурах. Уже известно на практике применение элегаза в выключателях на рабочее напряжение 750 кВ. Весьма перспективно применение элегаза в комплектных распределительных устройства на разные напряжения. Говоря о применении элегаза следует иметь в виду его сравнительно высокую стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. Такая смесь обычно применяется в устройствах с большим заполняемым газом объемом, а также для работы при низких окружающих температурах. Пробивное напряжение смеси, содержащей до 40 % азота, очень мало отличается от пробивного напряжения чистого элегаза. В конденсаторостроении применение элегаза ограничивается главным образом высоковольтными (до 500 кВ) образцовыми новыми конденсаторами. На качестве изоляции образцовых конденсаторов положительно сказываются высокая электрическая прочность элегаза под давлением, высокое удельное сопротивление, чрезвычайно малое значение tgδ, большая стабильность диэлектрической проницаемости. Ее малая величина в данном случае — фактор отрицательный (у всех газов относительная диэлектрическая проницаемость практически равна единице независимо от давления). В высоковольтной технике разряд в воздухе между двумя шарами часто используется для измерения высоких напряжений. При этом важно, чтобы искровому разряду не предшествовала корона, искажающая электрическое поле в промежутке между шарами. Между двумя шаровыми электродами одинакового диаметра пробой без короны происходит при условии, что расстояние между шарами в 3—4 раза меньше диаметра шара. В этом случае в учетом изменения плотности воздуха и при сохранении чистой поверхности шаров пробивное напряжение между ними оказывается настолько стабильным, что по расстоянию искрового промежутка можно судить о величине пробивного напряжения. На этом принципе основано применение шаровых разрядников для измерений высоких напряжений. «Пробой жидких диэлектриков» Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ. Представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и для газов, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Под влиянием электрического поля капельки воды — сильно полярной жидкости — поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Электрическая прочность чистого масла не зависит от температуры в пределах до 80° С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости. Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Епр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой. Твердые загрязнения (сажа, обрывки волокон и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей. Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет Епр ≈ 4 МВ/м; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20—25 МВ/м. «Нефтяные электроизоляционные масла» Основные области применения нефтяных электроизоляционных масел следующие: маслонаполненные трансформаторы, масляные выключатели, высоковольтные силовые кабели, бумажно – масляные конденсаторы, высоковольтные изоляторы (вводы). В трансформаторах, выключателях и конденсаторах масло является средой, пропитывающей волокнистую изоляцию заполняющую пространство между отдельными конструктивными элементами, создающими масляные промежутки, разделенные слоями твердого материала (масляно-барьерная изоляция). В кабелях масло играет в основном роль пропитывающего материала. В зависимости конструкции высоковольтных вводов масло играет роль пропитывающего и заливочного материала (бумажно-масленная изоляция) или только заливочного (вводы с сердечниками и с твердой бумажно-смоляной изоляции). В трансформаторах, масляных выключателях и низковольтных конденсаторах масло обычно заливается в металлические кожухи. В конденсаторах на высокие напряжения наряду с форфоровыми кожухами (покрышками) в последнее время начали применять стеклопластиковые и винипластовые кожухи. В трансформаторах по сравнению с другими областями применения особенно- велика охлаждающая роль масла. В маслянных выключателях масло является средой, в которой при разрыве цепи погашается электрическая дуга. Вследствие теплового воздействия дуги происходит интенсивное разложение масла с образованием большого количества газообразных продуктов. Фактически дуга создается в газовом пузыре, окруженном маслом. Температура в середине дуги в масле около 2000° С, вблизи электродов она достигает значений около 3000° С. Такая высокая температура вызывает сильное химическое разложение и обугливание масла (образование копоти), ионизацию и увеличение давления как следствие сильного газообразования. На разложение и ионизацию масла может расходоваться до 90 % всей энергии, выделяемой дугой. В силовых кабелях на напряжения до 35 кВ нефтяные масла применяют для пропитки бумажной изоляции; масла малой вязкости применяются с добавкой канифоли в количестве от 10 до 35% в зависимости от марки кабеля. Кабели на рабочие напряжения 110 кВ и выше делаются маслонаполненными. Вдоль всей длины кабеля или внутри жилы (в одножильном кабеле), или между жилами (в трехжильном кабеле) проходят каналы, заполненные маловязким маслом, находящимся все время под избыточным давлением. Таким образом, при возникновении опасности образования внутри изоляции пустот, например, вследствие изменений температуры происходит подпитка изоляции из масляного канала. Основной изоляцией маслонаполненных кабелей является бумажная изоляция, пропитанная маслом, заполняющим канал. Без подпитки кабели на напряжения 110 кВ и выше надежно работать не могут, так рабочие напряженности электрического поля в них таковы, что вызывают в пустотах ионизацию, постепенно разрушающую основную изоляцию. Для масляных трансформаторов (силовых и измерительных), для выключателей и изоляторов применяется одинаковое масло, а для конденсаторов и кабелей (особенно в высоковольтных) применяются масла с улучшенными электрическими параметрами, что достигается обычно более тщательной очисткой их. По своему происхождению нефтяные электроизоляционные масла разного назначения принципиально не отличаются друг от друга, но удовлетворение специфических требований работы в том или ином изделии заставляет прибегать к разным режимам технологии получения масел, а иногда и отбирать масла определенного месторождения (например, для высоковольтных кабелей). Нефтяные электроизоляционные масла получают путем фракционной вакуумной перегонки нефти. Свойства нефтей разных месторождений отличаются друг от друга, также как и продукты из перегонки. Это отличие определяется как составом и структурой основных углеводородов нефти, так сопутствующими примесями. Большинство электроизоляционных нефтяных масел получают путем очистки от вредных примесей фракций нефти, выкипающих при температуре 300—400° С. Основными углеводородами нефтяных масел являются: парафиновые, нафтеновые, ароматические. Парафиновые углеводороды являются насыщенными, отличающимися значительной химической инертностью, хотя способными окисляться кислородом воздуха при повышенной температуре. Они бывают разной структуры. Наиболее простая структура парафиновых углеводородов может быть представлена полена такой формулой: Н3С—(СН2)n—СН3. При достаточно большом значении n (около 30) углеводороды этого типа становятся твердыми (парафин). Нафтеновые углеводороды (также насыщенные) содержат в структуре молекулы не менее одного кольца, почему их часто называют также циклопарафиновыми. Циклическое строение влияет положительно на химическую стабильность масел. Ароматические углеводороды отличаются наличием в молекуле бензольных ядер (колец). В электроизоляционных маслах ароматические углеводороды обычно бывают в виде примесей к одной из двух вышеуказанных групп. Ненасыщенные углеводороды в электроизоляционных маслах обычно отсутствуют. К вредным примесям, снижающим стабильность масел, в частности стойкость против окисления, относятся разные ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, смолисто- битумные вещества, органические кислоты. Твердые углеводороды (парафин, церезин) вызывают нежелательное повышение температуры застывания масла; поэтому масла парафинистые с большим содержанием твердых углеводородов подвергаются специальной операции депарафинизации. Для удаления вредных примесей дистиллят из малосернистой нефти обычно подвергают кислотно-щелочной очистке, сущность которой заключается в следующем (последовательно): обработка серной кислотой (удаление нестойких примесей), обработка раствором едкого натра (нейтрализация остающейся в масле серной кислоты), промывка водой (удаление продуктов нейтрализации кислоты щелочью - натровых мыл), сушка и очистка центрифугами. Иногда применяют дополнительную контактную очистку масла адсорбентами, т. е. поверхностно-активными минеральными веществами (глина кил, силикагель), обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной поверхностью (до 1000 м2 на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом, при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно соединения, состоящие из дипольных молекул. Этим достигается повышение качества масла, в частности снижение органической кислотности без разрушения основных углеводородов. Снижение кислотности уменьшает проводимость. Получение масел с пониженными диэлектрическими потерями (кабельные, конденсаторные с tg б при 20° С в пределах 0,0002—0,0005) требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов и вакуумной обработки при 60—70° С для сушки и дегазации. Для применений, требующих глубокой очистки масла, кислотно-щелочной способ непригоден. Серная кислота кроме удаления из масла нежелательных примесей может растворять и уносить из масла такие составные части, которые повышают его стабильность. Для получения электроизоляционных масел из сернистой нефти применяют обычно так называемую селективную очистку, заключающуюся в обработке дистиллята растворителем, способным избирательно (селективно) удалять из масла раствори примеси, не влияя на основные углеводороды. «Синтетические жидкие диэлектрики» Трансформаторное и другие электроизоляционные масла нефтяного происхождения обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их tg δ мал, электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие аппараты применяться не могут. Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением ε. Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них. Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила [молекула которого С12Н10 (или Н5С5—С5Н5) состоит из двух фенильных остатков], имеющие общий состав С12Н10-пС1п. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования п от 3 до 6. Из числа применяемых хлорированных дифенилов отметим совол, по составу близкий к пентахлордифенилу С12Н5С15. 1— совол после первой перегонки, 2 — после второй перегонки, 3 — после обработки адсорбентом силикагелем, 4 — после обработки адсорбентом — специальной глиной Рисунок 26 Зависимости tg δ совола разной степени очистки от температуры при частоте 50 Гц На рис.26 изображены зависимости tg δ совола различной степени очистки от температуры; наличие примесей существенно сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенных температурах, но практически не влияет на tg δ в области дипольного максимума потерь. Значение ε совола при 50 Гц и 20° С близко к 5, а при 90° С — к 4,1. Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0° С. Coвол - прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м3. Благодаря высокой температуре застывания (+5° С) и значительной вязкости в области рабочих температур совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями, например гексахлорбутадиеном С12С = СС1 — СС1 = СС12; так, гексол — смесь 20% совола и 80% С4С16 — имеет ε около 3 и температуру застывания ниже минус 60° С. Благоприятными свойствами обладают и смеси хлорированных дифенилов с другими хлорированными соединениями, применяемые для пропитки конденсаторов. Эти смеси, обозначаемые КЖ-30, КЖ-40 и КЖ-50, имеют соответственно значения ε, равные 6,0; 5,9 и 5,8, и температуры застывания минус 30, минус 45 и минус 50° С. Хлорированные дифенилы негорючи. Однако их недостатком является высокая токсичность как самих жидкостей и их паров, так и - в еще большей степени — газов, которые образуются при воздействии электрической дуги на хлорированные дифенилы. Поэтому, например, в Японии применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам Si, различают полиметилсилоксановые (ПМС), полиэтилсилоксановые (ПЭС) и полиметилфенилсилоксановые (ПМФС) жидкости. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20° С значение ε от 2,5 до 3,3 и tg δ 0,0001—0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250° С длительно и до 350° С кратковременно. Фторорганические жидкости имеют весьма малый tg δ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Отдельные фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200° С и выше. Характерными свойствами фторорганических жидкостей являются малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции), высокий температурный коэффициент объемного расширения (значительно больший, чем у других электроизоляционных жидкостей), сравнительно высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями. Фторорганические жидкости способны обеспечивать значительно более интенсивный отвод тепла потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода тепла используется испарение жидкости с последующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров, в особенности под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате. 1 - кремнийорганическая жидкость, 2 — нефтяное трансформаторное масло, 3 —фторорганическая жидкость (С4F9)3N (температура кипения 178° С), 4 — фторорганическая жидкость (C4F9)2О (температура кипения 101° С) Рисунок 27. Превышение температуры обмоток над температурой бака малогабаритного трансформатора в функции нагрузки трансформатора для различных заполняющих жидкостей На рис. 27 представлены зависимости разности температур обмоток и бака малогабаритного трансформатора от его нагрузки для различных заполняющих бак жидкостей. Видно преимущество с точки зрения теплоотвода фторорганических жидкостей перед нефтяным маслом, и тем более перед кремнийорганической жидкостью. Переход кривой 4 через максимум объясняется достижением температуры кипения жидкости при повышении нагрузки. Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги. Тема 3.5 «Высокомолекулярные органические и элементоорганические диэлектрики» В электроизоляционной технике применяются как природные полимеры, так и синтетические, получаемые методом химического синтеза. Сейчас преимущественное значение имеют многообразные синтетические полимеры, обладающие весьма ценными и разнообразными свойствами, часто на практике называемые смолами; природные смолы хотя еще и применяются, но уже не имеют такого большого значения, как синтетические. Синтетические полимеры могут быть получены двумя принципиально различными способами: полимеризации и поликонденсации. Полимеризация — такая химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения элементарного химического состава вещества. При полимеризации происходит сшивка ряда молекул мономера в одну молекулу полимера — высокомолекулярного соединения. Обычной предпосылкой для возможности процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода, которые под влиянием тех или иных факторов (повышенные температура и давление, радиационное облучение, катализаторы и инициаторы) разрываются и обеспечивают сшивку с соседними молекулами. Таким путем из газообразных и жидких мономеров могут быть получены твердые полимеры, называемые полимеризационными. Поликонденсация — это химическая реакция между разнородными низкомолекулярными соединениями, сопровождающаяся обычно выделением побочных продуктов, как, например, воды, водорода, аммиака, хлористого водорода и других, способных в той или иной мере сказываться на свойствах конечного продукта. Поликонденсация — реакция необратимая. Продукты полимеризации могут быть получены более чистыми, поэтому они, как правило, обладают более высокими электроизоляционными свойствами, чем продукты поликонденсации. Исключение могут составлять сильнополярные продукты полимеризации. Полимеры могут классифицироваться по их поведению при нагревании. Некоторые материалы при нагревании плавятся, при охлаждении снова затвердевают, но при повторных нагревах опять плавятся — не теряют способности плавиться. При этом обычно они способны растворяться в определенных растворителях. Такие материалы называют термопластичными (термопластами). К ним относятся, как правило, продукты полимеризации с линейными молекулами. Другой вид материалов — термореактивные — реактопласты. Они при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают, после чего уже не плавятся при повторном нагревании и даже часто не размягчаются. Одновременно теряется способность растворяться в растворителях. Способность переходить в неплавкое состояние при нагревании объясняется наличием в молекулах термореактивного полимера двойных связей или реакционноспособных (функциональных) групп атомов, которые производят поперечную сшивку линейных молекул, создавая сетчатую, пространственную молекулярную структуру, придающую всей молекуле большую жесткость, неподвижность. Иногда для поперечной сшивки добавляют тот или иной побудитель или ускоритель этого процесса. «Полимеризационные синтетические полимеры» Полистирол изготовляется сейчас из синтетического стирола, благодаря чему он стал недефицитен и дешев (раньше применялся натуральный стирол из каменноугольной смолы). Различают полистирол блочный, получаемый при полимеризации непосредственно в среде стирола по радикальному механизму, и эмульсионный, получаемый в виде порошка по ионному механизму из водностирольной эмульсии. Полистирол растворяется в бензоле, толуоле, ацетоне, благодаря чему из него могут быть получены лаки. Из блочного полистирола путем механической обработки могут быть изготовлены различные детали приборов и аппаратов. Эмульсионный полистирол перерабатывается в изделия преимущественно методом литья. Полистирол бесцветен и прозрачен, имеет низкую влагопроницаемость, обладает очень хорошими электроизоляционными свойствами (особенно блочный), благодаря чему получил широкое применение в высокочастотной технике для получения установочных высокочастотных деталей сложной конфигурации и для пленочной изоляции высокочастотных кабелей и конденсаторов. Недостатком обычного аморфного полистирола является низкая теплостойкость. Ударопрочный полистирол представляет собой смесь полистирола с синтетическими каучуками— бутадиеновым или бутадиен-стирольным. Электрические свойства у эмульсионного полистирола ниже, чем у блочного, из-за остатков полярного эмульгатора. Ударопрочный полистирол имеет весьма широкое применение как конструкционный диэлектрик (аккумуляторные баки, корпуса и детали разных приборов и аппаратов). Полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен. Широко применяется в электроизоляционной технике (кабельные изделия) полиэтилен, продукт полимеризации газа этилена. Известны три промышленных способа полимеризации этилена, при которых получаются: полиэтилен низкой плотности — 920—930 кг/м3; полиэтилен высокой плотности (960 - 970 кг/м3); полиэтилен средней плотности (940 -960 кг/м3). Полиэтилен — не неполярный диэлектрик, практически не гигроскопичен, отличается большой гибкостью. Его электрические параметры стабильны и мало изменяются в широких диапазонах температуры и частот, но имеет невысокую температуру размягчения полиэтилена. Полиэтилен при обычной температуре обладает значительной химостойкостью и не растворяется в большинстве органических растворителей. Однако при повышенной температуре полиэтилен заметно окисляется на воздухе, что сопровождается повышением tg δ и снижением механической прочности. Действие прямой солнечной радиации ускоряет старение полиэтилена. Небольшая добавка сажи ослабляет вредное действие солнечных лучей без заметного влияния на электрические параметры полиэтилена. Старение полиэтилена замедляют стабилизаторы. Наличие трех разновидностей полиэтилена и возможность их смещения друг с другом, а также с другими полимерами, например с полипропиленом или полиизобутиленом, позволяет получать изоляцию с разными ценными свойствами. Применяется полиэтилен в виде пленок, изделий сложной формы, изоляции проводов и кабелей. В сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие качество полиэтиленовой изоляции, вследствие чего для силовых кабелей он применяется при сравнительно невысоких напряжениях. Полиизобутилен в зависимости от степени полимеризации может быть получен в виде вязкой жидкости, в вазелиноподобном состоянии или в виде твердого веществах различной эластичностью. Электрические свойства полиизобутилена близки к свойствам полиэтилена. Применяется полиизобутилен как добавка к различным заливочным компаундам, а также в смеси с полиэтиленом для изоляции проводов и кабелей. Такая смесь обладает большей эластичностью и морозостойкостью, чем чистый полиэтилен. Из газа пропилена получают термопластичный, линейный неполярный полимер — полипропилен. Из полипропилена могут быть получены пленки, волокна, ткани, бумаги и фасонные детали методом литья под давлением. Полипропилен практически негигроскопичен. Область применения полипропилена примерно та же, что и полиэтилена; следует, однако, учитывать значительно более низкие холодостойкость и гибкость по сравнению с полиэтиленом. Поливинилхлорид — твердый полимер, сравнительно хрупкий, с низкой холодостойкостью (до —10° С), но высокой водо и влагостойкостью, низкой газопроницаемостью. Нагревостойкость поливинилхлорида может быть несколько повышена добавлением специальных стабилизаторов. Против вредного действия солнечного света, ускоряющего старение, также помогает введение некоторых стабилизирующих материалов (двуокись титана, сажа). Поливинилхлоридный пластикат применяется для изготовления пленок, липких изоляционных лент, электроизоляционных трубок, широко используемых в различных низковольтных схемах, изоляции телефонных и различных монтажных проводов, для получения внешних оболочек кабелей. При воздействии электрической дуги поливинилхлорид выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги. Полиметилметакрилат из-за хорошей прозрачности часто называют органическим стеклом. Это полярный термопластичный диэлектрик с малой гигроскопичностью и значительной химостойкостью; применяется как конструкционно-изоляционный материал, в том числе для изготовления корпусов приборов, шкал, линз и пр. Из-за довольно высоких дугогасящих свойств, применяется в выключающей аппаратуре. Листовое органическое стекло хорошо поддается механической обработке, легко сваривается и склеивается. Фторопласты. Большую группу составляют фтороуглеродистые полимеры, одним из важнейших представителей которых является фторопласт-4. Фторопласт -4 - диэлектрик неполярный, термопластичный. Благодаря замене всех атомов водорода, имеющихся в структуре полиэтилена, атомами фтора, обеспечивающими большую энергию связи, этот продукт обладает исключительно высокой нагревостойкостью. Его рабочая температура доходит до 250° С и выше (в зависимости от продолжительности службы); он исключительно холодостоек (сохраняет эластичность при температуре до минус 100° С). При температуре, превышающей 400° С, фторопласт-4 довольно быстро разлагается. Фторопласт – 4 очень влагостоек, имеет очень малый tg δ в широком частотном диапазоне, негорюч, не смачивается водой. Вполне тропикостоек, не растворяется ни в одном органическом растворителе. По химостойкости он превосходит благородные металлы: золото и платину, что позволило широко использовать его при изготовлении химической аппаратуры. При медленном охлаждении имеет мелкокристаллическую решетку, которая разрушается при температуре около 3270С (температура плавления). Высокие электрические параметры мало зависят от температуры. Фторопласт-4 имеет исключительно низкий коэффициент трения. Существенным недостатком фторопласт -4 является связанная с его термопластичностью и малой твердостью хладотекучесть: при комнатной температуре под нагрузкой около 3 МПа материал «течет» — в нем происходят пластические деформации. Из него делают пленки (можно получить толщиной менее 10 мкм), применяющиеся для производства конденсаторов и изоляции всевозможных обмоток, а также изделия сложной формы. Применяется фторопласт-4 и для изоляции проводов и кабелей. В последнее время его стали применять в комбинации со стеклотканями для изготовления механически прочных нагревостойких материалов. Вследствие сложности технологии производства и переработки фторопласта-4 изоляция на его основе является сравнительно дорогой, поэтому был разработан ряд его разновидностей. Фторопласт-40 имеет большую твердость, чем фторпласт-4 (у него почти отсутствует хладотекучесть). Технология переработки фторопласта-40 значительно лучше, он подвергается обычным методам прессования при повышенной температуре. Фторопласт-42 растворим в некоторых органических растворителях, благодаря чему из него могут изготавливаться лаки, а также пленки и волокна. Фторопласт-40 и фторпласт-42 обладают значительной химостойкостью, тропикостойки. Фторопласт-40 применяется для покрытия проводов, а фторопласт-42 используется в виде лака для влагозащитных покрытий. Температура разложения фторопласта-40 и фторопласта-42 ниже, чем у фторопласта-4. Суспензия порошка фторопласта-40 в спирте, так называемый фторопласт-4Д, применяется для изолирования проводов, а также для нанесения электроизоляционных покрытий. Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) обладает значительно большими диэлектрическими потерями, чем фторопласт-4. Нагревостойкость его ниже; нижний предел рабочей температуры доходит до —195° С. Производство фторопласта-3 и технология его переработки проще и дешевле, чем фторопласта-4. Фторопласт-3 находит применение в кабельном производстве. «Поликонденсационные синтетические полимеры» Поликонденсационные полимеры бывают двух типов: продукты пространственной конденсации и продукты линейной конденсации. Первые могут быть термопластичными и термореактивными. Их применяют как связующее для производства пластмасс, в качестве лаковых основ, в производстве слоистых пластиков. Отличаются малой растяжимостью. Вторые — линейные высокомолекулярные соединения имеют высокий предел прочности при растяжении, большое удлинение при разрыве. Способны вытягиваться в тонкие нити; из них можно получать пряжу,ткани, пленки. Фенолформальдегидные полимеры. Поликонденсационным полимером первого типа является фенол (крезол) формальдегидный, на практике называемый бакелитовой смолой. Путем поликонденсации фенола (С6 Н5 ∙ОН) или крезола (СН3 ∙C6 Н4 ∙СН) с формальдегидом (СН2О) при воздействии тепла в присутствии щелочного катализатора, например аммиака, получается олигомер, называемый резольной смолой, термореактивной, обладающей большой скоростью перехода в неплавкое и нерастворимое состояние при сравнительно невысокой температуре. Скорость отверждения (переход в неплавкое состояние) фенолформальдегидной смолы в зависимости от температуры показана на рис.28. Рисунок 28 Зависимость скорости отверждения фенолформальдегидной смолы от температуры. В исходной смоле остаются непрореагировавший свободный фенол (крезол), остатки воды, катализатор. Поэтому в исходном состоянии — в стадии А (резол) смола обладает невысокими электрическими параметрами. Она является в этой стадии смесью сравнительно низкомолекулярных соединений, имеет невысокую температуру плавления (порядка 55—70° С), хорошо растворят в спирте, ацетоне. При нагревании (или длительном хранении при комнатной температуре) смола переходит в стадию В (резитол), представляющую собой смесь продуктов с разными значениями молекулярных масс, частично полимеризованных. Резитол не плавится, а только размягчается при нагревании, в спирте не растворяется, в ацетоне только набухает. Дальнейшее нагревание приводит к получению конечной стадии С (резит), в которой продукт состоит из высокомолекулярных соединений, неплавких и нерастворимых, с пространственной структурой (трехмерный полимер). При отвержении- переходе в стадию С происходит дальнейшая поликонденсация с выделением воды и ряда продуктов. В стадии С полимер твердый, хрупкий, мало гигроскопичен, имеет более высокие электроизоляционные свойства. Анилинформальдегидный полимер получается при поликонденсации анилина (C6H5-NH2) с формальдегидом. От фенолформальдегидного полимера отличается отсутствием способности полного отверждения при высокой температуре; даже после длительного воздействия анилинформальдегидный полимер сохраняет способность к размягчению, хотя и не плавится. Существенным преимуществом анилиновых полимеров являются: слабо выраженная дипольная поляризация и отсутствие добавочной конденсации при отверждении, что обеспечивает им большую чистоту и более высокие электроизоляционные свойства по сравнению с фенолформальдегидными и позволяет применять их на повышенных частотах. Анилинформальдегидный полимер после термообработки менее хрупок, чем фенолформальдегидный. К числу полимеров пространственной конденсации относятся меламинформальдегидные и карбамидформальдегидные (мочевиноформальдегидные). Первые — продукт конденсации меламина (C3H6N6) с формальдегидом, вторые— продукт конденсации карбамида (мочевины) (NH2)2∙СО с формальдегидом. Отличительной особенностью является большое выделение газообразных продуктов, в частности азота, при воздействии электрической искры и дуги, в силу чего не образуются проводящие науглероженные мостики. Имеют меньшую нагревостойкость и большую влагопроиницаемость. Обладают невысокими электроизоляционными свойствами. Применяются в производстве пластмасс и лаков. Сложные полиэфиры. Глифталевые (алкидные) полимеры получают путем пространственной поликонденсации глицерина С3Н5(ОН)3 и фталевого ангидрида (окисленного нафталина). Для их перевода в неплавкое состояние требуется более высокая температура, чем для фенолформальдегидных олигомеров. Даже при температурах выше 150° С скорость отверждения глифталей остается довольно низкой, поэтому в готовой изоляции они обычно не полностью переведены в неплавкое состояние. Основное их применение — производство электроизоляционных лаков разных назначении и производство слюдяных изоляционных материалов.Сложным полиэфиром является полиэтилентерефталат (лавсан). Из него могут быть изготовлены высокопрочные пленки, волокна, бумага, пряжа, ткани, а также лаки. Пленки широко применяются для изготовления композиционных материалов в сочетании с волокнистыми подложками и слюдяными бумагами, в конденсаторном производстве и являются основой магнитофонных лент. Полиэтилентерефталат обладает малой гигроскопичностью. Сложным полиэфиром угольной кислоты является поликарбонат — термопластичный полимер. При длительном нагревании при 80—130° С поликарбонат кристаллизуется, что придает ему определенную жесткость и повышает теплостойкость. Поликарбонат имеет высокие электрические и механические свойства, химо- и влагостоек. Ценным свойством поликарбоната является высокая стабильность электрических свойств при нагревании до 100—120° С. Из поликарбоната получают пленки для конденсаторов, для изоляции трансформаторов, различных аппаратных катушек, а также детали сложной формы. Особенно ценно его применение в выключающей аппаратуре благодаря высокой дугостойкости. Поликарбонат высокопрозрачный материал. Полиамидные полимеры. Представителями этой группы полимеров являются анид и найлон. Полиамиды имеют высокие механические свойства, большую упругость, малый коэффициент трения, большую износостойкость при трении. Полиамиды хорошо перерабатываться в изделия методом литья под давлением с учетом высоких механических свойств, поэтому из них изготавливают различные изоляционно-конструкционные и чисто конструкционные детали: каркасы, втулки и пр., а также шестерни в различных приборах и аппаратах. Из полиамидных смол изготавливаются очень прочные нити и ткани, применяющиеся в электроизоляционной технике взамен шелковых, а также пленки. Кремнийорганические полимеры — полиорганосилоксаны. Эти полимеры получают по довольно сложной технологии, основными видами которой являются реакции гидролиза и поликонденсации. Отличительными свойствами полиорганосилоксанов являются: высокая нагревостойкость, стойкость против действия озона и солнечной радиации. Эпоксидные полимеры. Называются также эпоксисмолами. Эпоксидные полимеры отличаются высокими механическими свойствами, хорошей короностойкостыо. На их основе, в частности, в сочетании с полиэфирами, изготовляют лаки разных назначений, пропиточные и заливочные составы без растворителей; слюдосодержащие материалы, в том числе ленточные, для высоковольтных электрических машин; литую изоляцию для разных высоковольтных приборов и аппаратов, трансформаторов тока и напряжения; клеи различных назначений. «Природные смолы» Шеллак получают очисткой гуммилака, который выделяется некоторыми видами насекомых на ветвях тропических деревьев. Свежий шеллак, поступающий в продажу в виде чешуек от светло - желтого до темно-коричневого цвета, плавится при температуре около 100° С. При длительном воздействии высокой температуры температура плавления повышается, шеллак даже может фактически потерять способность плавиться. Одновременно снижается и растворимость шеллака. В свежем виде он хорошо растворяется в спирте. Благодаря хорошей склеивающей способности шеллак применяется в производстве клееной слюдяной изоляции. Канифоль (гарпиус) получают из смолы (живицы) некоторых хвойных деревьев(сосны). Растворяется в спирте, скипидаре, бензине, нефтяных и растительных маслах и некоторых других растворителях. Применяется в производстве некоторых электроизоляционных лаков и пропитывающих составов, а также как добавка к нефтяному маслу для увеличения вязкости при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей. Копалы — ископаемые смолы, добываемые преимущественно в Африке и Юго-Восточной Азии. Раньше благодаря растворимости в растительных маслах они довольно хорошо применялись в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вытеснены синтетическими полимерами. Янтарь также ископаемая смола, обладающая очень высокими электрическими параметрами. Янтарь очень мало гигроскопичен. Хорошо полируется. Его температура плавления выше 300° С. Раньше применялся главным образом для изготовления изоляционных деталей электроизмерительных приборов. В настоящее время янтарь (как диэлектрик) успешно заменяется фторопластом -4 и полистиролом. 1. Природные смолы. К природным (естественным) смолам принадлежат продукты жизнедеятельности животных или растительных организмов. Из естественных смол в производстве электроизоляционных лаков и компаундов наиболее широко применяется канифоль, значительно меньше шеллак и копалы. Природные растительные смолы получают упариванием растительных соков, которые вытекают из растений естественным путем или при надрезании стеблей и стволов. Их можно экстрагировать из растительного сырья такими растворителями, как спирт и эфир. К растительным смолам относится, например, сосновая канифоль, а также смола, получаемая из клубней скаммонии (вьюнка смолоносного Convolvulus scammony), и ископаемые окаменелые смолы янтарь и копал. Смолы животного происхождения редки. Одна из них, шеллак, представляет собой выделения лаковых червецов, живущих на растениях семейства мимозовых в Индии. Некоторые растительные смолы используют в медицине; так, смола скаммонии применяется как слабительное. Другие смолы, например, шеллак, входят в состав политур. Имеется множество сортов синтетических смол, используемых для получения пластмасс. Канифоль (гарпиус)-хрупкая прозрачная в тонком слое смола, получаемая из смолы (живицы) хвойных деревьев, преимущественно сосны, способом отгонки жидких составных частей -- терпентинного масла (скипидара). Состав живицы может колебаться в зависимости от условий местности и сорта живицы. Другой способ добывания канифоли -- экстракционный, заключающийся в том, что куски дерева, пни, ветви обрабатываются растворителями, которые затем подвергаются разгонке. Существуют также смолы деревьев других хвойных пород, например, кедра, пихты и лиственницы. Их обычно называют бальзамами. Пихтовый бальзам (канадский бальзам), отличается очень высокой степенью прозрачности и нормированным показателем преломления. Его применяют в качестве клея для склеивания оптических линз. По химическому составу канифоль состоит главным образом из абиетиновой кислоты и ее изомеров, остальное - неомыляемые, зола, влага и механические примеси. Содержание кислот в канифоли составляет 85 -90%. Канифоль хорошо растворима в спирте, бензоле, скипидаре, минеральных и растительных маслах. При нагревании выше температуры плавления значительно увеличивается проводимость и tg δ. Канифоль применяется в чистом виде для изготовления заливочных кабельных масс, пропиточных компаундов, искусственных копалов и модификации полиэфирных смол. Чаще всего канифоль применяется в виде различных препаратов: эфира гарпиуса (глицериновый эфир канифоли) и резинатов, представляющих собой соли абиетиновых кислот (марганцовые, кобальтовые, кальциевые и др.). Введение в состав электроизоляционных лаков больших количеств канифоли значительно снижает их влаго и водостойкость и способствует размягчению при повышенных температурах. О канифоли создается впечатление, как о хорошем диэлектрике. И многие заблуждаются, читая вышеуказанные характеристики. Но это не так: во-первых, ее реальное объемное сопротивление на три порядка меньше указанных расчетных значений, во-вторых, она совершенно не устойчива к воздействию атмосферной влаги: гидролизуется и омыляется. Поэтому она может использоваться только в герметичных электроизоляционных конструкциях, в силовых кабелях и т.д. Об этом приходится говорить, поскольку некоторые технологи, заблуждаясь, оставляют канифоль на платах после пайки, не смывая ее, ссылаясь на вышеуказанные электроизоляционные характеристики. Не зная, что продукты ее гидролиза -- коррозионная среда, разрушающая всю конструкцию. В настоящее время канифоль практически не используется в составе различных радиофлюсов, а заменяется ее синтетическими аналогами. Например, фенолформальдегидными смолами (новолаками). Шеллак. Шеллак получают из гуммилака, представляющего собой смолу, образующуюся на ветвях тропических растений вследствие укуса особого насекомого, которое, перерабатывая сок в своем организме, выделяет его в виде смолы, называемой гуммилаком. Главные места добычи гуммилака: Индия, Бирма, Малайские острова, Индонезия. Шеллак получают в виде чешуек -- от светло-лимонного до темно-оранжевого цвета, в зависимости от степени очистки. По химическому составу шеллак состоит главным образом из эфиров алейритиновой (C16 H 32 O 5) и шеллоновой (C 15 H 20 O 5) жирных кислот. Торговый шеллак содержит шеллачной смолы 83 -86%, шеллачного воска 3 -6%, влаги до 2%, красящие вещества и другие примеси. При нагревании (до 35 °С) шеллак становится пластичным и при 80 °С плавится; продолжительный нагрев при 100 -110 °С приводит шеллак к потере способности плавиться и растворяться. Растворяется шеллак лучше всего в спирте, аммиаке, в растворах едких щелочей, соды, буры. Шеллак хорошо сплавляется с канифолью, глифталями, битумами и другими смолами. Шеллак обычно применяется в виде спиртовых растворов (лаков) различной концентрации, а также в виде сухого порошка. В производстве электроизоляционных лаков шеллак применяется в ограниченном количестве; в виде порошка идет для изготовления некоторых марок коллекторного миканита. Копалы. Копалы представляют собой смолы, обычно ископаемые, растительного происхождения, добываемые главным образом в тропических странах, и обозначаются географическими названиями мест, где они добываются. В СНГ копалы имеются на Кавказе, на Дальнем Востоке и в Калининградской области на побережье Балтийского моря (янтарь). Копалы представляют собой твердые вещества в виде кусков различной формы, цвета и прозрачности, отличающиеся высокой температурой плавления. Янтарь обладает наивысшей твердостью и температурой плавления по сравнению с другими ископаемыми смолами. Янтарь, почти нерастворим ни в каких растворителях. Температура его размягчения 175 -200 °С, температура плавления -- выше 300 °С. Расплавленный янтарь растворяется в скипидаре, сероуглероде, бензине и маслах. Янтарь имеет очень высокие диэлектрические свойства, особенно высокое сопротивление изоляции, что делает его ценным диэлектриком для изготовления электроизмерительных приборов. Янтарь нужно выделить как самый лучший природный диэлектрик. Его до сих пор используют в электрометрах и электретах. Спиртовой раствор янтаря -- хороший флюс, остатки которого действительно не нужно смывать, если платы потом не лакируют. Его остатки -- диэлектрик. Для изготовления подобных флюсов вполне можно применять «несортовой », так называемый технический янтарь. Нерастворимые в спирте примеси легко отделяются методом центрифугирования с дальнейшей фильтрацией. В дополнение к микропористым фильтрам идут также ионообменные смолы, которые осуществляют еще более тонкую очистку. В производстве электроизоляционных лаков копалы ранее очень широко применялись для изготовления высококачественных масляно-копаловых лаков. В связи с развитием промышленности синтетических смол они потеряли свое значение, и применение их очень ограничено. 2. Твердые органические диэлектрики. К органическим диэлектрикам относятся материалы, в составе которых находится углерод. В качестве добываемые преимущественно в Африке и Юго-Восточной Азии. Раньше благодаря растворимости в растительных маслах они довольно широко применялись в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вытеснены синтетическими полимерами. Я Янтарь - также ископаемая смола, добываемая в России, обладающая очень высокими электрическими параметрами: удельное сопротивление органических диэлектриков в промышленности применяют как природные, так и синтетические полимеры, которые получают методом химического синтеза. Часто их называют смолами. Открытие синтетических полимеров сыграло большую роль в развитии многих отраслей, в том числе электротехники и радио-электроники. Большинство органических диэлектриков представляют собой высокомолекулярные вещества, которые содержат очень большое число атомов или простейших молекул. Основу многих высокомолекулярных диэлектриков составляют полимерные соединения, которые получают из мономеров (низкомолекулярных соединений) в процессе реакций полимеризации или поликонденсации. Полимеризация - это процесс соединения большого числа мономеров с образованием нового высокомолекулярного вещества (полимера) без выделения побочных продуктов реакции. Поликонденсация - это процесс соединения разнородных мономеров с образованием полимера и выделением побочного продукта реакции. Свойства полимеров определяются химическим составом, взаимным расположением атомов и строением макромолекул. По строению макромолекулы полимеров делятся на линейные (нитевидные) и пространственные (сетчатые). Линейные полимеры представляют собой сочетание звеньев одной определенной структуры. Сочетание двух или трех химически различных звеньев образуют полимеры, которые называют совмещенными или сополимерами. Линейные полимеры относят к термопластичным материалам. Они обладают следующими свойствами: температура размягчения 50...120°С, сравнительно высокий температурный коэффициент объемного расширения ТКР, невысокая теплостойкость, легко деформируются при нагревании и затвердевают при охлаждении, имеют аморфную структуру и при нагревании плавно переходят из твердого состояния в жидкое или текучее. Электрические свойства линейных полимеров зависят от расположения атомов или определенной группы атомов в цепи макромолекулы. Линейные полимеры с несимметричным строением атомов являются полярными и имеют большие диэлектрические потери. Линейные полимеры с симметричным строением мономеров являются неполярными и имеют малые диэлектрические потери. Большинство материалов на основе линейных полимеров имеют аморфную структуру и при нагревании плавно переходят из твердого состояния в жидкое или текучее. Некоторые полимеры склонны к образованию кристаллов, т. е. способны кристаллизоваться. В пространственных полимерах макромолекулы связаны поперечными химическими связями. Пространственные полимеры относятся к термореактивным материалам. Они обладают следующими свойствами: большая жест-кость, чем у линейных полимеров; при нагревании не размягчаются; не гибкие; не способны образовывать пленки и волокна; не растворяются в растворителях. По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные материалы (термопласты) характеризуются тем, что нагревание до температуры, соответствующей пластическому состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств . Они тверды при достаточно низких температурах, но при нагревании становятся пластичными и легко деформируются. В настоящее время термопластичные материалы составляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротехнической промышленностью полимерных материалов. В термореактивных (термоотверждающихся) материалах при достаточной выдержке при высокой температуре происходят необратимые процессы, в результате которых они теряют способность плавится и растворяться, становясь твердыми и механически прочными. 3. Полимеризационные синтетические полимеры Полимеризационные синтетические полимеры получают в процессе полимеризации под действием теплоты, давления, ультрафиолетовых лучей, а также инициаторов и катализаторов. При полимеризации двойные и тройные связи мономеров разрываются и молекулы, соединяясь между собой, еще больше удлиняются. Наибольшее распространение получили блочный, эмульсионный, лаковый и газовый способы полимеризации. Блочный способ полимеризации состоит в том, что предварительно очищенный от примесей жидкий мономер смешивают с катализатором, заливают в нагретую до определенной температуры форму и выдерживают при этой температуре до полного окончания процесса полимеризации. В результате получают твердые блоки материала, которые поступают в дальнейшую переработку. Таким способом получают полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло). Эмульсионный способ полимеризации представляет собой процесс, при котором исходный жидкий мономер с помощью эмульгатора- (Эмульгатор - это вещество, способствующее образованию эмульсий; эмульгаторами являются мыла, желатины и многие синтетические вещества.) превращают и мельчайшие капельки, взвешенные и другой жидкости, которая не растворяет этот мономер (вода, бензин и др.). В полученную эмульсию (Эмульсия - это жидкость, в которой находятся во взвешенном состоянии микроскопические капельки другой жидкости.) вводят инициатор (Инициатор - это зачинатель цепной химической или ядерной реакции в результате внешнего воздействия на систему.) и массу нагревают до температуры, при которой начинается химическая реакция. В процессе полимеризации эмульсию постоянно перемешивают. В результате получают порошкообразный полимер, незначительно загрязненный эмульгатором, что снижает его диэлектрические свойства. Затем порошок подвергают грануляции. Таким способом получают поливинилхлорид, нитрон. Лаковый способ полимеризации осуществляется непосредственно в мономере, который растворяется в определенном растворителе. Таким способом получают поливинилацетат. При газовом способе полимеризация осуществляется в газовой фазе в присутствии катализатора при температуре примерно 200°С и высоком давлении. Этот способ применяют в том случае, когда мономеры не полимеризуются ни по одному из перечисленных способов. Таким способом получают полиэтилен высокого давления. К полимеризационным синтетическим полимерам относятся полимерные углеводороды, фторорганические полимеры, кремнийорганические полимеры (полисилоксаны). Полимерные углеводороды. К ним относят полистирол, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), винипласт, полиметилметакрилат (оргстекло) и др. Полистирол - твердый прозрачный материал, неполярный диэлектрик с высокими электроизоляционными свойствами. Он является продуктом полимеризации мономерного стирола в присутствии различных инициаторов (перекисей, гидроперекисей). По способу получения полистирол делится на блочный и эмульсионный. Полистирол обладает следующими свойствами: температура размягчения т раз =110... 120 °С; теплостойкость по Мартенсу 78...80°С; низкая гигроскопичность; водостоек; малое значение тангенса угла диэлектрических потерь tg δ; устойчив к воздействию нейтронов и у-лучей; не растворяется в спиртах, парафиновых углеводородах; стоек к действию щелочей и ряда кислот. К недостаткам полистирола относят: хрупкость при пониженных температурах; склонность к старению с образованием трещин; растворимость в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле), хлороформе, концентрированной кислоте; невысокую нагревостойкость. Теплостойкость и механическую прочность полистирола повышают сополимеризацией стирола с другими мономерами и совмещением его с каучуками. Сополимеры стирола обладают более высокой теплостойкостью и механической прочностью, но их диэлектрические свойства хуже. Полистирол - один из лучших высокочастотных диэлектриков. Он применяется для изготовления каркасов индуктивных катушек, корпусов радиоприемников и телевизоров, плат переключателей, для изоляции кабелей и конденсаторов. Из блочного размягченного полистирола способом вытягивания получают электроизоляционные нити и гибкие полистирольные пленки. Полистирольная пленка для радиодеталей должна быть прозрачной, без поверхностных загрязнений, пор, изломов, царапин и трещин. Детали из полистирола получают литьем под давлением; прессованием и механической обработкой. После изготовления детали подвергают термообработке при температуре 70...80°С в течение. 2... 3 ч, а затем медленно охлаждают для снятия внутренних напряжений и предупреждения образования трещин. Полиэтилен - твердый белый или светло-серый материал без запаха, неполярный диэлектрик, полученный в результате реакции полимеризации газа этилена. Электроизоляционные, свойства так же высоки, как и у полистиролов, но отличаются высокой стабильностью. В отличие от полистирола полиэтилены содержат значительное количество кристаллической фазы. Полиэтилен обладает следующими свойствами: высокая морозостойкость (сохраняет гибкость при температуре -70°С); высокая влагостойкость, не гигроскопичен; устойчив к действию крепких кислот (кроме азотной), щелочей и многих растворителей; при комнатной температуре не растворим ни в одном растворителе; стоек к плесени; газонепроницаем; стоек к истиранию и вибрациям; в пламени горит и оплавляется; предельная рабочая темпера-тура 100°С (прочность начинает уменьшаться только при нагревании выше 60°С). К недостаткам полиэтилена относят: тепловое старение приводит к образованию трещин на поверхности изделий; при нагревании до температуры 80°С и выше растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах; под действием концентрированной серной кислоты чернеет, а в концентрированной азотной даже при комнатной температуре набухает, увеличиваясь в массе на 4,6% в течение 85 сут.; под воздействием тепла, ультрафиолетового излучения, кислорода воздуха стареет; и сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие качество изоляции. Для получения электроизоляционного материала с необходимыми свойствами смешивают полиэтилен трех разновидностей друг с другом или с другими полимерами, а также подвергают ионизирующему облучению. Благодаря высоким электроизоляционным свойствам полиэтилен широко применяется как конструкционный материал для изготовления каркасов катушек, деталей, работающих в цепях высокой частоты. Полиэтиленовые пленки толщиной от 0,02 до 0,2 мм применяются при изготовлении кабелей и проводов. В микроэлектронике применяют полиэтиленовые трубы в качестве соединительных шлангов, в установках для очистки различных газов, а также трубопроводов для подачи и разлива особо чистой воды и для изготовления посуды для хранения, транспортировки жидких неорганических химикатов. Известны три основных промышленных метода получения полиэтилена: полимеризация этилена при давлении примерно 300 МПа и температуре примерно 200°С; в присутствии инициаторов (кислорода, органических перекисей). Полученный таким методом полиэтилен называют полиэтиленом высокого давлении. Он содержит 55...67 % кристаллической фазы и выпускается бесцветным и окрашенным; полимеризация этилена при давлении 0,3...0,6 МПа и температуре примерно 80°С в присутствии металлоорганических катализаторов. Полученный полиэтилен низкого давления содержит 75...85°/о кристаллической фазы и имеет более высокие механические свойства и более высокую температуру плавления, чем полиэтилен высокого давления; полимеризация этилена при давлении 40 атм. и температуре примерно 150°С с использованием катализаторов оксидов металлов переменной валентности. Полученный полиэтилен среднего давления обладает наиболее упорядоченной структурой и содержит до 95% кристаллической фазы. Одним из основных методов изготовления изделий из полиэтилена является литье под давлением при температуре 150...180°С. Пластины, блоки, листы и стержни из полиэтилена легко поддаются механической обработке резанием, сверлением, фрезерованием на станках, применяемых для обработки металлов. Полипропилен - линейный неполярный полимер, полученный полимеризацией газа пропилена аналогично полимеризации этилена низкого давления...Он обладает такими же электроизоляционными свойствами, как полиэтилен. Полипропилен имеет температуру размягчения 160...170°С (выше, чем у полиэтилена); повышенную температуру плавления т пл. до 200 °С; водостойкость; хорошие механические свойства; более хорошую холодостойкость и гибкость, чем полиэтилен; эластичность (удлинение при разрыве 500...700%). Полипропилен применяют как комбинированный бумажно-пленочный диэлектрик в силовых конденсаторах, как пленочный диэлектрик в обмоточных проводах Полипропилен перерабатывается в изделии теми же способами, что и полиэтилен; его выпускают в виде порошка, гранул, из него могут быть получены пленки, волокна, ткани и фасонные изделия. Поливинилхлорид (ПBX) -- белый мелкодисперсный порошок. Линейный полярный полимер, полученный в результате полимеризации газообразного мономера винилхлорида в присутствии эмульгаторов (желатина, поливинилового спирта) и инициаторов (перекиси водорода, перекиси ацетилена). Вследствие полярного строения поливинилхлорид имеет пониженные электрические свойства по сравнению с неполярными, но удельное электрическое сопротивление почти не изменяется при повышении температуры до 90°С. Поливинилхлорид не растворяется в воде, бензине, спирте; растворяется в дихлорэтане и метиленхлориде; набухает в ацетоне и бензоле. При нагревании выше 140°С под действием света поливинилхлорид разлагается с выделением хлористого водорода. Выделяющийся газ вредно действует на организм человека и вызывает коррозию аппаратуры. Этот процесс сопровождается изменением физико-механических свойств: снижается прочность, относительное удлинение при разрыве; повышается хрупкость, приводящая к появлению трещин; меняется цвет. В зависимости от способа полимеризации изготавливают суспензионный (Это дисперсная система, состоящая из двух фаз - жидкой и твердой, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости) и латексный (Это сок каучуковых растений с содержанием до 30% каучука. В промышленности используют также синтетические латексы - водяные дисперсии синтетического каучука.) поливинилхлориды. Суспензионный поливинилхлорид выпускают для кабельного светотермостойкого изоляционного материала, для кабельного пластиката и для изготовления винипласта. Винипласт - твердый, не содержащий пластификатора полимер, который получают горячим прессованием порошкообразного или пленочного поливинилхлорида. Винипласт обладает следующими свойствами: предельная рабочая температура 80°С; устойчив к действию бензина, масел, спиртов-, фенола; до температуры 40°С устойчив к действию концентрированных кислот, щелочей, растворов coлeй, хлора; высокая прочность на удар; хорошая механическая прочность; низкая гигроскопичность; хорошие электроизоляционные свойства; низкая холодостойкость-; низкая теплостойкость. Винипласт перерабатывается в изделия ударным прессованием при температуре 165 °С, механической обработкой, сваркой, склеиванием. Пленки из винипласта применяют для изоляции водопогруженных электродвигателей, разделения катодных и анодных пластин, в аккумуляторных батареях и другой электрической аппаратуре, работающей в условиях повышенной влажности и воздействии кислот. В качестве конструкционного материала винипласт используют для изготовления гальванических ванн, кислотостойкой посуды (емкостей для хранения кислот, воронок для слива отработанных кислот, щелочей и др.). Латексный поливинилхлорид используют для изготовления прочных пластиков, мягкой пленки, технической пасты и изоляционных изделий. Свойства поливинилхлоридов можно изменять в широких пределах, вводя различные добавки: пластификаторы, стабилизаторы, наполнители, красители, получая пластикаты. С увеличением содержания пластификатора в композиции прочность пластикатов уменьшается, относительное удлинение увеличивается; а диэлектрические свойства ухудшаются, однако они обладают более высокой холодостойкостью (до --50°С) и большой эластичностью. Поливинилхлоридный пластикат применяют для изготовления пленок, изоляционных лент, монтажных и телефонных проводов, трубок, в качестве специальных светотермостойких изоляционных и шланговых материалов. При воздействии электрической дуги поливинилхлорид выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги. Полиметилметакрилат (оргстекло, плексиглас) - прозрачный бесцветный материал, полярный диэлектрик, который по-лучают в результате полимеризации эфиров метакриловой кислоты. Полиметилметакрилат имеет малую гигроскопичность, высокую химическую стойкость; легко сваривается в специальных устройствах при температуре 140...150°С с применением давления на свариваемые поверхности 0,5...1,0 МПа, склеивается полярными растворителями. Применяют органическое стекло для изготовления корпусов приборов, шкал, линз, а также в качестве дугогасящего материала, так как оно обладает свойством выделять при воздействии электрической дуги большое количество газов (СО, Н2, СО2, пары H20). Фторорганические полимеры. Одним из существенных недостатков органических синтетических полимеров является пониженная теплостойкость. Для большинства органических полимеров допустимые рабочие температуры от --60 до + 1200С. Углерод, составляющий основу органических полимеров, на воздухе, а тем более при нагревании, может окисляться, что приводит к разрушению полимера. Для повышения теплостойкости в качестве основы для органических полимеров используют кроме углерода фтор, кремний, титан и др. Наибольшее распространение получили фторорганические (фторопласты) и кремнийорганические полимеры (полисилоксаны). Фторопласты - кристаллические полимеры фторпроизводных этилена, где атомы водорода замещены фтором. Введение в молекулу полимера фтора, который прочно связывается с углеродом, повышает теплостойкость и химическую стойкость получаемого материала. Их получают и автоклавах полимеризацией газообразных низкокипящих мономеров при повышенном давлении. В радиоэлектронике наиболее часто используют фторопласт-4 (политетрафторэтилен) и фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен). Фторопласт-4 - белый или сероватый материал с более высокой плотностью, чем у других органических полимеров. Цифра 4 указывает на число атомов фтора в молекуле мономера. Он выпускается также под названием фторлон-4, а за рубежом - под названием тефлон. Фторопласт-4 обладает следующими свойствами: рабочий диапазон температур от-250 до +250°С; высокие диэлектрические свойства, мало зависящие от температуры; хорошие вакуумные свойства; наиболее химически стойкий материал из всех известных полимеров (его устойчивость к химическому воздействию выше, чем у золота, платины, стекла, фарфора, эмали, т. е. тех материалов, которые применяют для защиты от коррозии в самых сильнодействующих агрессивных средах; не смачивается водой и не набухает в ней; не растворяется ни в одном растворителе; не горит; по электроизоляционным свойствам принадлежит к лучшим из известных диэлектриков; абсолютно стоек в тропических условиях и не подвержен действию грибков. К недостаткам фторопласта-4 относят: выделение ядовитого газообразного фтора в результате разложения при температуре выше 400°С, низкую радиационную стойкость, сложную технологию переработки, высокую стоимость, сравнительную мягкость и склонность к хладотекучести. Из фторопласта-4 изготавливают тонкие конденсаторные и электроизоляционные пленки толщиной 5...200 мкм. В зависимости от способа изготовления выпускаются ориентированные и неориентированные пленки. В радиоэлектронике из фторопласта изготавливают химическую посуду для выполнения технологических операций в агрессивных средах; в оснастке для температурных испытаний, так как он хорошо переносит резкую смену температур в широком диапазоне; в вакуумных вентилях. Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) - полимер трихлорэтилена, в результате замены в элементарном звене одного атома фтора на атом хлора превращается в полярный диэлектрик. Фторопласт-3 обладает следующими свойствами: нижний предел рабочей температуры 195 °С; более высокие механические свойства, чем у фторопласта-4; влагостойкость выше, чем у фтороплас-та-4; нагревостойкость ниже, чем у фторопласта-4, составляет 125°С; уступает фторопласту-4 по электрическим свойствам; высокая химическая стойкость, но ниже, чем у фторопласта-4; влагостоек; высокая дугостойкость; технология получения проще, чем фторопла-ста-4; дешевле фторопласта-4. Выпускается в вице тонкого порошка белого цвета или полупрозрачного роговидного поделочного материала. Применяется главным образом в виде суспензий для антикоррозионных покрытий. Спиртовые суспензии фторопласта-3 используют для получения покрытий на металлах (и том числе и на меди) и керамике. Эти покрытия сохраняют свои свойства при температуре выше 100°С. Изоляция проводов и кабелей из фторопласга-3 позволяет эксплуатировать их при температуре 150 °С во влажных и агрессивных средах. Кремнийорганические полимеры (полисилоксаны) представляют собой материалы, которые являются промежуточным звеном между органическими и неорганическими материалами. В их состав кроме характерного для органических полимеров углерода С входит кремний Si. Основу строения их молекул образует силоксанная цепь чередующихся атомов кремния и кислорода. Кремнийорганические полимеры могут быть термопластичными с линейным строением и термореактивными с образованием пространственных структур. Энергии силоксановой связи Si -- О больше, чем энергия связи между двумя атомами углерода С - С, что и определяет более высокую нагревостойкость кремнийорганических полимеров по сравнению с большинством из рассмотренных. Атом кремния, связанный с кислородом, не может окисляться дальше, поэтому молекулы образовавшегося полимера при нагревании не распадаются и вещество обладает повышенной нагревостойкостью-. Кремнийорганические полимеры обладают следующими характеристиками: высокие электроизоляционные свойства; дугостойкость; теплостойкость (способны длительно выдерживать температуру до 200 °С и кратковременно до температуры 5000С); водостой-кость (гидрофобность), не смачиваются водой, так как образуют на поверхности тончайшую пленку, которая не впитывается и не пропускает воду; устойчивость к действию грибковой плесени; морозостойкость; плохая адгезия (Это слипание поверхностей двух разнородных твердых тел или жидкостей) к большинству других материалов; низкая маслостойкость; достаточно высокая стоимость. В зависимости от исходных веществ и технологии изготовления получают кремнийорганические пластмассы, клеи, лаки, компаунды. 4. Поликонденсационные синтетические полимеры. В реакции поликонденсации участвуют не менее двух химических веществ. В результате образуются полимеры пространственной структуры, из которых получают прочные и теплостойкие термореактивные материалы. Продуктами поликонденсации являются: фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и полиамидные смолы. Фенолформальдегидные смолы. Фенолформальдегидные смолы получают путем поликонденсации фенола в водном растворе формальдегида при температуре 70...90°С в присутствии катализатора (кислоты или щелочи). Они могут быть термореактивными и термопластичными. Важнейшей особенностью фенолформальдегидных смол является их способность в сочетании с различными наполнителями образовывать фенопласты , которые обладают следующими свойствами: высокая прочность, хорошие электроизоляционные свойства, способность длительное время функционировать при высоких температурах, способность функционировать в любых климатических условиях. Фенолформальдегидные смолы способны совмещаться со многими полимерами и образовывать сополимеры, которые обладают свойствами фенопласта и всеми положительными качествами совмещенного с ним компонента. Эти смолы подразделяют на резольные и новолачные.Если процесс ведут с избытком формальдегида в присутствии щелочи, то получают смолу, которая называется бакелитовой. Она может находиться в трех стадиях: резол (находится в твердом или жидком состоянии, может растворяться в органических растворителях и плавиться); резитол (твердая смола, не растворяется в орга-нических растворителях, но набухает в них; не плавится, но может размягчаться при повышении температуры); резит (твердая смола, не набухает в растворителях, не плавится, обладает механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, устойчива в водных и слабокислых средах, бензине, маслах). Резольные смолы - термореактивные материалы, полярные диэлектрики. Применяются для изготовления таких слоистых пластиков, как текстолит, гетинакс; для композиционных прессматериалов (фенопластов); трубок, клеев и других материалов. Если процесс ведут с избытком фенола в присутствии кислых катализаторов (соляной или щавелевой кислоты), то получают твердые, хрупкие, прозрачные термопластичные смолы, которые называют новолаками. Новолаки термопластичны, плавятся при нагревании до температуры 100...120°С; растворяются в спирте, ацетоне и других органических растворителях. Они имеют невысокие электроизоляционные свойства, особенно во влажной атмосфере; низкую стойкость к искровым разрядам. Новолачные смолы отличаются друг от друга содержанием фенола (от 2 до 9%). При добавлении 10...15%-го уротропина они переходят в термореактивный резит. Применяют для изготовления корпусов приборов, плат, разъемов, различных кнопок и ручек управления радиоаппаратуры, лака и как заменитель шеллака (Это смола, выделяемая насекомыми, обитающими на побегах некоторых тропических растений; применяется для изготовления лаков и политур.). Полиэфирные смолы. Полиэфирные смолы получают в результате реакции поликонденсации различных многоатомных спиртов (гликоля, глицерина и др.) и многоосновных органических кислот (фталевой, малеиновой и др.) или их ангидридов. По физическим свойствам они близки к природным смолам (канифоль, шеллак). Из полиэфирных смол наибольшее распространение получили лавсановая смола (полиэтилентетрафталат), глифталевая смола, поликарбонаты. Лавсановую смолу (полиэтилентетрафталат, лавсан) получают поликонденсацией терефталевой кислоты и этиленгликоля. Он является термопластичным диэлектриком кристаллического или аморфного строения. В результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля при медленном охлаждении образуется непрозрачный кристаллический лавсан (кристаллическая фаза до 7.5°/о). Кристаллический лавсан имеет высокую температуру плавления 265°С; высокую механическую прочность в широком диапазоне температур; хорошие электроизоляционные свойства; стоек к действию слабых щелочей, соляной кислоты, эфиров, масел, жиров, плесени и грибков; не устойчив к действию крепкой азотной и серной кислот, фенола, хлора; светопроницаемость пленки такая же, как у стекла, а также имеет малые гигроскопичность и газопроницаемость. Кристаллический лавсан стареет под действием солнечных лучей. Лавсан кристаллического строения применяют для изготовления волокон, пряжи, тканей, тонких электроизоляционных пленок. Волокна и пленки используют для изоляции проводов и кабелей. Лавсановая конденсаторная пленка обладает высокой электрической прочностью и повышенной нагревостойкостью. В результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты, этиленгликоля, глицерина к отвердителя (бутилтитаната) при быстром охлаждении получают прозрачный аморфный лавсан. Аморфный лавсан используют при изготовлении эмалирован-ных проводов, при производстве электроизоляционных лаков. Пленки лавсановых лаков термореактивны, т. е. не размягчаются при нагревании. Глифталевую смолу получают из простейшего трехатомного спирта глицерина и избыточного количества фталевого ангидрида при температуре 150...200°С в алюминиевых котлах. Это термореактивные смолы с ярко выраженными дипольнорелаксационными потерями. Глифталевые смолы обладают следующими свойствами: высокая нагревостойкость, до температуры 130°С, высокая гибкость, достаточно высокая твердость, высокая клеящая способность, растворимость в органических растворителях, размягчаются при нагревании, повышенная гигроскопичность при неполной полимеризации, стойкость к поверхностным разрядам. Применяют как основу для клеящих, пропиточных и покрывных лаков, пленки которых стойки к нагретому минеральному маслу; для изготовления лаков, пластмасс, клеев. Поликарбонаты - это полиэфиры угольной кислоты. Поликарбонаты имеют хорошие электрические и механические свойства, относительно высокую температуру размягчения (кристаллический поликарбонат размягчается при температуре 140°С), хорошую химическую стойкость, невысокую гигроскопичность. Применяют поликарбонаты для изготовления слоистых пластиков, компаундов, пленок для изоляции в электрических машинах. Кремнийорганические смолы. Кремнийорганические полимеры (смолы) с пространственной структурой являются термореактивными Кремнийорганические смолы обладают высокой нагревостойкостью до температуры +250°С', высокой холодостойкостью до температуры -60°С; хорошими диэлектрическими свойствами, которые мало зависят от температуры; малой гигроскопичностью; химической инертностью. В промышленности кремнийорганические смолы применяют для изготовления электроизоляционных материалов, таких как стеклотекстолиты, слюдяная изоляция, компаунды, кремнийорганический лак, покрывные эмали, резиностеклоткани и др. Эпоксидные смолы. Эпоксидные смолы получают в результате хлорирования глицеринов с двухатомными или многоатомными фенолами в щелочной среде. В структуре эпоксидных смол содержится не менее двух эпоксидных групп, в результате связывания которых происходит их отвердение. В чистом виде эпоксидные смолы представляют собой термопластичные низкоплавкие жидкие материалы, которые легко растворяются во многих органических растворителях (ацетоне, толуоле, хлорированных углеводородах и др.), не растворяются в воде, мало растворяются в спиртах, длительно хранятся, не изменяя свойств. После добавления отвердителей эпоксидные смолы быстро отвердевают, приобретая пространственное строение. Отвердевание проходит в результате реакции полимеризации без выделения побочных продуктов (воды и других низкомолекулярных веществ). Отвердевшие эпоксидные смолы являются термореактивными и могут образовывать толстый слой монолитной, водонепроницаемой изоляции. В зависимости от типа отвердителя эпоксидные смолы могут отвердевать при комнатной температуре («холодное отвердение» ) или с использованием нагревания от 80 до 150 °С, а также при атмосферном или повышенном давлении. Для холодного используют азотосодержащие вещества, а для отвердения при нагревании - ангидриды органических кислот. Выбор отвердителя влияет на свойства отвердевшей эпоксидной смолы. Отвердевшие, эпоксидные смолы обладают сравнительно небольшой усадкой, примерно 0,5...2%; высокой адгезией к пластмассам, стеклам, фарфору, металлам; нагревостойкостью выше, чем у кремнийорганических смол; механическими свойствами выше, чем у кремнийорганических смол стоимостью меньшей, чем кремнийорганические смолы. Применяют для изготовления лаков, клеев, заливочных компаундов. Многие эпоксидные смолы токсичны и могут вызывать кожные заболевания, при работе с ними необходимо соблюдать правила техники безопасности. Отвердевшие эпоксидные смолы уже не оказывают на организм человека вредного воздействия. Тема 3.6 Пластмассы, пленочные материалы «Пластмассы» Пластмассами называются материалы, из которых благодаря их пластичности или текучести в стадии технологической переработки получают изделия (детали) более или менее сложной формы, сохраняющейся в последующее время после охлаждения или отверждения. Обязательной составной частью пластмассы является связующий, материал, который в стадии переработки в изделие придает пластмассе пластичные свойства, т. е. способность принимать определенную форму. В некоторых случаях пластмассы на 100% состоят из связующего материала. В качестве связующего в электроизоляционных пластмассах обычно применятся следующие материалы: 1) полимеры синтетические органические термореактивные и термопластичные; 2) полимеры кремнийорганические и фторорганические; 3) эфиры целлюлозы. Кроме связующего, в состав пластмассы могут входить и другие материалы, по своему значению разделяющиеся на такие группы: наполнители, пластификаторы, ускорители отверждения, красители, вспомогательные материалы. Свойства деталей из пластмассы в первую очередь определяются качеством связующего, однако и наполнители также оказывают определенное влияние. Наполнители могут быть волокнистые и порошкообразные. Основное назначение волокнистых наполнителей - увеличение механической прочности, уменьшение хрупкости. В качестве наполнителя часто применяется древесная мука — тонкоизмельченная древесина, сохраняющая свою волокнистость. Она применяется в пластмассах не очень высокого качества, но зато является самым дешевым волокнистым наполнителем. Более высококачественным наполнителем, чем древесная мука, является древесная целлюлоза и не пригодные для текстильного производства хлопковые очёсы. Благодаря более чистому и более длинному волокну очесы обеспечивают при том же связующем большую механическую прочность прессованным изделиям и лучшие электрические параметры, чем древесная мука и целлюлоза. Детали с высокой механической прочностью получают при использовании в качестве наполнителя рубленой ткани. В этом случае прессматериал получается обычно в виде текстолитовой крошки – мелко нарубленной хлопчатобумажной ткани, пропитанной соответствующими полимерами, обычно фенолформальдегидными. К числу неорганических волокнистых наполнителей относятся асбестовое и стеклянное волокно. Асбестовое волокно без специальной магнитной очистки дает пластмассы со сравнительно невысокими электроизоляционными свойствами, но довольно высокими механическими и повышенной нагревостойкостью. Стеклянные волокна обеспечивают наряду с повышенными механическими свойствами и нагревостойкостью также высокие электроизоляционные свойства и малую влагопоглощаемость. Находит применение и стеклотекстолитовая пропитанная крошка, детали из которой по сравнению с деталями, из хлопчатобумажной текстолитовой крошки отличаются повышенными электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью и пониженной влагопоглощаемостью. Наибольшей нагревостойкостью обладают пластмассы, изготовленные с минеральными наполнителями (кварцевая мука, маршаллит, молотая слюда, тальк, каолин) на основе нагревостойких связующих (кремнийорганических). Порошкообразный наполнитель вводится не во все пластмассы. Он увеличивает твердость, уменьшает усадку при охлаждении деталей после высокотемпературного прессования, чем способствует уменьшению опасности растрескивания деталей и получению деталей с точными и стабильными размерами. Кварцевая мука и молотая слюда применяются в пластмассах с повышенными электроизоляционными свойствами (с пониженным tg δ). Пластификаторы (высококипящие органические жидкости) добавляют в некоторые пластмассы, часто не содержащие наполнителей, для уменьшения хрупкости. Пластификаторы не должны быстро улетучиваться из материала, оставаться в нем в равномерно распределенном состоянии. К числу вспомогательных добавок в пластмассы можно отнести смазывающие вещества, предохраняющие от прилипания к пресс-формам (соли стеариновой кислоты). Количество наполнителя в пластмассах колеблется в очень больших пределах, доходя до 60 – 65% по объему. Пластмассы изготовляют разными технологическими приемами, сущность которых сводится или к тщательному смешиванию связующего и наполнителя с последующим приданием композиции технологически удобного вида или изготовлению гранул, если материал не содержит наполнителя, а состоит из одного полимера. Материал с мелковолокнистым наполнителем изготовляется в виде порошка, с длинноволокнистым наполнителем — в виде бесформенной волокнистой твердой массы. Детали из пластмасс широко используются как электроизоляционные, конструкционно-изоляционные и чисто конструкционные. Особенно широко они применяются в производстве электрических аппаратов и приборов, в том числе высокочастотных, а также мелких электрических машин. Широкому применению пластмасс способствует все увеличивающаяся их номенклатура и разнообразные ценные свойства, а также особенность технологии получения деталей из пластмасс. Некоторые пластмассы имеют высокие электроизоляционные свойства и могут применяться при сравнительно высоких напряжениях и высоких частотах; другие имеют настолько высокие механические характеристики, что могут применяться взамен конструкционных деталей из различных металлов и сплавов. При этом облегчается масса изделий, повышается эксплуатационная надежность аппаратуры с точки зрения вероятности пробоя изоляции, повышается коррозионная стойкость. Очень ценным технологическим свойством пластмасс является возможность получения за одну операцию прессования деталей весьма сложной формы, часто с запрессовкой металлических деталей. Методы получения деталей из пластмасс, выбор которых зависит от особенностей применяемого материала и до некоторой степени от вида детали: 1) прессование компрессионное (прямое) и литьевое; 2) литье под давлением (пресс-литье); 3) выдавливание через фигурные щели (экструзия). Компрессионное прессование особенно широко применяется для получения деталей из пресс-композиций на основе термореактивных смол. Особенности литьевого прессования заключаются в том, что прессматериал перед подачей в саму форму проходит предварительный обогрев (пластифицируется) в специальной камере, расположенной над формой. После разогрева материал подается в пресс-форму специальным плунжером. Метод литья под давлением используется преимущественно для получения деталей из термопластов и термореактивных смол. Метод экструзии заключается в выдавливании размягченной смолы из цилиндра специального пресса. Таким путём из полимеров (поливинилхлорид, полиэтилен и др.) получаю цилиндрические изделия разных диаметров — стержни и трубы, изолируют провода, получают тонкие полимерные пленки и т. п. Пресс – формы могут быть закрытого или открытого типа. Последние проще в изготовлении и легче, но применимы лишь для невысоких изделий несложного профиля. а — пресс-форма открыта (1— нижняя часть формы; 2 — формующая часть; 3 — литник; 4 — пресс-материал); б — пресс-форма в процессе прессования (5 — пуансон). Рисунок 29 Принцип действия литьевой пресс- формы Рисунок 30 Каркасы аппаратных катушек из полиамида. На рис. 30 показана типичная продукция, получаемая методом пресс-литья из термопласта полиамида. Перед операцией литья под давлением полиамиды следует высушить для уменьшения содержания в них влаги. Отлитые детали обычно подвергают дополнительной термообработке, чаще всего в разных жидких средах, для снятия внутренних напряжений, во избежание растрескивания, а также дополнительной кристаллизации. «Пленочные материалы» Пленочные материалы довольно широко применяются в электроизоляционной технике. Они представляют собой тонкие гибкие материалы из различных термопластичных полимеров. Растягивание пленок в нагретом состоянии и охлаждение под натяжением вызывают обычно кристаллизацию и повышение механической прочности. Вытяжка может быть односторонней — продольной и двусторонней — продольно-поперечной. Некоторые растянутые пленки при нагревании могут давать значительную усадку, что иногда используют для самоуплотнения изоляции, намотанной из пленки, например, в производстве пленочных конденсаторов. Особенностями полимерных пленок являются высокие электрические и механические свойства, большая растяжимость, во многих случаях высокая влагостойкость. В некоторых случаях, например для пазовой изоляции низковольтных электрических машин, требующиеся значения пробивного напряжения могут быть достигнуты при малых толщинах пленок, не обеспечивающих, однако, необходимой механической прочности и технологичности. Поэтому пленки часто применяются для этих целей в композиции с бумагами из синтетических волокон (пленкосинтокартон), поскольку целлюлозный картон имеет низкую нагревостойкость. Пленки можно разделить на два больших класса: неполярные и полярные. Неполярные или слабо полярные тонкие пленки, имеющие обычно значения диэлектрической проницаемости 2-2,5, tg δ около 10-4 и высокую стабильность параметров при колебаниях температуры, особенно пригодны для радиоконденсаторов. Применяются пленки для изоляции проводов и кабелей, а также аппаратуры, например, в трансформаторах и аппаратных катушках (межслойная изоляция). Полярные пленки, обычно имеющие большую нагревостойкость, чем неполярные (исключение составляют фторопласты), нашли широкое применение в электромашиностроении в качестве пазовой (чаще в сочетании с бумагами и стеклотканями) и витковой изоляции. В настоящее время пленки в сочетании с конденсаторной бумагой находят применение и в производстве силовых маслонаполненных конденсаторов. Тема 3.7 Резины Характерное свойство всех резин – большая эластичность, то есть способность значительно удлиняться при растяжении без остаточного удлинения после снятия растягивающей нагрузки. Имеют высокую водостойкость и газонепроницаемость резин и хорошие электроизоляционные характеристики. Основным компонентом резин является натуральный (НК) или синтетический (СК) каучуки. Это полимеры, обладающие двойными химическими связями, склонными к соединению молекул друг с другом в процессе вулканизации. В результате получают высокоэластичный, упругий материал, обладающий водостойкостью и газонепроницаемостью. Для проведения процесса вулканизации в исходную резиновую смесь вводят серу (1—3 % ) или тиурам, а для ускоренного процесса вулканизации — сложные органические вещества, например каптакс. Компонентами резиновых смесей являются также наполнители. К активным наполнителям, повышающим механическую прочность резин, относятся цинковые белила и углеродистая сажа. Среди неактивных наполнителей наибольшее применение имеют мел, тальк и каолин, которые вводят для удешевления резин. Кроме того, в исходные резиновые смеси вводят мягчители (стеариновую кислоту, парафин и др.) и противостарители (неозон). Мягчители улучшают пластичность сырых резин (это облегчает наложение резиновой изоляции на жилы проводов), а также снижают температуру их вулканизации. Противостарители повышают стойкость резиновой изоляции к окислению, тепловому и световому старению. Под действием нагрева, света и окислителей (кислород, озон) резиновая изоляция становится хрупкой и растрескивается. Иногда в резиновые исходные составы вводят красители: железный сурик, цинковые белила и др., понижающие изоляционные свойства резин. Сырая резина обладает пластичностью, легко накладывается на голую жилу провода и обволакивает ее, образуя основную изоляцию. Наносят сырую резину на жилы проводов на специальных экструзионных машинах. Аналогично наносят защитные резиновые оболочки на кабели. Для этой цели используют шланговые резины с пониженными изоляционными свойствами. Чтобы сырая резина обладала эластичностью, достаточной механической прочностью и высокими электрическими характеристиками, ее подвергают вулканизации. Вулканизация — это процесс тепловой обработки слоя сырой резины на жилах проводов при 140—200 °С в зависимости от ее состава. Так, для резин на кремнийорганическом каучуке температура вулканизации составляет 180—200 °С, а сам процесс производится в два этапа. Для большинства других резин температура вулканизации 140—160 °С. Для проведения процесса вулканизации провода, покрытые слоем сырой резины, наматывают на металлические барабаны, которые загружают в вулканизационные котлы. В паровую рубашку котла и в его внутреннее пространство впускают насыщенный водяной пар под давлением 0,5—2,0 МПа или нагретый воздух. Процесс вулканизации длится 30—70 мин и более. При вулканизации молекулы серы (или тиурама) вступают в химическую реакцию с молекулами каучука, соединяя их друг с другом поперечными мостиками. Это придает резинам большие механическую прочность и изоляционные свойства по сравнению с каучуками. Часть молекул серы, непрореагировавших с молекулами каучука, оставаясь свободными, могут выделяться на поверхности резины и, соприкасаясь с поверхностью медных жил, вступают с ней в реакцию, образуя сернистую медь CuS, вредно действующую на резину. Во избежание этого резиновую изоляцию накладывают на луженую медную проволоку. На алюминиевую проволоку резиновую изоляцию можно накладывать непосредственно. Повышенными электрическими и механическими характеристиками обладают резины, применяемые для изоляции жил кабелей на напряжения выше 1000 В. По сравнению с электроизоляционными резинами электрические характеристики шланговых резин ниже, а механические — выше. Рабочие температуры резиновой изоляции на основе натурального и синтетических каучуков находятся в пределах от — (50÷70) до + (65 ÷85) °С. Исключение составляют резины на кремнийорганическом каучуке,интервал рабочих температур которых очень широк — от —100 до +200 °С. Необходимая форма должна быть придана резиновой изоляции или резиновым изделиям до вулканизации, так как после вулканизации резина из-за своей упругости уже не будет сохронять форму, приданную ей под действием механических усилий. Из резины при вулканизации под давлением в соответствующих формах можно получить сравнительно сложные изделия, к числу которых относятся средства защиты для работы под напряжением (перчатки, боты, галоши). Вулканизированная резина легко склеивается резиновым клеем, представляющим собой раствор каучука в бензине. Эбонит выпускается в виде пластин, прутков, трубок, фасонных деталей, которые вулканизируются непосредственно в пресс-формах. Эбонит выпускают из натуральных, синтетических каучуков и их смесей. Он представляет собой твердый вязкий материал, который хорошо обрабатывается механически и хорошо полируется. Полированная поверхность более устойчива против выделения серы под воздействием света. Сера окисляясь, создает проводящие соединения, снижающие поверхностное сопротивление эбонита. Промывкой поверхности нашатырным спиртом и дистиллированной водой можно восстановить первоначальное состояние. Эбонит применяется в виде деталей в аппарато- и приборостроении. Из него изготавливают аккумуляторные баки. Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами, влагостоек, но имеет малую теплостойкость. Тема 3.8 Лаки, эмали, компаунды Лаки представляют собой коллоидные растворы (состоят из некристаллизующихся частичек) каких-либо пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях. К пленкообразующим веществам относятся смолы (природные и синтетические), растительные высыхающие масла, эфиры целлюлозы. В качестве растворителей пленкообразующих веществ применяют легкоиспаряющиеся (летучие) жидкости: бензол, толуол, ксилол, спирты, скипидар и др. Для разбавления загустевших лаков в них вводят разбавители (бензин, лаковый керосин, скипидар и некоторые другие жидкости), которые отличаются от растворителей меньшей испаряемостью. В состав лака могут также входить пластификаторы и сиккативы. Пластификаторы — вещества, придающие лаковой пленке эластичность. К ним относятся касторовое масло, жирные кислоты льняного масла и др. Сиккативы представляют собой жидкие или твердые вещества, вводимые в некоторые лаки для ускорения их высыхания. При сушке слоя лака, нанесенного на какую- либо поверхность, содержащиеся в нем органические растворители улетучиваются (испаряются), а пленкообразующие вещества в результате процессов полимеризации образуют твердую лаковую пленку. В зависимости от свойств пленкообразующих веществ, составляющих лаковую основу, эта пленка может быть гибкой (эластичной) или негибкой и хрупкой. Пропиточные лаки применяют для пропитки обмоток эластических машин и аппаратов с целью цементации (соединения) их витков друг с другом, а также устранения пористости изоляции. Пропиточный лак, проникая в поры изоляции, вытесняет из них воздух и после отвердевания делает обмотку влагостойкой. При этом повышается электрическая прочность изоляции обмотки и ее коэффициент теплопроводности. Одной из главных характеристик пропиточных лаков является их пропитывающая способность. Чем меньше вязкость лака, тем больше его пропитывающая способность. Покровные лаки применяют для создания на поверхности пропитанных обмоток влагостойких или маслостойких лаковых покрытий. К покровным относят также эмаль-лаки, применяемые для эмалирования обмоточных проводов, а также лаки, используемые для изоляции листов электротехнической стали и других деталей. Клеящие лаки применяют для склеивания различных электроизоляционных материалов: листочков слюды (в производстве слоистой слюдяной изоляции), керамики, пластмасс и др. Основное требование, предъявляемое к клеящим лакам, состоит в том, чтобы они обладали хорошим прилипанием (адгезией) и образовывали прочный шов. В зависимости от способа сушки лаки делят на две группы: воздушной (холодной) и печной (горячей) сушки. Отверждение пленки лаков воздушной сушки, к которым относят шеллачные, эфироцеллюлозные и некоторые другие, происходит при комнатной температуре, а лаков печной сушки возможно лишь при температурах, значительно выше комнатной (от 100 °С и выше). В лаках печной сушки применяют термореактивные пленкообразующие вещества (глифталевые, резольные и другие смолы), отвердевание которых обусловлено процессами полимеризации, .требующими повышенных температур. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими механическими и электрическими характеристиками, чем лаки печной сушки. Электроизоляционные эмали представляют собой лаки с введенными в них мелкораздробленными веществами — пигментами. В качестве пигментов применяют неорганические вещества, преимущественно оксиды металлов (оксид цинка, железный сурик) и их смеси. Пигментирующие вещества, введенные в лак, тщательно перетирают в краскотерочных машинах до получения однородной массы. При высыхании эмалей пигменты вступают в химические реакции с лаковой основой, образуя плотное покрытие с повышенной твердостью. Электроизоляционные эмали являются покровными материалами и служат для покрытия лобовых частей обмоток электрических машин и аппаратов с целью защиты их от смазочных масел, влаги и других воздействий. Основой многих электроизоляционных эмалей являются масляно-глифталевые лаки, характеризующиеся высокой клеящей способностью и повышенной нагревостойкостью. На масляно-глифталевых лаках изготовляют эмали нескольких марок: СПД — эмаль горячей (105 °С) сушки, покрытия из которой имеют серый цвет и обладают стойкостью к минеральным маслам и к электрическим искрам; СВД — эмаль холодной сушки, которая образует покрытия серого цвета, стойкие к минеральным маслам; КВД — эмаль холодной сушки, которая образует покрытия красно-коричневой окраски, стойкие к действию электрической дуги. Эмали на эпоксидных лаках отличаются хорошим прилипанием (адгезией) и повышенной нагревостойкостью (до 155 °С). Большой интерес представляют электроизоляционные эмали на основе кремнийорганических лаков, отличающиеся очень высокой нагревостойкостью (180—200 °С). «Компауды» Компаунды — это электроизоляционные составы, изготовляемые из нескольких исходных веществ (смол, битумов). В момент применения компаунды представляют собой жидкости, которые, постепенно отвердевая, превращаются в монолитный твердый диэлектрик. В отличие от лаков и эмалей компаунды не содержат летучих растворителей При сушке слоя лака растворители испаряются и, улетучиваясь, образуют в пленке лака сквозные поры и капилляры. Это приводит к снижению влагостойкости изоляции, пропитанной лаком. Отсутствие в компаундах растворителей обеспечивает их монолитность после отверждения. Согласно назначению компаунды разделяются на пропиточные, заливочные и обмазочные. Пропиточные компаунды применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью цементации их витков и защиты от влаги, заливочные — для заливки полостей (свободных пространств) в кабельных муфтах и воронках, а также в корпусах электрических аппаратов — трансформаторов тока, дросселей и др. Применяются термореактивные компаунды, не размягчающиеся после отверждения, и термопластичные, размягчающиеся при последующем нагреве. К термопластичным относятся компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков (парафин, церезин и др.), термопластичных полимеров (полистирол и др.). Наиболее широкое применение в электротехнике получили термопластичные компаунды на основе битумов, которые являются дешевыми материалами, стойкими к воде, и обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Так, для пропитки обмоток электрических машин применяют битумный пропиточный компаунд № 225Д, получаемый в результате сплавления битума, канифоли и льняного масла, взятых в определенных отношениях. В твердом состоянии этот компаунд представляет собой массу черного цвета с блестящей поверхностью. Для пропитки обмоток компаунд нагревают до температуры 160—170 °С, при которой он переходит в жидкое состояние и его частицы становятся способными проникать внутрь пропитываемой обмотки. Пропитывают обмотки жидкими битумными компаундами в специальных закрываемых герметически пропиточных котлах. Предварительно обмотки, помещенные в пропиточные котлы, сушат под вакуумом при температуре 100—180 °С. Затем в пропиточный котел впускают разогретый жидкий компаунд, который начинает проникать в отрытые поры изоляции обмоток. Давление в котле повышают до (6÷8) -105 Па, и жидкий компаунд, проникая в поры изоляции обмоток, одновременно опрессовывает их. Пропитанные обмотки дополнительно сушат. Для различных обмоток и компаундов разрабатываются разные режимы пропитки. В результате пропитки получают монолитную изоляцию обмоток повышенной механической и электрической прочности, стойкую к парам воды. Так как битумы являются термопластичными материалами, битумные компаунды применяют, как правило, для пропитки неподвижных обмоток. Из вращающихся обмоток (при перегреве их) битумный компаунд может вытекать. Битумными компаундами нельзя также пропитывать обмотки, работающие в трансформаторном масле или подвергающиеся воздействию бензина, керосина, так как все битумы растворяются в минеральных маслах и в углеводородах (бензин, бензол и др.). Среди заливочных битумных компаундов наиболее широко применяют компаунды МБ-70, МБ-90, МБМ-1 и МБМ-2. Компаунды МБ-70 и МБ-90 изготовляют на основе нефтяных битумов, взятых в разных соотношениях, а МБМ-1 и МБМ-2 — также на основе битумов, но для повышения холодостойкости в них вводят трансформаторное масло. Этими компаундами заливают полости кабельных соединительных муфт и концевых воронок напряжением до 10 кВ. Большой интерес представляют термореактивные компаунды, которые при последующем нагревании не размягчаются. К ним относится компаунд МБК, одновременно являющийся пропиточным и заливочным. Компаунды МБК (компаунд метакрил-бутиловый) изготовляют на основе эфиров метакриловой кислотс введением или без введения в них отвердителей и пластификаторов. В исходном состоянии компаунды МБК представляют собой прозрачные с желтоватым оттенком жидкости, которые при нагревании образуют твердые изоляционные блоки. В жидком состоянии компаунды МБК обладают хорошей пропитывающей способностью. Компаунды МБК при введении в них отвердителей отвердевают при 20 °С в течение 20—24 ч, а без отвердителей — 8—10 ч, но при нагреве до 75 °С. В отвердевшем состоянии компаунды инертны по отношению к меди, стойки к воде и обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Компаунд МБК-1 в отвердевшем состоянии представляет собой твердую неэластичную массу. Компаунды МБК.-2 и МБК-3 образуют твердые эластичные массы, так как в них вводятся пластификаторы — маслообразные жидкости. Компаунды МБК применяют в интервале температур от —60 до +110°С (без наполнителя). При введении минерального наполнителя их используют при температурах от —60 до -|- 150 °С. Компаунды МБК поставляются в виде жидкостей, которые могут растворять или вызывать набухание резины и пленок некоторых лаков. В присутствии резины компаунды МБК не отвердевают, что является их недостатком. Очень широкое применение получили компаунды на основе смеси одной из эпоксидных смол с отвердителями (ангидридов фталевой или малеиновой кислоты и других веществ). Эти компаунды отличаются хорошей адгезией к металлам, керамике, пластмассам и волокнистой изоляции обмоток, обладают повышенной механической прочностью и малой объемной усадкой (0,5—1,5%). В зависимости от отвердителя эпоксидные компаунды могут переходить из жидкого в твердое состояние при повышенных температурах (120—140 °С) или при комнатной температуре. При введении в жидкую эпоксидную смолу ангидридов фталевой или малеиновой кислоты отверждение компаунда происходит при температуре 120—140 °С в течение 4—10 ч. При введении других отвердителей, например гексаметилендиамина, отверждение компаунда протекает при комнатной температуре в течение 20—24 ч. Такие компаунды называют компаундами холодного отверждения. Тема 3.9 Волокнистые диэлектрики «Бумаги и картоны» Сырьем для изготовления различных электроизоляционных бумаг и картонов является целлюлоза или клетчатка, получаемая химической переработкой древесины хвойных пород (сосна, ель). В состав древесины помимо клетчатки входят лигнин, смолистые и другие вещества, которые, оставаясь в целлюлозе, придают бумаге хрупкость и снижают ее электроизоляционные свойства. Чем меньше этих примесей в бумагах, тем они прочнее, эластичнее и тем медленнее стареют. Поэтому при химической переработке древесины на целлюлозу, предназначенную для изготовления электроизоляционных бумаг, главной задачей является полное удаление лигнина, смол и других загрязняющих веществ. Перед химической переработкой из древесины удаляют сучки и поврежденные гнилью места и дробят ее на щепу. Для превращения щепы в целлюлозу ее варят при 150—175 °С и давлении 0,7—0,9 МПа в кислотной или щелочной среде в закрытых котлах (автоклавах). Варку щепы проводят при кислотной варке, в котел вводят раствор бисульфита кальция Са(Н50з)г в сернистой кислоте H2SO3, а при щелочной — смесь из едкого натра NaON и сернистого натрия Na2S. В результате кислотной варки древесины получают так называемую сульфитную целлюлозу, а в результате щелочной — сульфатную. Для изготовления электроизоляционных бумаг и картонов используют преимущественно сульфатную целлюлозу, которая придает им лучшие электрические, механические и тепловые свойства.Полученную после варки целлюлозу промывают водой, а затем подвергают мокрому размолу в специальных ваннах (ролах), снабженных вращающимся барабаном с ножами. Дно ванны имеет выступ в виде горки. Попадая между ножами барабана и острым выступом горки, очищенные варкой волокна разрубаются поперек на мелкие части и расщепляются вдоль на более тонкие волокна. В зависимости от зазора между ножами и выступом горки производится жирный или тощий помол. Для получения целлюлозы жирного помола устанавливают тупые ножи на большом расстоянии от выступа горки на дне ванны. В результате происходит лишь расщепление или расчес волокон на более тонкие, т. е. волокна механически не разрушаются и их капиллярные каналы остаются закрытыми. Для получения целлюлозы тощего помола устанавливают острые ножи ближе к горке. При этом волокна целлюлозы преимущественно рубятся поперек, в результате чего обнажаются их внутренние каналы. При жирном помоле волокна длинные и тонкие, поэтому изготовленная бумага обладает большей гибкостью и механической прочностью. Тощий же помол дает короткие толстые волокна, которые обусловливают рыхлость и малую механическую прочность бумаги, а также большую способность впитывать воду и другие жидкости. Размолотую целлюлозу называют бумажной массой. Для изготовления бумаги массу подают на движущуюся металлическую сетку бумажной машины и прижимают металлическими валками. При этом вода отжимается и уходит через сетку, а масса формуется в полотно бумаги, которое затем переходит на суконную ленту. Здесь полотно бумаги сначала обминается холодными вальцами, потом проходит через систему нагретых чугунных валков, а затем обжимается системой холодных вальцов, после чего сматывается в рулон. Влажность бумаг находится в пределах 5—9 %. С увеличением влажности электроизоляционные свойства и механическая прочность бумаги заметно ухудшаются. Важными характеристиками бумаги являются: плотность, разрушающее напряжение при растяжении и воздухопроницаемость. Воздухопроницаемость — это объем воздуха (в миллилитрах), проходящий за одну минуту через образец бумаги площадью 10 см2 при давлении 9• 103 Па. Ясно, что наиболее плотные бумаги обладают меньшей воздухопроницаемостью, а следовательно, имеют капилляры и поры меньшего размера. Так, воздухопроницаемость конденсаторных бумаг 3— 9 мл/мин, а кабельных бумаг 25—40 мл/мин. Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные и крепированные. Кабельная бумага является основной изоляцией кабелей высокого напряжения. После намотки жилу кабеля пропитывают электроизоляционным маслом. Так как при намотке на жилы ленты бумаги подвергаются механическому натяжению, кабельная бумага должна обладать достаточно высокой механической прочностью при растяжении. Кроме того, в готовом кабеле в процессе его укладки намотанная бумага может подвергаться изгибам и поэтому должна обладать значительной прочностью на перегибы. Для обеспечения высоких механических свойств кабельные бумаги вырабатывают из сульфатной целлюлозы преимущественно жирного помола, который, кроме этого, придает бумаге большую плотность и малую пористость. Пропитывающее жидкое вещество (масло или маслоканифольный состав) разбивается бумагой при пропитке на тонкие пленки и каналы, что повышает ее электрическую прочность. Электрическая прочность непропитанной кабельной бумаги 6—9 МВ/м, а пропитанной трансформаторным маслом 70—80 МВ/м. Кабельные бумаги выпускаются для изоляции жил силовых кабелей на напряжения 35, 110 и 220 кВ, отличаются друг от друга количеством слоев, толщиной, объемной массой, воздухопроницаемостью и др. Кабельные бумаги, маркируемые буквами К(К-080; К-120; К-140; К-170), выпускаются однослойными, а буквами КМ (КМ-120; КМ-170), КМП-120 и КВМ (КВМ-080; КВМ-120; КВМ-170) — трех- и четырехслойными. Многослойные бумаги по сравнению с однослойными обладают большей гибкостью, эластичностью и имеют меньшую воздухопроницаемость, а следовательно, и большую электрическую прочность. Плотность кабельных бумаг 720—780 кг/м3. Кроме того, выпускаются уплотненные стабилизированные кабельные бумаги, маркируемые буквами КВМСУ, толщиной от 0,080 до 0,120 мм (КВМСУ-0,80 и КВМСУ-120). Уплотненные бумаги отличаются большой плотностью— 1100 кг/м3, малыми отклонениями по толщине и меньшей воздухопроницаемостью, что обеспечивает их высокие механические и электрические характеристики. Многослойные и уплотненные кабельные бумаги применяют для изоляции жил кабелей на напряжения от 110 кВ и выше. Кабельные бумаги являются гигроскопичными материалами и легко увлажняются во влажном воздухе, поэтому все операции по наложению бумажной изоляции следует производить в строго кондиционированных условиях окружающей среды. Перед пропиткой жидкими диэлектриками бумажную изоляцию кабелей подвергают длительной сушке. Влажность бумаг 4—8 %. Конденсаторную бумагу, пропитанную жидким диэлектриком, применяют в бумажных конденсаторах и изготовляют из наиболее чистой сульфатной целлюлозы жирного помола. Это самые тонкие бумаги (толщиной от 0,004 до 0,030 мм), однородные по толщине, плотностью 950—1350 кг/м3. Воздухопроницаемость их невелика (3—9 мл/мин), что указывает на сравнительно высокую электрическую прочность, которая колеблется от 19 до 50 МВ/м соответственно их толщине. После пропитки нефтяным конденсаторным маслом электрическая прочность конденсаторных бумаг повышается до 250—300 МВ/м. Конденсаторные бумаги содержат минимальное количество токопроводящих частиц (неметаллических и др.), что обеспечивает высокий уровень электрических характеристик. Предел прочности при растяжении конденсаторных бумаг достигает σр=10 МПа. Конденсаторные бумаги выпускаются шириной от 12 до 490 мм, намотанными на бобины. Пропиточная бумага предназначена для изготовления слоистой электроизоляционной пластмассы — гетинакса, вырабатывается из сульфатной целлюлозы, имеет толщину 0,09; 0,11 и 0,13 мм, плотность 600—800 кг/м3 и Епр = 5 МВ/м. Поэтому воздухопроницаемость и впитываемость пропиточных бумаг выше, чем других, что необходимо для обеспечения хорошей пропитки при производстве гетинакса. Намоточная бумага предназначена для изготовления электроизоляционных намоточных изделий (цилиндров и изоляционных трубок для трансформаторов и электрических аппаратов), вырабатывается из небеленой целлюлозы жирного помола, имеет плотность 730 кг/м3, толщину 0,05; 0,07; 0,085 и 0,10 мм и Епр= 7,5÷9,0 МВ/м. Бумага для изготовления электроизоляционных цилиндров должна быть покрыта с одной стороны электроизоляционным лаком. Микалентная бумага предназначена для изготовления гибкой слюдяной ленты. Для этого на полотно микалентной бумаги наклеивают листочки слюды. Эта бумага должна обеспечивать гибкость микаленты, повышать ее механическую прочность на разрыв и одновременно быть тонкой, чтобы обладать большой пористостью, не снижать электрических характеристик микаленты, а также для хорошей и быстрой пропитки лаками. Изготовляют микалентную бумагу из длинноволокнистого хлопка с волокнами, ориентированными преимущественно в направлении длины полотна бумаги, что обеспечивает ее большую механическую прочность: в направлении вдоль полотна бумаги 75 МПа, а поперек— 9 МПа. Микалентную бумагу толщиной 18— 20 мкм (0,018—0,020 мм) выпускают в рулонах шириной 450 и 900 мм. Крепированная бумага предназначена для изолирования отводов и мест соединений обмоток трансформаторов и других маслонаполненных электрических аппаратов. Эта бумага имеет на поверхности креп (гофрировку), нанесенный перпендикулярно направлению ее полотна. Благодаря этому крепированная бумага обладает гибкостью и хорошо растягивается в продольном направлении (удлинение 60 %), что позволяет надежно изолировать отводы обмоток и сильно изогнутые соединительные провода, например, в трансформаторах. Крепированную бумагу изготовляют из небеленой сульфатной целлюлозы толщиной 0,17 мм (без крепа) и 0,5 мм (с крепом), плотностью 230 кг/м3 и выпускают в рулонах шириной 1000 мм. Применение крепированной электроизоляционной бумаги взамен дорогостоящих маслостойких лакотканей дает большой экономический эффект без снижения электрической прочности изоляции выводов маслонаполненных аппаратов. Электроизоляционные картоны имеют большую толщину (от 0,1 до 8,0 мм), чем бумаги. Сырьем для их изготовления является масса из сульфатной целлюлозы или ее смеси с хлопковым волокном (что обеспечивает повышенные механические и электроизоляционные свойства картона). Процесс производства картонов аналогичен процессу производства бумаг, но применяется несколько другое оборудование и вводятся дополнительные технологические операции по оформлению и окончательной отделке полотна картона. Картоны толщиной от 0,1 до 0,5 мм выпускают в рулонах шириной до 1015 мм, 1 мм и больше в листах разных размеров — до 3×4 м. Так называемые «воздушные» картоны, предназначенные для работы на воздухе, изготовляемые из смеси целлюлозы и хлопкового волокна, проходят дополнительную обработку стальными вальцами для уплотнения и полировки. В некоторые картоны вводят клеящие вещества на основе канифоли и крахмала для уменьшения гигроскопичности и получения более плотной структуры. Так называемые «масляные» картоны, применяемые в маслонаполненных аппаратах, трансформаторах и др., изготовляемые из смеси сульфатной целлюлозы и хлопкового волокна без дополнительной обработки на вальцах, имеют несколько рыхлую структуру и поэтому хорошо пропитываются маслом. Электрическая прочность в зависимости от толщины от 8 до 13 МВ/м. Воздушные картоны применяют для пазовой и межвитковой изоляции в электрических машинах низкого напряжения. Картоны являются гигроскопичными материалами и при нормальных атмосферных условиях содержат 6—8 % влаги. С повышением влажности окружающего воздуха влажность картонов возрастает, а электрические характеристики снижаются. Фибра — электроизоляционный и конструкционный материал, получаемый на основе целлюлозы. Фибру изготовляют из непроклеенной бумаги, имеющей в своем составе хлопковое волокно и древесную целлюлозу (по 50%). Бумагу пропускают через ванну с нагретым (до 50 °С) раствором хлористого цинка, а затем наматывают на стальной барабан до определенной толщины. При обработке бумаги раствором хлористого цинка на ее поверхности образуется клейкое вещество, а при намотке на барабан листы бумаги склеиваются друг с другом, образуя плотный материал — фибру, который разрезают на листы и прессуют. Непрореагировавший хлористый цинк удаляют пропусканием фибровых изделий (листы, стержни) через чаны с растворами хлористого цинка постепенно уменьшающейся концентрации. Окончательно промывают фибру водой. Из фибры изготовляют листы толщиной от 0,6 до 20 мм и более, а также стержни и трубки. Фибра легко поддается механической обработке: пилится, сверлится, строгается и нарезается. Листовая фибра штампуется, а при размачивании водой из нее можно формовать изделия сложного профиля. Недостатки фибры — гигроскопичность и набухание во влажной среде. После сушки фибра дает усадку, что затрудняет изготовление из нее точных деталей. Фибру марки ФЭ (электротехническая) используют в качестве электроизоляционного материала в электрооборудовании низкого напряжения, например в качестве пазовых клиньев и прокладок в электрических машинах невлагостойкого использования. Фибру применяют также для изготовления разрядников высокого напряжения, в которых стенки фибрового цилиндра под действием электрической дуги интенсивно выделяют газы. В результате возрастающего давления газов внутри трубчатого разрядника дуга прекращает свое горение. «Лакоткани, ленты и лакированные трубки» Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, состоящие из какой-либо тканевой основы, пропитанной электроизоляционным лаком. В качестве тканевых основ применяют хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (из стеклянного волокна) ткани. Лак, - которым пропитывают тканевые основы, после отверждения образует на лакоткани гибкую пленку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства, тканевая же основа придает ему механическую прочность. Лакоткани широко применяют в качестве пазовой и межвитковой изоляции в электрических машинах низкого напряжения, а также в трансформаторах. Кроме того, лакоткани используют для наружной изоляции катушек и отдельных групп проводов в электрических аппаратах и приборах. В большинстве случаев лакоткани нарезают на ленты под углом 45° по отношению к основе. Такие лакотканые ленты обеспечивают наибольшую эластичность, что позволяет изолировать ими лобовые части обмоток и соединения фасонного профиля. В соответствии с примененной тканевой основой лакоткани делят на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклолакоткани). В качестве основ хлопчатобумажных лакотканей служат тонкие прочные ткани (перкаль и др.). Хлопчатобумажные ткани пропитывают светлыми масляными или черными масляно-битумными лаками, обеспечивающими лакотканям повышенную влагостойкость. Основами шелковых лакотканей являются тонкие (0,04—0,08 мм) из натурального шелка ткани. Для некоторых сортов эластичных лакотканей повышенной механической прочности используют капроновые ткани. Шелковые и капроновые ткани пропитывают светлыми масляными лаками. Для лакотканей повышенной нагревостойкости применяют стеклянные ткани, изготовленные из электроизоляционных (бесщелочных) стекол. Нагревостойкие стеклянные ткани пропитывают кремнийорганическими лаками, пленки которых могут работать при температурах до 180°С. Хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные лакоткани на масляных лаках по нагревостойкости относятся к классу А, т. е. их можно применять при рабочих температурах, не превышающих 105 °С. Стеклолакоткани же на кремнийорганических лаках по нагревостойкости относятся к классу Н (180 °С) и обладают высокой влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени. Стеклолакоткани, пропитанные кремнийорганическими составами, применяются в электрических машинах и аппаратах нагревостойкого и тропического исполнения. Перед пропиткой лаками волокнистые тканевые основы (за исключением стеклотканей) проглаживают, пропуская между нагретыми стальными валками (каландрами), чтобы все ворсинки прилегли к поверхности. Затем ткань пропитывают электроизоляционным лаком в многоэтажной пропиточной машине. Готовая лакоткань наматывается в рулоны и имеет ширину от 800 до 930 мм. Стеклолакоткани выпускают шириной от 690 до 1140 мм. Липкие электроизоляционные ленты изготовляют на основе хлопчатобумажных или стеклянных (стекловолокнистых) лент, а также лент из поливинилхлоридного пластиката. Прорезиненная хлопчатобумажная лента представляет собой миткалевую ленту, пропитанную вязким резиновым составом. Она должна храниться при температуре не ниже +5°С и не выше +25 °С, иначе быстро теряет липкость. Лента должна сохранять липкость после нагрева до 70 °С (в течение одних суток). Прорезиненная липкая лента применяется при монтажных работах для изоляции мест соединений проводов в сетях и.устройствах низкого напряжения. Липкая нагревостойкая стеклолента изготовляется из стеклянной ленты (из бесщелочного стекла), пропитанной нагревостойким кремнийорганическим лаком. Она применяется для изоляции лобовых частей обмоток электрических машин и аппаратов с высокими рабочими температурами (до 155°С). Пробивное напряжение стеклоленты толщиной 0,12 мм составляет 600—700 В, а ленты толщиной 0,15 мм равно 750—850 В. Хлопчатобумажные лакированные (линоксиновые) трубки (чулки) выполняются из хлопчатобумажной пряжи, пропитанной масляным лаком, имеют внутренний диаметр от 0,5 до 10 мм и толщину стенки от 0,5 до 0,9 мм. Длина трубок не менее 1000 мм. Пробивное напряжение не менее 5 кВ. Линоксиновые трубки могут работать при температурах от —50 до +105°С и применяются для изоляции выводных концов и мест соединений в электрических аппаратах, а также в трансформаторах (сухих и с масляной изоляцией). Лакированные стекловолокнистые трубки (чулки) выполняются из стекловолокнистой пряжи и пропитываются полиуретановым, эпоксидным или нагревостойким кремнийорганическим лаком. Стекловолокнистые лакированные трубки имеют внутренний диаметр от 1 —10 мм и толщину стенки 0,4—0,5 мм. По сравнению с линоксиновыми трубками они менее эластичны, но обладают высокой влагостойкостью и применяются для изоляции выводных концов и мест соединений в электрических машинах и аппаратах при рабочей температуре от —50 до +180 °С (марка ТПС); трубки марки ТЭС, а марки ТКС от —60 до +180°С. Большой интерес представляют также самоусаживающиеся изоляционные трубки из сшитого полиэтилена. Самоусаживание (сокращение размеров) трубок проявляется в том, что молекулы сшитого полиэтилена, деформированные при температуре, близкой к температуре плавления, и зафиксированные резким охлаждением в этом состоянии, при повторном нагреве возвращаются к первоначальному состоянию, восстанавливаясь до размеров и формы изолируемой ими токопроводящей детали. Это позволяет получить плотное прилегание электроизоляционной трубки к поверхности изолируемой металлической детали. Наиболее высокими электроизоляционными свойствами обладают трубки из фторопласта-4, которые, кроме того, не воспламеняются и не горят. Тема 3.10 Электроизоляционная слюда и материалы на ее основе Слюда — природный минерал характерного слоистого строения, что позволяет расщеплять ее кристаллы на листочки толщиной до 0,006 мм. Тонкие листочки слюды обладают гибкостью, упруги и имеют большое разрушающее напряжение при растяжении. Склеивая листочки слюды клеящими смолами или лаками (щелочным, масляно-битумным и др.), получают твердую (миканиты) или гибкую (микаленты) слюдяную изоляцию для обмоток электрических машин. Среди довольно большой группы природных слюд в качестве электроизоляционных материалов находят применение только мусковит и флогопит, так как они легко расщепляются и обладают высокими электрическими характеристиками. Мусковит — калиевая слюда, имеющая преимущественно серебристый, иногда с зеленоватым или красноватым оттенком, цвет кристаллов. Тонкие листочки (0,05—0,06 мм) этой слюды прозрачны. Мусковит обладает химической стойкостью: на него не действует ни один из растворителей и щелочей. Серная и соляная кислота разлагают мусковит только при нагревании. Мусковит не изменяет своих свойств до температуры 500 °С. При превышении этой температуры из слюды начинает выделяться химически связанная вода. В результате листочки слюды вспучиваются, т. е. увеличивают свою толщину. При этом резко ухудшаются электрические и другие характеристики. Температура плавления мусковита 1260—1300 °С. Флогопит — калиево-магнезиальная слюда, имеющая цвет кристаллов от черного до янтарного. Тонкие (0,006—0,01 мм) листочки этой слюды полупрозрачны. Они имеют меньшее разрушающее напряжение при растяжении и менее упруги по сравнению со слюдой мусковит. Сравнительно низкое сопротивление истиранию позволило применять флогопит в производстве клееных листовых материалов — коллекторных миканитов, из которых штампуют прокладки для изоляции медных пластин в коллекторах электрических машин. Находясь во время работы под истирающим действием щеток, изоляционные прокладки из флогопита истираются в одинаковой степени с медными пластинами. Это обеспечивает нормальную работу коллектора. Флогопит по сравнению с мусковитом обладает меньшей химической стойкостью: реагирует с кислотами, но щелочи на него не действуют. Флогопит не изменяет своих характеристик до температуры 800 °С. При превышении этой температуры начинается вспучивание листочков флогопита с потерей ими первоначальных электрических и механических свойств. В некоторых разновидностях слюды флогопит с повышенным содержанием воды (гидратизированный флогопит) резкое ухудшение свойств наступает начиная с температуры 200—250 °С. Температура плавления слюды флогопит 1270—1330 °С. Все виды слюды поглощают влагу главным образом по плоскостям спайности листочков. Водопоглощение слюды составляет 1,3—5,5 %. Слюда залегает в земле вместе с другими минералами (пегматит, кварц и др.). Добытые кристаллы слюды подвергают очистке, а затем раскалывают на пластины, называемые слюдяными подборами. Разделением слюдяных пластин — подборов — получают щепаную слюду. Это листочки слюды толщиной 10—45 мкм, имеющие форму контура, соответствующую контуру подбора. Щепаную слюду получают расщеплением соответствующих подборов слюды — мусковита и флогопита. Этим методом можно получать однородные по толщине листочки. Щепаную слюду применяют для изготовления ответственных видов изоляции (пазовая) в турбогенераторах, гидрогенераторах, тяговых электродвигателях и в других электрических машинах. Из-за малой площади листочков щепаной слюды ее используют в виде клееных слюдяных материалов — миканитов и микалент. Фторфлогопит — синтетическая слюда, которая расщепляется на совершенно прозрачные листочки. По сравнению с природными слюдами фторфлогопит обладает более высокой нагревостойкостью (до 1000 °С), меньшим водопоглощением (0,5—2,0 %) и более высокими электрическими характеристиками. Удельное объемное сопротивление синтетической слюды в 15—20 раз, электрическая прочность в 1,5 раза выше, а тангенс угла диэлектрических потерь в 2 раза меньше, чем природной. Основные области применения фторфлогопита — внутренняя изоляция в электронных лампах и нагревостойкая изоляция специальных электрических машин. Миканиты — твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щепаной слюды с помощью клеящих смол (щелочной, глифталевой и др.) или лаков на их основе. Для этого листочки природной щепаной слюды раскладывают на столах в один слой, сбрызгивают клеящим лаком, накладывают второй слой, тоже сбрызгивают лаком и т. д., пока не будет набран лист требуемой толщины. Полученный лист подвергают горячему прессованию. Все миканиты обозначают соответствующими марками, состоящими из двух или трех букв, а иногда и цифр. Первая буква в обозначении марки указывает тип миканита (К — коллекторный, П — прокладочный, Ф — формовочный, Г — гибкий), вторая —вид примененной слюды (М — мусковит, Ф — флогопит, С — смесь мусковита и флогопита), третья — тип связующего (Г — глифталевая смола, Ш — шеллачная, К — кремнийорганическая, П — полиэфирная). Буква А, стоящая в конце марки, указывает пониженное содержание связующего. Так, марка ПМГА означает: прокладочный миканит, изготовленный на слюде мусковит и глифталевой смоле с пониженным содержанием связующего (5—12 %). Коллекторный миканит представляет собой листовой твердый материал, изготовленный склеиванием листочков щепаной слюды флогопит шеллачной или глифталевой смолой и двукратным горячим прессованием при давлении 18—20 МПа при 155 °С. Отпрессованные листы коллекторного миканита подвергают шлифованию, чтобы отклонения листов по толщине не превосходили ±0,06 мм. Затем листы миканита покрывают лаком и снова прессуют, чтобы материал имел плотную структуру, обеспечивающую надежную работу коллекторов электрических машин. Чтобы избежать скольжения листочков слюды, в коллекторные миканиты вводят не более 4—6 % связующего. Коллекторный миканит выпускают в листах толщиной 0,4—1,5 мм и площадью 215 X465 мм (не менее). Из листочков коллекторного миканита штамповкой получают изоляционные прокладки, применяемые для изоляции медных пластин в коллекторах электрических машин. Длительно допустимые рабочие температуры для коллекторного миканита на шеллачном связующем 130 °С, а на глифталевом 155°С. Выпускается также нагревостойкий вид коллекторного миканита на неорганическом связующем (аммофосе), допустимая рабочая температура которого составляет 180—200 °С. Прокладочный миканит представляет собой листовой твердый материал, изготовленный склеиванием листочков щепаной слюды мусковит, флогопит или смеси их с последующим прессованием. В качестве связующего применяют глифталевую или кремнийорганическую смолу. В прокладочных миканитах слюда составляет 80—95 %, а количество связующего — соответственно 20—5 %. Из прокладочного миканита изготовляют различные электроизоляционные твердые прокладки для электрических машин и аппаратов. Допустимая рабочая температура прокладочного миканита на глифталевом связующем 130 °С, кремнийорганическом 180 °С. Формовочный миканит — листовой материал, получаемый склеиванием листочков щепаной слюды мусковит, флогопит или их смеси — глифталевой или кремнийорганической смолой. Заготовки формовочного миканита подвергают однократному прессованию при 155 °С и давлении 0,5—1,0 МПа. По сравнению с коллекторным и прокладочным формовочный миканит имеет несколько более рыхлую структуру. Это необходимо для изготовления (горячим прессованием) из формовочного миканита электроизоляционных изделий сложной формы. В формовочных миканитах слюды 80—95 %, связующего вещества от 20 до 5 %. Твердый при комнатной температуре формовочный миканит обладает способностью формоваться в нагретом состоянии и сохранять приданную ему форму. Формовочный миканит выпускают в листах толщиной от 0,15 до 2,0 мм и более и площадью не менее 550×650 мм2. Гибкий миканит — листовой материал, получаемый склеиванием щепаной слюды (мусковит или флогопит) масляно-глифталевым, масляно-битумным или кремнийорганическим лаком, каждый из которых образует гибкую пленку. Гибкие миканиты выпускают прессованными и непрессованными. Для повышения механической прочности некоторые виды гибкого миканита оклеивают с двух сторон микалентной бумагой. Толщина листов миканита от 0,15 до 0,5 мм. Гибкие миканиты применяют в качестве пазовой, межвитковой и подбандажной изоляции в электрических машинах, а также для различных гибких электроизоляционных прокладок. Гибкие миканиты должны сохранять способность изгибаться (при 20 °С) в течение 60 суток со дня отправки заводом-изготовителем. Гибкий стекломиканит отличается от гибкого миканита тем, что оклеен с одной или двух.сторон бесщелочной стеклотканью, которая значительно повышает его механическую прочность и гибкость. Нагревостойкий гибкий стекломиканит (класс Н) изготовляют на кремнийорганическом связующем. Остальные стекломиканиты клеят на масляно-глифталевых или эпоксидно-полиэфирных лаках. В стекломиканитах применяют слюду флогопит. Гибкие стекломиканиты содержат слюды 35—60 %, клеящих веществ 36—15%, остальное — стеклоткань и, имеют толщину 0,20—0,60 мм. Все виды миканитов на кремнийорганическом связующем могут длительно работать при 180 °С (класс Н), на полиэфирных и эпоксидных клеящих составах— при 155 °С, а на шеллачных и глифталевых смолах — не выше 130 °С. Микафолий — рулонный или листовой материал, состоящий из одного или нескольких слоев щепаной слюды (мусковит или флогопит), наклеенных на плотную телефонную бумагу (толщиной 0,05 мм), на тонкую стеклоткань или стеклосетку. В качестве клеящих составов применяют масляно-глифталевые, полиэфирные и кремнийорганические лаки. Микафолий выпускают в рулонах шириной не менее 500 мм и в листах размером 500×1000 мм и толщиной 0,15; 0,20; 0,30 мм. В микафолии содержится (по массе) 45—65 % слюды, 30—12 % клеящих веществ, остальное — бумага и летучие вещества. Микафолий, как и формовочный миканит, обладает способностью формоваться в нагретом состоянии. Из микафолия изготовляют (горячим прессованием) трубки для изоляции болтов и шпилек, гильзы для пазовой изоляции обмоток и другие фасонные изделия. Основные виды микафолия по нагревостойкости относятся к классу В, т. е. могут работать при температурах до 130 °С. Микалента — рулонный материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Микаленту получают наклеиванием в один слой листочков щепаной слюды (с перекрытием) на тонкую (0,02—0,03 мм) микалентную бумагу или стеклянную ткань. Такой материал имеет толщину 0,08 мм. Микалента толщиной 0,10; 0,13; 0,17 и 0,21 мм оклеивается микалентной бумагой или стеклотканью с двух сторон. В качестве лаков применяют масляно-битумные (черные) или масляно-глифталевые (светлые), а в производстве стекломикаленты — нагревостойкие кремнийорганические лаки. В микаленте содержится (по массе): 30—60 % слюды; 25—20 % бумаги; 32—15 % клеящего вещества; остальное — летучие вещества. Микалента выпускается в рулонах шириной 400 мм и в роликах шириной 10, 15, 20, 23, 25, 30 и 35 мм. Для сохранения гибкости микаленту поставляют и хранят в герметически закрытой таре (металлических коробках). Микаленту применяют в качестве основной изоляции обмоток (стержней) в генераторах и электродвигателях высокого напряжения. Наибольшей нагревостойкостью обладают микаленты на кремнийорганическом связующем с подложкой из стеклянной ткани. «Слюдинитовые и слюдопластовые материалы» При разработке природной слюды и изготовлении из нее электроизоляционных материалов образуется около 90 % различных отходов. Среди них большой процент составляют мелкие отходы слюды — скрап. Из очищенного скрапа слюды мусковит изготовляют слюдяную (слюдинитовую) бумагу, из которой получают твердые или гибкие электроизоляционные материалы — слюдиниты. Для улучшения электрических и механических свойств слюдинитовых бумаг в слюдяную пульпу вводят различные склеивающие вещества. Методом горячего прессования с применением связующих из слюдинитовой бумаги изготовляют те же электроизоляционные материалы, что и из щепаной слюды. Однако слюдинитовые материалы имеют большие равномерность по толщине и однородность и несколько повышенные электрические характеристики. Недостатками их по сравнению с миканитами являются меньшая механическая прочность и несколько пониженная влагостойкость. Наибольшее применение получили слюдинитовая и стеклослюдинитовая ленты, отличающиеся по сравнению с микалентой большей однородностью свойств. Повышенной нагревостойкостью обладают стеклослюдинитовые ленты на кремнийорганическом связующем. Находят применение коллекторный, прокладочный и гибкий слюдиниты. Электрические характеристики слюдинитовых материалов находятся на том же уровне, что и материалов из щепаной слюды. Стеклослюдинитовые ленты применяют для витковой и корпусной изоляции в электрических машинах вместо микаленты. По нагревостойкости слюдинитовые материалы в зависимости от применяемого связующего относятся к классам В, F и Н. Первая попытка использования отходов слюды привела к созданию твердых листовых материалов и гибких лент на основе слюдинитовых бумаг — слюдинитовых электроизоляционных материалов, которые заменили клееные материалы из щепаной слюды. Но слюдинитовая бумага, являющаяся основой всех слюдинитовых материалов, обладает малой механической прочностью. Слюдопластовые бумаги, обладают по сравнению со слюдинитовыми более высокую механической прочностью. Слюдопластовую бумагу изготовляют измельчением отходов слюды (флогопит), но без применения их высокотемпературной (800 °С) и химической обработки, которые имеют место в производстве слюдинитовой бумаги. Это позволяет частичкам слюды в большей степени сохранять способность сцепляться друг с другом и получаемая слюдопластовая бумага обладает значительно большей механической прочностью, чем слюдинитовая. Слюдопластовые бумаги, как и слюдинитовые, пористы и поэтому выполненную из них изоляцию применяют после пропитки ее электроизоляционными лаками или компаундами. Наиболее перспективными пропиточными и связующими веществами являются кремнийорганические лаки, поскольку они обеспечивают получение нагревостойких электроизоляционных материалов (ленты и др.). Применение пропиточных и связующих составов и подложек в виде стеклянной ткани позволяет получать тот же ассортимент электроизоляционных материалов, что и из щепаной слюды. Это — коллекторный прокладочный, формовочный и гибкий слюдопласты, а также слюдопластофолий, стеклослюдопластовая лента и другие композиционные материалы на основе слюдопластовой бумаги. Опыт применения слюдинитовых и слюдопластовых материалов в качестве витковой, межвитковой и пазовой изоляции электрических машин показал, что они имеют более равномерную толщину и большие значения электрической прочности по сравнению с многими клееными материалами из щепаной слюды. Широкое внедрение этих материалов в электротехническое производство имеет большое технико-экономическое значение. «Электрокерамические материалы» Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд и др.) и по назначению делят на три группы: изоляторная, конденсаторная и сегнетоэлектрическая керамика. Все электрокерамические материалы негигроскопичны и атмосферостойки. Электротехнический фарфор является одним из широко применяемых электрокерамических материалов и служит для изготовления различных конструкций изоляторов высокого и низкого напряжения (рис. 31, а, б). а — низкого (220 В) напряжения, б — высокого (35 кВ) напряжения Рисунок 31 Штыревые фарфоровые изоляторы Исходная электрофарфоровая масса состоит из 42—50 % глинистых веществ, 20—25 % кварца, 22—30 % калиевого полевого шпата и 5—8 % измельченных бракованных фарфоровых изделий. Для получения тестообразной массы в измельченные компоненты вводят 20—22 % воды. После этого тестообразную фарфоровую массу подвергают вакуумной обработке для удаления из нее воздушных включений. Масса, получаемая на вакуум-прессе, представляет собой монолитный цилиндр, который по выходе из мундштука разрезается на куски заданной длины (заготовки), из которых формуют прессованием в гипсовых или стальных формах и другими методами различные типы изоляторов. Извлеченные из форм изоляторы поступают на токарные станки, где им придают окончательные очертания и размеры. Обточенные изоляторы, имеющие влажность 16—18 %, поступают в сушилки, где влажность снижается до 0,1—2 %. В связи с удалением воды происходит воздушная усадка — уменьшение объема изделий. Высушенные фарфоровые изделия покрывают жидкой глазурной суспензией (глазурью), состав которой отличается от состава жидкой фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварца, полевого шпата, доломита и др.). В цветные глазури вводят красители — хромистый железняк, пиролюзит и др. При обжиге электрофарфоровых изделий слой глазури плавится, создавая на их поверхности ровное стекловидное покрытие. Глазурь повышает механическую прочность изоляторов, делает их стойкими к влаге и атмосферным загрязнениям. Цветные глазури служат также для маркировки изоляторов. Термическую обработку — обжиг изоляторов — производят в туннельных печах непрерывного действия, которые и отличаются высокой производительностью. Высушенные и покрытые глазурной суспензией изоляторы, установленные на специальные вагонетки, перемещаются в туннеле печи, последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения с заданными температурами. При выходе из печи они представляют собой готовые электрокерамические изделия. При обжиге электрокерамических изделий пламя и газы не должны непосредственно действовать на них, поэтому изоляторы и другие изделия помещают в огнеупорные капсели, которые представляют собой круглые коробки из огнеупорной керамической массы. Полученные после обжига электрокерамические изделия подвергают механическим и электрическим испытаниям, отбраковывая дефектные изделия. Стеатит также является электрокерамическим материалом и отличается от электрофарфора повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Стеатитовые электроизоляционные изделия могут работать при температурах до 250 °С, существенно не изменяя своих электрических характеристик. У изделий же из электротехнического фарфора наблюдается резкое ухудшение электрических характеристик, начиная от 100 0С и выше. Стеатит – материал более дорогой, чем электрофорфор, так как для его изготовления используется более дорогое сырье. Из пластичной стеатитовой массы массы изготавливают стеатитовые изоляторы и электроизоляционные изделия методом прессования в гипсовых формах. Керамические конденсаторные материалы отличаются от керамических изоляторных материалов большей диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготовлять из них керамические конденсаторы большой емкости и сравнительно малых габаритов. Керамические конденсаторы не обладают гигроскопичностью и поэтому не нуждаются в защитных корпусах и оболочках, которые необходимы для бумажных и слюдяных конденсаторов. Технология производства керамических конденсаторов значительно проще, чем бумажных и слюдяных. Керамические конденсаторы изготовляют методами керамической технологии — литьем в гипсовые или стальные формы, прессованием и др., а затем обжигают в печах при конечных температурах 1450—1700 °С. В результате получают неувлажняемые, механически прочные заготовки, на поверхность которых наносят (методом вжигания) сплошные серебряные электроды 1 толщиной 15—20 мкм, припаривают к ним медные выводы. Для защиты электродов от коррозии и исключения возможности замыкания всю поверхность керамических конденсаторов покрывают сплошным слоем влагостойкой эмали. Для придания пластичности в некоторые исходные конденсаторные массы вводят небольшое количество глинистых веществ. Это, однако, вызывает ухудшение электрических характеристик керамических конденсаторов. Сегнетокерамические материалы (сегнетокерамика) относятся к группе диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. В отличие от ранее рассмотренных диэлектрических материалов у сегнетоэлектриков наблюдаются аномально большие значения диэлектрической проницаемости, что позволяет применять их в качестве датчиков температуры при измерении ее электрическими методами. Большая диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков позволяет изготовлять из них миниатюрные электрические конденсаторы большой емкости. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно возрастает с ростом приложенного к ним напряжения, чего не наблюдается у обычных диэлектриков. Это характерное свойство сегнетоэлектриков используют в диэлектрических усилителях. Если пластинку сегнетоэлектрика сжимать или растягивать, прикладывая к ее сторонам механические усилия, на ее противоположных поверхностях наводятся электрические заряды разного знака. В результате пластинка сегнетоэлектрика становится источником эдс. Это явление, называемое прямым пьезоэффектом,позволяет применять сегнетоэлектрики в электрических датчиках для измерения давления. Если же к пластине сегнетоэлектрика приложить переменное напряжение, она начинает вибрировать с той частотой, с какой изменяется переменное напряжение. Это явление называют обратным пьезоэффектом. Изготовляемые из сегнетоэлектриков пьезоэлементы служат источником высокочастотных колебаний. Керамические сегнетоэлектрики не поглощают влагу, не растворяются в воде и могут работать в достаточно широком интервале температур. Все сегнетоэлектрики обладают характерными сегнетоэлектрическими свойствами только до определенной температуры: титанат бария — до 120 °С, а цирконат свинца — до 461 °С. При превышении этих температур сегнетоэлектрики теряют свои характерные свойства и становятся обычными диэлектриками. «Силикатные (неорганические) стекла» Неорганическое стекло — дешевый материал, так как его изготовляют из доступных веществ: кварцевого песка SiО2, соды Na2СОз, доломита CaCO3·MgCO3, мела СаСОз и некоторых других. Смесь этих веществ, взятых в определенном соотношении, называют шихтой. Загруженная в стекловаренную печь шихта при нагревании до 1350—1600 °С плавится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия. Основным стеклообразующим веществом является кварцевый песок, который содержит 98 % SiО2. Практически стекло можно получать из одного кварцевого песка, однако расплавить его можно только при очень высокой температуре (около 2000 °С). Для этого необходимы дорогостоящие печи и другое сложное оборудование. Правда, чистые кварцевые стекла обладают рядом ценных свойств: очень высокими электрическими характеристиками, стойкостью к влаге (гидролитическая стойкость). Изделия из кварцевого стекла, нагретые до красного, каления и погруженные в холодную воду, не растрескиваются. Некоторые термостойкие электроизоляционные изделия (небольшие изоляторы) изготовляют из чистого кварцевого стекла. Для получения других видов стекла составляют шихту, в которую кроме кварцевого песка входят вещества, снижающие его температуру плавления (кальцинированная сода, мел, доломит и др.). При нагревании шихты из нее вначале испаряется влага, улетучиваются газы в атмосферу, а оставшиеся оксиды натрия, калия, кальция и других веществ вступают в химические реакции с кремнеземом Si03, образуя сложные соединения, называемые силикатами. Поэтому неорганические стекла называют силикатными. При температуре 1350—1600 °С силикаты плавятся, образуя вязкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия. Так, выдуванием в металлические формы получают баллоны ламп, а прессованием — стеклянные изоляторы и другие изделия. По химическому составу все силикатные стекла можно разделить на четыре группы: щелочные, щелочные с содержанием тяжелых оксидов, малощелочные и бесщелочные. Щелочные стекла сравнительно легкоплавкие (1350 °С) и содержат большое количество щелочных оксидов. К этой группе принадлежат оконное, посудное и бутылочное стекло. Щелочные стекла обладают низкими значениями электрических характеристик и имеют большой коэффициент температурного расширения, что обусловливает их низкую термостойкость. Щелочные стекла с содержанием тяжелых оксидов обладают повышенными электрическими характеристиками. К этой группе относятся флинты и кроны, применяемые для изготовления электроизоляционных изделий (конденсаторов и др.). Малощелочные стекла содержат щелочных оксидов не более 5 % и используются для изготовления стеклянных изоляторов высокого напряжения. Бесщелочные стекла либо совершенно не содержат щелочных оксидов (например, кварцевое стекло), либо содержат их не более 2 % и служат для изготовления стеклянного волокна для электроизоляционных стеклотканей. Эти стекла отличаются сравнительно высокой температурой плавления, для понижения которой в состав шихты вводят борный ангидрид (до 10%). До последнего времени все изоляторы изготовляли из электротехнического фарфора. Попытки применить для этой цели стекло оканчивались неудачей из-за недостаточной механической прочности и термической стойкости стеклянных изоляторов. В настоящее время разработаны состав малощелочного изоляторного стекла и технология производства изоляторов из закаленного стекла. Согласно этой технологии стекломасса, поступающая из ванной печи, подается в чугунную пресс-форму автоматического пресса, где происходит прессование изолятора. Затем нагретый изолятор извлекается из формы и равномерно обдувается со всех сторон холодным воздухом, поступающим через сопла. Механическая прочность закаленных стеклянных изоляторов в 2—3 раза выше, чем незакаленных, и выше, чем фарфоровых изоляторов. Поэтому размеры закаленных стеклянных изоляторов на 10—20 % (по сравнению с фарфоровыми) меньше. Стеклянные изоляторы малых габаритов (штыревые на 10 кВ и некоторые другие) изготовляют не из закаленного, а из отожженного стекла. В этом случае изоляторы, отпрессованные на пресс-автоматах, отжигают в печах, медленно повышая, а затем медленно понижая до комнатной температуры. Такой отжиг снимает все внутренние напряжения, возникшие за счет неравномерного охлаждения при прессовании стеклянных изоляторов. Раздел 4 Полупроводниковые материалы Тема 4.1 Основные свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы и их параметры Полупроводники занимают промежуточное место по электрической проводимости между металлическими проводниками и диэлектриками. Электрическое сопротивление металлических проводников с повышением температуры увеличивается, а полупроводников и диэлектриков уменьшается. Проводники имеют огромное количество свободных электронов, направленное перемещение которых является током проводимости, а в полупроводниках свободных электронов немного. Это объясняется тем, что валентные электроны в полупроводниках связаны со своими атомами, т. е. не являются свободными. Ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий: нагревания, облучения или при введении некоторых примесей. Это увеличивает энергию валентных электронов, позволяет им отрываться от своих атомов и под действием приложенного напряжения направленно перемещаться, т. е. становиться носителями тока. Чем выше температура полупроводника или чем интенсивнее его облучение, тем больше в нем свободных электронов и тем больше ток. Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, которые не могут перемещаться. Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном, называют дыркой. Эту дырку (вакансию) может занять другой электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате на оболочке соседнего атома тоже появится дырка, т. е. он превратится в положительно заряженный ион. Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а дырки — в противоположном. Дырку принято считать положительно заряженной частицей с зарядом, равным заряду электрона. Кажущееся перемещение дырок в направлении, противоположном перемещению электронов, называют дырочным током. Электропроводности полупроводников, обусловленные движением электронов и дырок, называют соответственно электронной и дырочной. В чистом полупроводнике концентрации электронов Nэ и дырок Nд одинаковы, и электропроводность такого полупроводника называют собственной (рис. 32). Рисунок 32 Схема движения электронов и дырок в полупроводнике собственной электропроводности В этом случае общий ток I складывается из электронного Iэ и дырочного Iд токов: Но так как подвижность электронов больше, чем подвижность дырок, электронный ток больше дырочного. Для создания полупроводниковых приборов (например, выпрямительных диодов) требуются полупроводниковые материалы, обладающие преимущественно электронной или дырочной электропроводностью. Для получения таких материалов в тщательно очищенный полупроводник вводят соответствующую легирующую примесь. Легирующие примеси, валентность которых выше валентности полупроводника, снабжают его свободными электронами и называются донорными, или донорами. Примеси, имеющие меньшую валентность, чем полупроводник, обладают способностью захватывать и удерживать его электроны, на месте которых образуются дырки. Такие примеси называют акцепторными, или акцепторами. Чтобы получить полупроводник, обладающий только электронной электропроводностью, в него вводят атомы вещества, валентность которого на единицу больше валентности атомов основного полупроводника. Так, в германий Ge, состоящий из четырех валентных атомов, вводят донорную примесь — сурьму Sb или фосфор Р, состоящую из пятивалентных атомов (рис. 33). Рисунок 33 Кристаллическая решетка германия с введенной в него донорной примесью (фосфором) Четыре электрона каждого из атомов введенной примеси устанавливают четыре ковалентные (парные) связи с соответствующими атомами полупроводника. Пятый остается без такой связи, следовательно, переходит в свободное состояние и под действием приложенного напряжения принимает участие в образовании электронного тока. Рисунок 34 Схема движения электронов и дырок в полупроводнике с донорной примесью Как видно из рис. 34, основными носителями заряда в полупроводнике с донорной примесью являются электроны, составляющие примесную электропроводность. Две дырки и соответствующие им два электрона образуются в результате ионизации атомов германия. Эти носители заряда обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов, но электронный ток во много раз больше дырочного. Такой полупроводник называют электронным, или n-типа. При введении в германий акцепторной примеси, например бора В, каждый из ее атомов установит три ковалентные связи с соседними атомами германия. Но так как у бора всего три валентных электрона, они могут установить связи только с тремя ближайшими атомами германия. Для связи с четвертым атомом германия атом бора электрона не имеет. Таким образом, несколько атомов германия будут иметь по одному электрону без ковалентной связи. При этом достаточно небольших внешних энергетических воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атома германия (рис. 35). Рисунок 35 Кристаллическая решетка германия с введенной в него акцепторной примесью (бором) Освободившиеся электроны 2, 4 и 6 атомов германия присоединятся к атомам бора и поэтому не могут создать ток в полупроводнике. Образовавшиеся же у атомов германия дырки 1,3 к 5 позволяют перейти на них электронам от соседних атомов, где, в свою очередь, возникнут новые дырки. Таким образом, каждая возникающая положительно заряженная дырка будет переходить от одного атома германия к другому, от него — к следующему и т. д. Под действием приложенного напряжения это движение дырок упорядочится, т. е. в полупроводнике возникнет примесный дырочный ток. Кроме того, в полупроводнике будет небольшое количество пар свободных электронов и дырок, обусловленных его собственной электропроводностью. Общий ток в полупроводнике по-прежнему будет равен сумме электронного и дырочного токов. Такой полупроводник называют дырочным, или р-типа. Рисунок 36 Схема движения дырок и электронов в полупроводнике с акцепторной примесью Из схемы движения дырок и электронов в полупроводнике с акцепторной примесью (рис. 36) видно, что положительно заряженных частиц (дырок) в нем значительно больше, чем электронов. Таким образом, ясно, что примеси значительно увеличивают электропроводность полупроводников. Под действием приложенного напряжения электроны и дырки при перемещении в полупроводнике, встречая различного рода препятствия, теряют часть энергии и отклоняются от своего пути, т. е. происходит рассеяние носителей заряда, вызываемое, главным образом, различными загрязняющими примесями. Чем чище полупроводник, тем меньше рассеяние носителей заряда и выше подвижность электронов и дырок, а следовательно, большей удельной проводимостью у обладает полупроводник. С ростом температуры проводимость всех полупроводников увеличивается (рис. 37). Рисунок 37 Зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры при малой (1) и большой (2) концентрациях легирующей примеси Рисунок 38 Зависимость тока и сопротивления полупроводника от приложенного напряжения Происходит это тем интенсивней, чем больше донорной или акцепторной примеси введено в полупроводник. До температуры Т1 в полупроводнике наблюдается примесная электропроводность, обусловленная движением избыточных зарядов. В интервале температур Т1— Т2 проводимость полупроводника несколько уменьшается (кривая 1). Это вызвано интенсивными тепловыми колебаниями его атомов, мешающими перемещению свободных электронов или дырок. При дальнейшем же росте температуры в полупроводнике развивается собственная электропроводность. В связи с этим образуется большое количество новых электронов и дырок, направленное перемещение которых создает все возрастающий ток в полупроводнике, и его удельная проводимость резко возрастает. Кривая 2 не показывает уменьшения удельной проводимости высоколегированного полупроводника в интервале температур Т1 — Т2. Это объясняется большим количеством поступающих в полупроводник примесных электронов и дырок. Участие примесных носителей заряда вполне компенсирует возрастание сопротивления полупроводника в этом интервале температур. При температуре абсолютного нуля ( — 273 °С) электроны не обладают подвижностью, т. е. прочно связаны со своими атомами, вследствие чего полупроводники становятся диэлектриками. Характерным свойством полупроводников является нелинейность зависимости их тока от приложенного напряжения (рис. 38), т. е. ток растет значительно быстрее, чем напряжение. Одновременно с ростом тока резко уменьшается электрическое сопротивление полупроводника. Это свойство используют в вентильных полупроводпиковых разрядниках, присоединяя их к проводам линии электропередачи для защиты от больших токов при ударе молнии. При нормальном напряжении разрядник, обладая очень большим сопротивлением, не пропускает ток с линии электропередачи на землю. При ударе молнии провода находятся под воздействием очень большого напряжения, электрическое сопротивление вентильного разрядника резко уменьшается и он отводит большой ток с линии на землю. В результате напряжение линии электропередачи снижается до нормального значения. Большое сопротивление разрядники восстанавливается и он снова не пропускает ток с линии на землю. Экспериментально определить характер электропроводности можно двумя способами: с помощью эффекта Холла и термическим способом. Сущность эффекта Холла заключается в том, что при воздействии поперечного постоянного магнитного поля на пластинку материала, вдоль которой перемещаются носители заряда, происходит смещение так, что плотность носителей в поперечном cечении становится неравномерной. В результате этого между боковыми гранями пластинки возникает некоторая разность потенциалов — поперечная э. д. с. Холла. В зависимости от типа электропроводности меняется направление поперечной э. д. с. (рис. 39). Рисунок 39 Метод определения типа электропроводности полупроводников при помощи эффекта Холла Термический способ, заключается в следующем, нагревании конца пластинки из полупроводникового материала с электропроводностью типа р горячий конец с температурой tг будет заряжен положительно по сравнению с холодным концом, имеющим температуру tx. При соединении обоих концов проводниковой цепью в ней обнаружится ток соответствующего направления. При электропроводности пластинки типа n горячий конец будет заряжен отрицательно по сравнению с холодным концом, что отразится на направлении тока в электрической цепи, соединяющей оба конца (рис. 40). Рисунок 40 Термический метод определения типа электропроводности полупроводников «Полупроводниковые материалы» Среди большого количества полупроводниковых материалов неорганического и органического происхождения монокристаллической и поликристаллической структуры в электротехнике используют в основном германий, кремний, селен и карбид кремния, из которых изготовляют полупроводниковые приборы. Кремний и германий относятся к алмазоподобным полупроводникам, так как они имеют кристаллическую структуру алмаза (рис. 41) —куб, в вершинах и в центрах граней которого расположены атомы углерода. Кроме того, атомы углерода находятся в центрах четырех (из восьми) малых кубов (октантов), на которые делится большой куб. Рисунок 41 Кристаллическая структура алмазного типа Германий Ge—элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Исходными сырьевыми материалами для получения германия служат цинковые и сульфидные руды. В результате сложных химических процессов получают слиток германия, который еще нельзя применять для изготовления полупроводниковых приборов, так как он содержит примеси и не является монокристаллом. Сначала этот слиток методом зонной плавки освобождают от примесей, которые в очищенном германии должны составлять не более 5 ·10 - 9 %. Чтобы получить монокристаллический германий, его расплавляют в вакууме или атмосфере инертного газа. Для получения германия электропроводностью n- или p типа в расплав очищенного германия вводят соответственно донорную или акцепторную примесь. Затем из расплава вытягивают с определенной скоростью чистый монокристаллический германий в виде сплошного цилиндра заданного диаметра. Германий имеет ярко-серебристый цвет, его плотность 5322 кг/м3, а температура плавления 937,2 °С. Все сорта германия обладают большой твердостью и хрупкостью и легко увлажняются. Германий широко применяют для изготовления диодов и фотоэлементов. Кремний Si является элементом четвертой группы периодической системы Менделеева. Широко распространенный в природе в виде кремнезема Si02 служит одним из исходных веществ для получения технических сортов кремния. В результате очистки слитков кремния методом зонной плавки получают в зависимости от введенных легирующих примесей монокристаллический кремний электропроводностью n- или р-типа. В очищенном кремнии примеси должны составлять не более 10 -11 %. Образцы полированного кремния имеют цвет стали. Кремний, как и германий, представляет собой хрупкий материал. Основные характеристики очищенного нелегированного кремния: плотность 2320 кг/м3, темпера- тура плавления 1420 °С. Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний предел рабочей температуры полупроводниковых приборов на его основе 150 — 200 °С, а на основе германия 70—80 °С. Кремний используют в производстве интегральных микросхем. Селен Se — элемент шестой группы периодической системы Менделеева. Исходными материалами для его получения являются остатки, образующиеся при электролитическом рафинировании меди. Твердый селен может иметь аморфное или кристаллическое строение. Черный аморфный селен, получаемый из очищенного расплавленного селена при быстром охлаждении его до комнатной температуры, представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением р=10-11 Ом-м. Серый кристаллический селен получают из расплавленного аморфного селена при медленном охлаждении его от температуры плавления (220 °С) до комнатной. Кристаллический селен является примесным полупроводником р-типа, имеющим поликристаллическую структуру. Основные характеристики селена: плотность 4800 кг/м3, температура плавления 217 °С, Интервал рабочих температур селена в выпрямителях от — 60 до 75 °С. Селен применяют для изготовления селеновых выпрямителей, фотоэлементов и фоторезисторов. Карбид кремния SiC представляет собой хрупкий материал поликристаллического строения с ярко выраженной нелинейной зависимостью между током и напряжением. Карбид кремния образуется в результате химического соединения кремния и углерода. Исходными материалами для его получения являются чистый кварцевый песок и кокс. Чтобы получить примесную электрическую проводимость того или другого типа, в исходный состав (шихту) вводят примеси — фосфор, сурьму, висмут, магний, алюминий и др. Реакция образования карбида кремния ведется при конечной температуре приблизительно 2000 °С. Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом, имеет темно-зеленую окраску и обладает электропроводностью n-типа, а легированный галлием, алюминием или бором, имеет темно-фиолетовую окраску и обладает электрической проводимостью р-типа. Основные характеристики карбида кремния: плотность 3200 кг/м3, температура плавления 2700 °С. Как и кристаллический селен, карбид кремния является примесным полупроводником, но при температуре 1400 °С и выше у него появляется собственная электропроводность. В основном наиболее чистые сорта карбида кремния применяют в производстве варисторов — резисторов, обладающих нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и работающих в интервале температур от —50 до +80 °С. Варисторы используют в устройствах автоматического регулирования. Из поликристаллического карбида кремния методом возгонки в инертном газе получают монокристаллы карбида кремния, отличающиеся химической чистотой, которые широко используют для изготовления диодов и транзисторов на рабочие температуры до 700 °С, а также для производства светодиодов. Раздел 5 Магнитные материалы Тема 5.1 Основные характеристики магнитных материалов Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т. е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными. Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками: 1) Магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость) μr является безразмерной величиной и входит в выражение абсолютной магнитной проницаемости (Гн/м): где μо — магнитная постоянная, равная 1,256637· 10-6 Гн/м. Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал и, наоборот, чем она меньше, тем в меньшей степени материал может быть намагничен . Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры — температуры Кюри θК, по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала. 2) Индукцией насыщения Bs определяются свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (рис. 42). Рисунок 42 Начальная кривая намагничивания (1) и петля гистерезиса (2) Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В магнитного материала в зависимости от напряженности Н: вначале магнитная индукция растет, затем ее рост замедляется, а по достижении индукции В она остается постоянной. При этом говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а индукцию В называют индукцией насыщения. Чем больше Bs, тем выше свойства магнитного материала. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 3) Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс также характеризуют свойства магнитных материалов. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке О и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Bs. При уменьшении напряженности Н магнитная индукция также будет уменьшаться, но начиная с Вм ее значения не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и, когда напряженность магнитного поля станет равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Вr. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (— Н). Напряженность поля Hs, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой. Если после этого образец магнитного материала начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения (—Bs). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения Bs. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или статической петлей гистерезиса. Предельную петлю гистерезиса снимают при медленном изменении постоянного магнитного поля от + Н до —Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Bs. 4) Коэффициент прямоугольности αп, характеризующий степень прямоугольности предельной петли гистерезиса, рассчитывают по формуле: Чем больше αп, тем более прямоугольна петля гистерезиса. При воздействии на материал переменного магнитного поля получают динамическую кривую намагничивания и динамическую петлю гистерезиса. Отношение значения индукции к значению магнитного поля на динамической кривой представляет собой 5) динамическую магнитную проницаемость: При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. При этом значения динамической магнитной проницаемости практически совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Динамическая петля гистерезиса имеет несколько большую площадь, чем статическая, так как при воздействии переменного магнитного поля в материале кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие. Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления ρ магнитного материала: чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи. 6) Удельная объемная энергия W — это энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между его полюсами), отнесенная к единице его объема (Дж/м3). Магнитной характеристикой материала является максимальная объемная энергия (Дж/м3): где Bd и Hd — индукция и соответствующая максимальной удельной объемной энергии напряженность магнитного поля. Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса. Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μн и μм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О2, азот N2 и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов. Магнитотвердые материалы обладают большими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с большим трудом, а будучи намагничены могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля. Магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов. По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим относят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим — ферриты. «Металлические магнитомягкие материалы» Основными металлическими магнитомягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремниевые стали. Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы содержанием никеля от 36 до 80 %. Для улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50 % никеля, называются низконикелевыми, а 60—80 % — высоконикелевыми. Все пермаллои отличаются высокими магнитными характеристиками, что обеспечивается не только их составом и химической чистотой, а также специальной тепловой обработкой. При этом сплав нагревают со скоростью 400—500 °С в час, выдерживают при 1000—1150°С в течение 3—6 ч, затем охлаждают со скоростью 100—200 °С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600 °С и быстрое охлаждение со скоростью 150 °С в минуту. Наилучшие магнитные характеристики имеют пермаллои, отжигаемые в вакууме. Все пермаллои чувствительны к механическим деформациям, наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали из пермаллоя, полученные этими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу (по определенному режиму). Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002—1,5 мм, листов толщиной 1—2,5 мм и прутков диаметром 8—60 мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, а высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых. Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13 % алюминия, 9—10 % кремния, остальное — железо. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Кроме того, из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм. Трансформаторные стали. Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали (0,04%), в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния для улучшения магнитных свойств. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем 2FeO + Si →2Fe+Si02. Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний также способствует росту кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь в количестве, не превышающем 4,8 %. Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. В соответствии с этим различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь. Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов и намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому для улучшения магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900 °С. При прокатке листов стали в одном и том же направлении кристаллы железа ориентированы преимущественно в направлении прокатки. При последующем отжиге листов стали из материала удаляются примеси, снижающие его магнитные свойства (углерод, кислород). Кроме того, при отжиге деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму. Холоднокатаные кремнистые стали, кристаллы железа которых расположены преимущественно в направлении прокатки, называют текстурованными. Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае все магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных. Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки. Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1 мм. Это доступный и дешевый материал. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные стали, а также холоднокатаные малотекстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные. Обозначения марок электротехнической стали расшифровываются следующим образом: буква Э — «электротехническая сталь»; первые цифры 1, 2, 3 и 4 после буквы Э —степень легирования кремнием, а именно: 1 — слаболегированная сталь с содержанием кремния в пределах 0,8—1,8%, имеющая удельное объемное сопротивление 0,2·10 - 6 Ом·м; 2 — среднелегированная с содержанием кремния в пределах 1,8—2,8% (0,40-10 -6 Ом-м); 3 — повышенно легированная сталь с содержанием кремния в пределах 2,8—3,8% (0,50·10 -6 Ом· м); 4 — высоколегированная сталь с содержанием кремния 3,8—4,8% (0,60· 10-6 Ом-м). Вторые цифры (от 1 до 8) указывают на важнейшие магнитные свойства: 1 — нормальные удельные потери; 2 — пониженные потери; 3 — низкие потери; буква А — особо низкие потери; 4 — гарантированные значения потерь при частоте 400 Гц и магнитной индукции в средних по силе полях; 5 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 6 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях; 8 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях. Третья цифра (0) означает холоднокатаную текстурованную сталь; третья и четвертая цифры (00) означают холоднокатаную малотекстурованную сталь. Примеры обозначения марок: Э41, Э48А, Э3100, Э330А. В трансформаторостроении применяют листовую и рулонную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Применение стали пониженной толщины сказывается благоприятно на снижении потерь на вихревые токи. «Изолирующие и защитные покрытия трансформаторных сталей» Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака. Магнитопроводы ремонтируют частично и полностью, в зависимости от степени повреждения. Очаги прогара и оплавления активной стали расчищают, снимая образовавшиеся наплывы металла карборундовым камнем или вырубая зубилом. После очистки поврежденного участка от наплывов металла частично распрессовывают пластины магнитопровода на этом участке, отделяют сварившиеся кромками пластины друг от друга, и очистив этот участок от остатков старой изоляции и металлических опилок, изолируют пластины снова. Полная разборка и перешихтовка магнитопровода необходима при таких тяжелых повреждениях, как «пожар стали», при котором может выйти из строя значительная часть пластин активной стали магнитопровода и изоляционных деталей. Очистку листов стали (пластин) магнитопровода от старой изоляции осуществляют механическим и химическим способами, а также отжигом и отпариваем в горячей воде. Механический способ используют преимущественно для очистки пластин горячекатаной стали обычно на станках с вращающимися стальными кардолентными щетками. Этот способ наиболее распостранненый и простой, обеспечивающий быструю очистку стали, но возникающая шлифовка поверхности увеличивает потери в стали. Химический способ очистки позволяет легко удалять с пластин лаковую и бумажную изоляцию. При удалении лаковой изоляции пластины погружают в специальную ванну с каустической содой на 15 – 20 минут, затем вынимают и промывают проточной горячей водой и сушат. Способом отжига в специальных термических печах при 300-500 0С используют для очистки пластин, покрытых тонкими листами бумаги и лаками. Применяют редко из – за резкого снижения магнитной проницаемости и увеличения потерь в стали вследствие образования окалины на поверхности пластин и изменения структуры стали, кроме того идет загрязнение атмосфе5ры продуктами сгорания бумаги и лака. Наиболее простой способ удаления бумажной изоляции с пластин – отпаривание в воде, нагретой до 90-100 0С. Для ускорения отслоения добавляют слабый раствор каустической соды. После очистки любым из способов пластины изолируют снова с обеих сторон однократно и двукратно пленкой лака и запекая ее. Основным повреждением шихтованных сердечников является порча изоляции вследствие повышения температуры магнитопровода. Порча изоляции, в частности лака, отражается в виде высыхания и потрескивания. В следствие повреждения изоляции происходит короткое замыкание, которое приводит к спайке трансформаторных листов. Для предупреждения повреждения сердечников необходимо следить за нагрузкой трансформатора, а следственно, за рабочей температурой трансформатора, производить проверку на наличие повреждений в изоляции. «Металлические магнитотвердые материалы» Основное требование, предъявляемое к постоянным магнитам, состоит в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по значениям напряженностью и магнитной индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т.е. магнитотвердые материалы должны иметь возможно большие коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию. Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается, а следовательно, снижается и удельная магнитная энергия. Этот процесс называют старением магнита. Если старение магнита наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры, ему повторным намагничиванием можно возвратить прежние магнитные свойства. Старение же, связанное с изменением структуры магнитотвердого материала, является необратимым. Поэтому магнитотвердые материалы должны быть устойчивы к старению. Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению. Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. «Ферриты» Ферриты изготовляют из порошкообразных смесей, состоящих из оксидов железа и специально подобранных других металлов. Отпрессованные ферритовые изделия спекают при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или реже одновалентного металла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит оксид цинка ZnO, то феррит называют ферритом цинка, если оксид никеля NiO — ферритом никеля и т. д. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид другого металла, называют простыми. Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные, или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никельцинковый феррит. Ферриты изготовляют по керамической технологии, т. е. исходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соотношении, измельчают в шаровых мельницах, затем из смеси тонкопомолотых порошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печах. Спекшиеся брикеты размалывают и в полученный тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000—1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета) можно обрабатывать только шлифованием. Достоинство ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей. Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кюри. Температура Кюри различных по составу ферритов колеблется в широких пределах: от 70 до 450 °С. Все ферриты обладают небольшой пористостью. Недостатком всех ферритов являются хрупкость и возможность обработки только шлифованием. Ферриты являются магнитными полупроводниками и, следовательно, с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, что вызывает увеличение потерь на вихревые токи. Раздел 6 Неразъемные соединения Тема 6.1 Сварка, пайка металлов. Припои и флюсы Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений заготовок посредством установления меж­атомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями, что возможно при сближении атомов на расстояние, близкое к пара­метру кристаллической решетки. Сварочные процессы применяют для изготовления сварных кон­струкций, исправления брака литья и восстановления поломанных и изношенных изделий. Свариваются между собой как однородные металлы, так и разно­родные (например, сталь с медью, медь с алюминием), а также ме­таллы с неметаллами (керамикой, стеклом, керметами и др.), пласт­массы. Существует три класса сварки: термический, механический и термомеханический. К термическому классу относятся виды сварки плавлением, когда металл кромок свариваемых частей расплавляется, образуя свароч­ную ванну (иногда вместе с присадочным металлом), а затем затвер­девает, образуя сварной шов. Тепловая энергия, необходимая для этого, получается при преобразовании электрической или химиеской энергии. К этому классу относятся дуговая, электрошлако­вая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная сварка. К механическому классу относятся те виды сварки, при которых определяющим фактором является пластическое деформирование, возникающее под влиянием давления в поверхностных слоях соеди­няемых частей, в результате чего в зонах контакта дробятся и вы­тесняются адсорбированные включения кислорода, азота, паров воды, жировых загрязнений, происходит смятие выступов и запол­нение впадин от шероховатости поверхностей, увеличение активных площадок взаимодействия, сближение атомов до размеров атомных радиусов, обобщение их электронов и образование благодаря этому сварного соединения. К механическому классу относятся холодная, ультразвуковая сварка, сварка взрывом, трением. К термомеханическому классу относятся те виды сварки, при которых для образования сварного соединения используют тепловую энергию и внешнее давление. К этому классу относятся контактная, газопрессовая, диффузионная и другие виды сварки. Для изготовления сварных конструкций применяют следующие основные типы соединений: стыковое, внахлестку, заклепочное, угловое и тавровое. Рисунок 43 Основные типы соединений Стыковые соединения с отбортовкой (рис. 43, 1) применяют при толщине листа до 3 мм, листы толщиной 3—8 мм сваривают без разделки кромок (рис. 43, 2), при толщине листов до 15 мм применяют V-образную разделку кромок (рис. 43, 3), при толщине более 15 мм — Х-образную разделку (рис. 43, 4), при толщине свыше 20 мм — чашеобразную простую или двустороннюю разделку (рис. 43, 5, 6). При соединении вна­хлестку (рис. 43, 7) величина перекрытия кромок равна 3—5-крат­ной толщине свариваемых частей. Электрозаклепками (рис. 43, 8) обеспечивается получение прочных (но не плотных) соединений; для сварки верхний лист про­сверливается (или пробивается) и при заварке отверстия приваривается и нижний лист; тонкие (до 3 мм) листы проплав­ляют дугой по-целому, без от­верстий. Угловые соединения (рис. 43, 9) чаще всего полу­чают без специальной разделки кромок. Тавровые соединения для конструкций, несущих не­большие нагрузки, выполняют без скоса кромок (рис. 43, 10); при больших нагрузках для элементов толщиной 10—20 мм применяют односторонний (рис. 43, 11), а при толщине более 20 мм — двусторонний скос (рис. 43, 12). Приведенные виды разделки кромок и виды швов характерны для дуговой и газовой сварки. Сварка с глубоким проплавлением (лазерная, плазменная, электронно-лучевая) не требует сложной подготовки кромок; другие виды сварки (электрошлаковая, ультра­звуковая, холодная, контактная, диффузионная, термитная, сварка взрывом, трением) требуют лишь выравнивания и очистки сварива­емых поверхностей. «Дуговая сварка и резка» В 1802 г. акад. В. В. Петров открыл явление дугового разряда. В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил применить электрическую дугу для сварки металлов угольным электродом. В 1888 г. горный инженер Н. Г. Славянов заменил графитовый электрод металлическим. В настоящее время около 99 % работ, выполняемых дуговой сваркой, производится по способу Славянова. Дуговая сварка по распространению занимает первое место среди других видов сварки. Ее используют при производстве всех видов подвижного состава железнодорожного транспорта, морских и речных судов, котлов, автомобилей, подъемно-транспортных сооружений, трубопроводов для газов, жидкостей и сыпучих материалов, металлических конструкций и арматуры зданий, промышленных сооружений, мостов, узлов и деталей электрических, сельскохозяйственных и других машин и механизмов. К числу металлов, свариваемых электрической дугой, относятся почти все конструкционные стали, серый и ковкий чугуны, медь, алюминий, никель, титан и их сплавы и другие металлы и сплавы. Сварка по способу Бенардоса. Сварка производится графитовым электродом с присадочным металлом от прутка или без него; сварка этим способом имеет ограниченное применение. Ею пользуются для соединения с отбортовкой тонких стальных заготовок, где не требуется присадочный металл, для цветных металлов и чугуна, а также для наплавки порошковых твердых сплавов. Обычно применяют постоянный ток, причем для устойчивости дуги и лучшего прогрева стыка при сварке пользуются прямой полярностью: заготовку включают анодом (+), а электрод — катодом (—). Сварка по способу Славянова. При сварке применяют металлический электрод в виде проволоки. Дуга возбуждается между электродом и основным металлом и плавит их оба, причем образуется общая ванночка, где перемешивается весь расплавленный металл. Электродная проволока выпускается диаметром от 0,3 до 12 мм. Для сварки углеродистой стали применяют проволоку марок Св-08А, Св-08ГС, Св-10Г2, для сварки легированной стали различных марок — легированную проволоку марок Св-08ГС, Св-18ХГС, Св-ЮХМФТ, Св-12ХПНМФ, Св-12Х13, Св-09Х16Н25М6АФ и др. При ручной сварке пользуются электродами, покрытыми обмазкой. Обмазки бывают стабилизирующими, защитными и легирующими. По толщине покрытия электроды бывают с тонкими, средними, толстыми и особо толстыми покрытиями. Тонкие покрытия являются стабилизирующими; они состоят из мела и жидкого стекла. Находящийся в составе мела кальций выделяется в плазме дуги, ионизирует ее, тем самым способствует устойчивости горения дуги. Средние, толстые и особо толстые покрытия обеспечивают устойчивость горения дуги, а также защиту и легирование металла. Состав этих обмазок подбирается так, чтобы вокруг дуги создавалась газовая среда, защищающая металл электрода, стекающий в дуге, и металл ванночки от окисления и растворения в нем газов. По мере плавления электродов обмазка шлакуется и шлак равномерно покрывает шов, защищая металл от окисления и насыщения азотом. Кроме того, шлак замедляет охлаждение металла, что способствует выделению растворенных газов и уплотнению шва. В случае надобности в обмазку добавляют ферросплавы для легирования. Таким образом, в состав этих покрытий входят ионизирующие (например, мел), газообразующие (мука), шлакообразующие (полевой шпат) вещества, а также раскислители (ферромарганец) и легирующие компоненты. Во всех случаях, когда сварная конструкция должна выдерживать большие нагрузки, применяют электроды с толстыми и особо толстыми покрытиями, обеспечивающими прочность и вязкость шва, не уступающие основному металлу. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах: применяют токи от 1 до 3000 А при напряжении от 10 до 50 В; мощность дуги — от 0,01 до 150 кВт. Такой диапазон мощности дуги позволяет использовать ее для сварки как мельчайших, так и больших и тяжелых изделий. Аппаратура для сварки. Дуговая сварка возможна на постоянном и переменном токах. Дуга на постоянном токе устойчивее, но расход электроэнергии выше. Для питания дуги постоянным током применяют генераторы и выпрямители. Сварочные аппараты и генераторы делят на однопостовые — для питания одной дуги и многопостовые — для питания нескольких дуг. Для сварки используют стандартное напряжение тока (220, 380, 500 В). Рисунок 44 Схема включения сварочного аппарата На рис. 44 приведена схема включения сварочного аппарата переменного тока. Первичная обмотка П трансформатора 4 подключается к сети; ко вторичной обмотке В низкого напряжения (55—65 В) подключается регулятор тока (дроссель) 3. Ток регулируется изменением индуктивного сопротивления дросселя: часть 2 сердечника может перемещаться с помощью винта от вращения рукоятки 1, при этом изменяется воздушный зазор с, а также регулируется сварочный ток. Сварочные генераторы постоянного тока приводятся в действие электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания. Автоматизация электродуговой сварки. При ручной сварке сварщик должен поддерживать дугу, подавать электрод по мере его расходования и передвигать дугу вдоль шва. Автоматизация этих приемов приводит к автоматической сварке. Сущность способа автоматической дуговой сварки под флюсом состоит в следующем. Рисунок 45 Автоматическая сварка Сварочная головка 5 (рис. 45) подает в зону дуги электродную проволоку 3 из кассеты 6. Для питания дуги, образующейся между основным металлом 2 и электродной проволо­кой, обычно пользуются переменным током. По мере образования шва 9 головка 5, а с ней и дуга автоматически перемещаются вдоль разделки 1. Вместе с головкой перемещается и бункер 4, из которого в разделку шва перед дугой засыпают гранулированный флюс. Таким образом, сварка протекает под слоем флюса, защищающего наплавляемый металл от воздуха. Часть флюса распла­вляется от соприкосновения с дугой и при остывании образует корку 8, покрывающую шов. Сыпучий флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается в бункер через сопло и шланг 7. Автоматическая сварка под слоем флюса в 5—10 раз производительнее руч­ной сварки. Дуговая сварка в среде защитных газов. Дуговая сварка в среде защитных газов — углекислом, аргоне или гелии — обеспечивает лучшую, чем при сварке покрытыми электродами или под слоем флюса, защиту от воздействия кислорода и азота воздуха, лучшее использование тепла дуги. Вместе с тем сварка в среде защитных газов не заме­няет названные способы сварки, а применяется в машино- и приборостроении там, где эти способы не дают необходимых результатов. Для сварки в струе углекислого газа применяют горелки-держа­тели (рис. 46). Рисунок 46 Горелка - держатель Дуга 4 горит между заготовкой 5 и электродной проволокой 1, которая автоматически подается с постоянной ско­ростью. Подвод тока к проволоке обеспечивается через контактные сапожки 2. Сварка выполняется на переменном или постоянном токе. Углекислый газ в зону сварки подается через сопло 3; к горелке он поступает от баллона. Образующийся при сварке оксид железа раскисляется марганцем и кремнием, которые в повышенном коли­честве содержатся в электродной проволоке. Сварку в углекислом газе широко применяют для углеродистой стали, заварки дефектов стальных отливок, наплавки и восстановления изношенных деталей. Сварка в инертных газах (аргоне, гелии или их смесях) приме­няется для коррозионно-стойких сталей, титана, алюминия, меди, никеля, их сплавов и сплавов магния. Сварка выполняется плавя­щимся или неплавящимся электродом, постоянным или переменным током. Общая схема установки для сварки плавящимся электродом аналогична установке при сварке в углекислом газе; электродная проволока применяется того же состава, что и основной металл. В качестве неплавящегося электрода используют вольфрамовую проволоку, которую устанавливают в горелку. Для заполнения разделки кромок в зону дуги вводят присадочный металл. Дуговая резка. Резкой с использованием дуги разделяют металл не выжиганием, а расплавлением. Этот способ применяют для резки углеродистой и легированной сталей, чугуна, алюминия, меди и их сплавов, отделения литниковой системы от отливок и т. д. Дуговая резка производится угольным или металлическим электродом. Авто­матическая дуговая резка под флюсом применяется для разделки листов коррозионно-стойкой стали. Воздушно-дуговая резка производится угольным или графитовым электродом, который закрепляется в резаке или режущей головке. В контактно-сопловой части резака (головки) имеются отверстия, через которые струи воздуха выдувают расплавленный металл из реза. «Плазменная резка, сварка и наплавка» Носителем тепловой энергии при плазменной обработке являются потоки ионов, а также электрически нейтральных молекул и атомов, образующихся при пропускании аргона, азота, аммиа­ка, воздуха и других газов и их сме­сей, а также паров воды через дуговой разряд в дуговых плазменных горелках, называемых плазматронами. Плазмен­ная струя имеет температуру 5000— 30 000 °С. Такую плазму называют низкотемпературной, неизотермической. Высокотемпературная, изотермическая плазма может существовать лишь при тепловом равновесии с окружающей средой; в природе она составляет вещество звезд. Степень ионизации высокотемпературной плазмы близка к 100 %, ее температура достигает десятков миллионов градусов. Плазму называют четвертым состоянием вещества, ионизированным газом. Сварка плазменной струей дает хорошие результаты как для соединения тугоплавких металлов, коррозионно-стойких сталей, так и для сплавов алюминия и других цветных металлов. Швы, полученные плазменной сваркой, отличаются малой зоной терми­ческого влияния. При плазменной наплавке присадочный материал может пода­ваться в виде проволоки, ленты или порошка, поэтому этим методом возможна наплавка всех видов наплавочных материалов. Высокая концентрация энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, а также возможность раздельного регулирования нагрева основного и присадочного материалов являются преимуществами этого вида наплавки. Плазменная резка является наиболее производительным видом термической резки, широко применяемом в машино- и судостроении, на заводах подъемно-транспортного оборудования, в трубном произ­водстве, где объем резки листового проката особенно велик. Сжатие и стабилизация дуги осуществляются потоком газа, проходящего вместе со столбом дуги через сопло плазматрона, в результате чего температура острого плазменно-дугового факела достигает 12 000— 20 000 °С, и свойства металла при таком мощном направленном потоке тепловой энергии практически не влияют на процесс резки. В результате локального удаления срезанного слоя поверхность реза получается точной по контуру с малой степенью шероховатости. Плазменная резка при толщине проката 5—40 мм в 2—8 раз производительнее газовой резки. Размеры плазменно-дугового факела ограничивает толщину разрезаемого проката (120— 140 мм). При микроплазменной резке струя имеет форму острой иглы; такая резка весьма эффективна при фигурном раскрое тонкого листо­вого материала взамен механической резки на станках. «Электрошлаковая сварка» Электрошлаковая сварка — способ бездуговой электрической сварки встык в расплавленном шлаке. Для наведения шлака применяют те же флюсы, что и при электрошлаковом пере­плаве стали. Рисунок 47 Электрошлаковая сварка В перегретом шлаке 2 (рис. 47) расплавляется электродная проволока 4 и оплавляются свариваемые кромки 5 заготовки, металл сливается в общей сварочной ванне 1 и по затвердевании образует сварной шов. Медные ползуны 6, охлаждаемые водой, по мере наплавления шва автоматически перемещаются вверх и обеспечивают формирование шва. На рис. 47 показано вертикальное сечение шва и видна лишь одна свариваемая часть заготовки (вторая очерчена штрихами). Зазор устанавливается в пределах 20—25 мм для сво­бодного прохода направляющих 3 с электродной проволокой. Сварку ведут одним электродом (проволокой) или несколькими в зависимости от толщины заготовки на стыке. Электрошлаковая сварка позволяет соединять заготовки прак­тически неограниченной толщины (чаще все же сваривают стыки 150—450 мм). Этот способ дает возможность заменить трудоемкие цель­нолитые и цельнокованые крупные детали сварнолитыми, сварноковаными и сварпопрокатными, собранными из удобных в производстве заготовок. Электрошлаковая сварка применяется при сооружении уникальных прессов, прокатных станов, емкостей высокого дав­ления, судов. «Контактная сварка» При контактной сварке для нагрева свариваемых частей используется тепло, выделяемое при прохождении тока через место сварки. В месте контакта частей наблюдается увеличенное электрическое сопротивление по сравнению с другими участками цепи. После достижения в зоне сварки необходимой температуры свариваемые части для их соединения сдавливают. Контактная сварка легко автоматизируется и применяется в мас­совом производстве. Существуют три вида контактной сварки: стыковая, точечная и роликовая. Рисунок 48 Стыковая сварка Для стыковой сварки соединяемые части 1 (рис. 48) зажимают в контактных колодках (губках) 2 сварочной машины и пропускают через них ток большой силы, индуктирующийся во вторичной об­мотке 5 трансформатора. При этом в зоне сварки выделяется большое количество тепла и части по стыку разогреваются до пластического состояния. Нагретые части сдавливают и они свариваются. Стыковая сварка возможна при сечениях до 50 000 мм и более, причем форма на стыке может быть самой разнообразной: круглой, квадратной, фасонной (рельсы, уголки, трубы). Стыковую сварку применяют также для соединения штампованных листов. Прочность шва стыковой сварки не уступает прочности основного металла, поэтому стыковую сварку можно применять для ответственных соединений. Рисунок 49 Точечная сварка При точечной сварке свариваемые части 1 (рис. 49, а) зажимают между электродами 2, по которым пропускается ток большой силы от вторичной обмотки трансформатора. Вследствие большого сопротивления место контакта 3 свариваемых частей нагревается до термопластического состояния и под действием давления электрода происходит сварка (рис. 49, б). Внутри полых электродов циркулирует вода для их охлаждения. Рисунок 50 Роликовая сварка Роликовой {шовной) сваркой соединяют листы толщиной 0,3-3 мм из низкоуглеродистой стали и листы толщиной до 1,5 мм из коррозионно-стойкой хромоникелевой стали, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов. Свариваемые части 1 (рис. 50) пропускают между вращающимися роликами-электродами 2 шовной машины, через которые проходит ток, выделяющий тепло в месте соприкосновения свариваемых ча­стей, в результате чего об­разуется сплошной шов 3. Роликовой сваркой получают всевозможные баки (например, а автотракторостроении), тару, трубы, сосуды, работающие под давлением, а также другие герметичные изделия из тонких металлических листов. Мощность машин для различных работ по контактной сварке колеблется от 0,1 до 600 кВА. «Прочие виды сварки» Газовая сварка и резка. В качестве горючих газов при сварке используют ацетилен, пропан, бутан, пары бензина, водород и другие газы. Чаще других применяют ацетилен (С2 Н2), дающий наибольшую (до 3200 °С) температуру пламени. Газовую сварку при­меняют главным образом для соединения тонкостенных стальных заготовок, а также заготовок из чугуна, цветных металлов и сплавов. Газовым пламенем пользуются также для резки металлов, для наплавки твердых сплавов и при ремонтных работах. Ацетилен получают из карбида кальция (СаС2) в ацетиленовых генераторах, где карбид кальция взаимодействует с водой по реакции СаС2 + 2Н20 → С2Н2 + Са (ОН)2. Ацетилен может использоваться для сварки непосредственно от генераторов либо поставляться к месту сварки в баллонах. Газовые горелки служат для дозировки и смешивания кислорода и горючего газа, а также для получения устойчивого и концентри­чного газового пламени. Они бывают инжекторные (всасывающие) — низкого давления и безынжекторные — высокого и сред­него давления. Рисунок 51 Газовые горелки Инжекторные горелки (рис. 51, а) применяют при использова­нии ацетилена непосредственно от генератора низкого давления (1-2 кПа);кислород к горелке подается под давлением 200— 300 кПа. Безынжекторные горелки (рис. 51, б) могут работать под давлением горючего газа 100—150 кПа при питании от баллонов. Нормальное восстановительное пламя применяют для сварки стали и цветных металлов. Пламя с избытку ацетилена является науглероживающим. Он применяется при сварке чугуна, когда за счет пламени восполняется массовое содержание углерода в чугуне, выгорающего в процессе сварки. Пламя с избытком кислорода применяют при сварке латуни, чтобы получить оксидную пленку, задерживающую испарение цинка. Присадочный металл в виде прутков или проволоки вводят в пламя горелки, он расплавляется и стекает в ванночку, где смешивается с расплавленным основным металлом. Газовой сваркой выполняют стыковые и портовые соединения. Угловые, тавровые, нахлесточные соединения избегают выполнять газовой сваркой по причине возникновения деформаций и термических напряжений в изделиях. Газопрессовая сварка применяется для стыковых соединений труб. Стыки нагревают кольцевой многопламенной горелкой и сдавливают свариваемые части. Этим способом пользуются также для сварки рельсов, бурильного оборудования и инстру­ментов. Газовую резку в струе кислорода используют для стали с массовым содержанием углерода до 0,7 % и некоторых сортов низколегированной стали. Чугун, алюминий, медь и ее сплавы, а также высоколегированные стали непосредственно струей кислорода не режутся, для газовой резки этих металлов применяют порошковые флюсы, состоящие в основном из железного порошка и кварцевого песка. Флюс сгорает в струе кислорода и повышает температуру в месте резки настолько, что образующиеся тугоплавкие оксиды шлакуются с оксидами железа и жидкий шлак выдувается струей газа. Резка стали производится специальными режущими горелками — резаками, которые отличаются от сварочных горелок наличием ка­нала для подачи кислорода. Рисунок 52 Газовая резка По кольцеобразному каналу 1 мундштука (рис. 52) поступает горючая смесь, которая сгорает и образует пламя 4, необ­ходимое для подогрева металла до температуры горения. Когда металл разогреется, через канал 2 пускают струю кислорода 3, сжигающую железо и выдувающую оксиды (шлак). При перемещении резака в струе кислорода сгорают новые частицы металла, образуя рез по ходу движения резака. Газовой резке поддаются заготовки большой толщины (до 300 мм). Помимо разделки заготовок, струей кислорода прожигают отверстия, исполь­зуя обычный резак или кислородное копье. Сварка лазером. Сварку лазером можно производить в любой среде, проводящей свет, — на воздухе, в других газах, вакууме. Источником теплоты для сварки является концентрированный моно­хроматический световой луч, получаемый в установке, называемой лазером (оптический квантовый генератор). По возможности концентрации тепловой энергии лазерная сварка превосходит все другие способы сварки. Сварка лазером применяется для малогабаритных изделий в приборостроении (например, при производстве микропечатных схем в радиоэлектронной промышленности). Лазером можно прошивать отверстия весьма малого диаметра в любых материалах, в том числе в алмазах, рубинах, твердых сплавах. Холодная сварка. Холодная сварка применяется для пластичных металлов; хорошо свариваются металлы с гранецентрированной кубической решеткой: алюминий, медь, никель, свинец, серебро, золото, платина. При больших давлениях (150—1000 МПа) в зоне контакта свариваемых частей возникает деформация, приводящая к разрушению поверхностных пленок, дроблению кристаллов, сближению материала частей до размеров атомных радиусов и образованию металлических связей. Около швов отсутствуют зоны термического влияния (как при сварке плавлением), поэтому холодную сварку применяют при изготовлении радио- и электротехнических -деталей. Соединения могут быть стыковыми и внахлестку (с непре­рывными и прерывистыми швами). Сварка взрывом. Взрывом успешно свариваются углеродистые и легированные конструкционные стали, медь, алюминий, титан, их сплавы и другие металлы и сплавы. Операция может выполняться на воздухе, в воде, в вакууме. Можно сваривать как однородные, так и разнородные материалы, получать компактные изделия из металлических порошков. Сварку взрывом применяют для получения листового биметалла, при облицовке и армировании заготовок, прокладке трубопроводов под водой, вварке заглушек в трубы. Соединение частей происходит при направленном взрыве заряда взрывчатого вещества, вызывающем соударение этих частей, в результате чего в поверхностных слоях этих частей металл течет по­добно жидкости, диффундирует и сваривается. Таким образом сварка взрывом в принципе аналогична холодной сварке; необходимое для сварки давление здесь обеспечивается за счет взрывной волны. Ультразвуковая сварка. Ультразвуковой сваркой соединяют тонкие пленки с проводниками, присоединяют листы фольги к за­готовкам неограниченной толщины, соединяют пластмассы с металлами. При ультразвуковой сварке неразъемное соединение образуется при совместном воздействии на заготовки упругих колебаний ультра­звуковой частоты и небольшого сдавливающего усилия от сварочного штифта. Ультразвуковой сваркой пользуются в микроэлектронике и приборостроении при монтаже транзисторов, интегральных схем, гер­метизации приборов и т. д. «Пайка конструкционных материалов» Пайка, как и сварка, предназначена для неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления материала припаиваемых частей. При пайке основной металл твердый, а припой расплавлен. Части заготовки соединяются вслед­ствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для диффузии необходимо, чтобы припаиваемые поверхности были очищены, особенно от пленок оксидов, и защищены от окисления. Для защиты от окисления пpи пайке служат флюсы. Паять можно углеродистую и легированную стали всех марок, твердые сплавы, ковкие и серые чугуны, а также цветные металлы и их сплавы. Можно также паять разнородные материалы (например сталь с твердыми сплавами, керамику, пластмассы). Пайку широко применяют в радиоэлектронной, автомобильной авиационной промышленности и других отраслях машино- и приборостроения; ее применение расширяется с разработкой новых припоев и флюсов и развитием технологии пайки. Пайку при температурах до 400 °С относят к низкотемпературной, при температурах выше 400 °С — к высокотемпературной. Припои для низкотемпературной пайки содержат олово, свинец, сурьму и цинк, припои для высокотемпературной пайки составляются на основе меди или серебра. Нагрев припаиваемых частей и расплавления припоя при низкотемпературной пайке производят медными паяльниками, газовыми горелками, в печах, горячим газом. Пайку производят также погружением заготовок в расплавленный припой; этот способ является весьма производительным и экономичным в массовом производстве. Для высокотемпературной пайки применяют индукционный нагрев, электрические печи сопротивления, пламенные нефтяные и газовые печи, а также применяют пайку лазером и электронным лучом. Тема 6.2 Виды обработки металлов и неметаллических материалов Литейное производство — процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовлен­ных форм, в которых металл затвердевает. Отливки могут быть или готовыми деталями или заготовками для последующей обработки в механических цехах. В последнем случае на отливках предусматривается припуск на обработку. Ли­тые детали широко применяют при изготовлении станков, машин, механизмов. Они могут иметь массу от 5 г до 260 т, быть весьма сложными по форме; толщина стенок отливок колеблется от 0,8 до 500 мм. Наибольшее количество литья — около 70 % от массы всех от­ливок — производят из серого чугуна (включая модифицированный и высокопрочный), далее идет стальное литье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (около 8 %), медных, алюминиевых, титановых, цинковых сплавов. Существует несколько способов заливки металла в формы: сво­бодная заливка (металл занимает форму под действием гравитацион­ных сил); заливка во вращающуюся форму (металл занимает форму под влиянием центробежной и гравитационной сил); заливка давле­нием с применением литейных машин; заливка вакуумным всасы­ванием. Формы для заливки могут быть разовыми и многократными. Разовые формы годны лишь для одной заливки. Многократные металлические формы выдерживают сотни и тысячи заливок; много­кратные песчано-цементные, графитные, керамические формы вы­держивают несколько десятков заливок, они применяются для отливки станин станков, тяжеловесных плит. «Литье в многократные формы» Литье в кокиль. Кокиль изготовляют из чугуна или стали. При литье из легких сплавов применяют стальные и чугунные стержни, а в случае литья из стали, чугуна и медных сплавов — песчаные стержни. При относительно легкоплавких сплавах цветных металлов кокиль выдерживает десятки тысяч заливок. Стойкость кокиля при литье стали и чугуна колеблется в пределах от 100 до 5000 заливок в зависимости от размера отливок, поэтому литье в кокиль для крупных стальных отливок выгодно лишь в случав простых форм, когда стоимость изготовления кокиля невелика. Применительно к сплавам цветных металлов и чугуну этот способ выгоден, так как кроме точных размеров отливок достигается улучшение структуры и механических свойств литья. Для литья сложных деталей применяют кокиль из нескольких частей с разъе­мами. Рисунок 53 Форма для литья На рис. 53 приведена форма, подготовленная к заливке. Она состоит из разъемного кокиля 1, 2, стержня 3 и крышки 4 с отвер­стиями для заливки. Для предотвращения отбела чугуна и разгара кокиля на его поверхность наносят тонкую песчано-смоляную об­лицовку или краску. В сравнении с литьем в песчано-глинистые разовые формы при литье в кокиль в десятки раз сокращается расход формо­вочных материалов, в 2 раза трудоемкость на выбивку и очистку литья при значитель­ном уменьшении припусков на механиче­скую обработку. Литье в кокиль широко применяют во всех отраслях машиностроения. Центробежное литье. При центробежном литье металл заливают в форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси, в результате жидкий металл оттесняется центробежной силой к стенкам формы. При этом структура металла получается уплотненной, так как газы и неметаллические включения вытесняются к поверхности, находящейся ближе к центру вращения. Формы вращают до пол­ного затвердевания металла, после чего вынимают готовую отливку. Рисунок 54 Центробежное литье На рис. 54, а приведена схема машины с горизонтальной осью вращения для получения отливок в виде труб, а на рис. 54, б — схема машины с вертикальной осью вращения для отливок в виде колец. При центробежном способе литья нет литниковой системы, что снижает расход металла. Литье под давлением. При литье под давлением сплав поршнем машины запрессовывается в разъемную стальную форму, называ­емую пресс-формой. Литье под давлением применяют главным образом для алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, реже для медных сплавов. Детали выходят точными (11—13 квалитеты) и с малой степенью шероховатости. Масса отливок от нескольких граммов до десятков килограммов. Давление поршня при прессова­нии до 200 МПа. Механическая обработка отливок незначительная или вообще не нужна. Стоимость пресс-формы высокая, поэтому литье под давлением применяют в массовом производстве, когда в одной форме получают тысячи отливок. Производительность машин очень высокая — до 3000 отливок в час при работе в автомати­ческом режиме. Машины для литья под давлением имеют холодную или горячую камеру прессования. Машины с холодной камерой прес­сования применяют для литья алю­миниевых, магниевых и медных сплавов; при этом в камеру зали­вается дозированное количество ме­талла из отдельной печи, после чего производится прессование. Рисунок 55 машина с холодной камерой прессования На рис. 55, а приведена рабочая зона машины с холодной камерой прессования 1. При движении вниз плунжер 2 давит на залитую пор­цию металла 3 и на пяту 4, кото­рая перемещается вниз, открывает отверстие литника 5, и металл заполняет пресс-форму. Неподвиж­ная 9 (рис. 55, б) и подвижная 11 части пресс-формы составляют полость, соответствующую отливке. Стержень 10 нужен для обра­зования отверстия. Металл поступает в форму через мундштук 8. Затвердевание отливки длится несколько секунд, после чего форма разнимается и готовая отливка 6 выталкивается из формы толкателем 7. Рисунок 56 Машина с горячей камерой Машины с горячей камерой прессования применяют для литья из цинковых сплавов. Камера 4 и тигель 5 (рис. 56) составляют одну чугунную отливку, которая находится в печи; сплав поддержи­вают в жидком состоянии. При поднятом плунжере 3 (как на схеме) сплав через отверстие 2 из тигля переливается в камеру. При дви­жении вниз плунжер перекрывает отверстия и сплав заполняет пресс-форму 1, где и затвердевает. Затем плунжер поднимается и металл из канала сливается в камеру, а пресс-форма раскрывается и отливка выталкивается из нее. «Обработка металлов давлением» Обработка давлением основана на использовании пла­стичности металлов, т. е. на их способности в определенных условиях воспринимать под действием внешних сил остаточную деформацию без нарушения целостности материала заготовки, поэтому она при­менима лишь к металлам достаточно пластичным. Пластичнее других металлов свинец, он легко деформируется при нормальной температуре. Олово, алюминий, цинк, железо, низкоуглеродистая сталь также могут быть обработаны давлением без нагрева. Пластичность средне- и высокоуглеродистой сталей и других металлов в холодном состоянии недостаточна; при нагреве до определенных температур их пластичность повышается и способ­ность к деформации возрастает. Некоторые металлы и сплавы (на­пример, марганец, чугун и др.) непластичны даже при нагревании, они остаются хрупкими вплоть до расплавления. Такие металлы не могут обрабатываться давлением. Основными видами обработки металлов давлением являются прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка. Все большее распространение получает способ изготовления гнутых профилей из холодной листовой заготовки на специальных профилировочных станах. Этот способ важен, так как дает возмож­ность экономить металл (в сравнении с прокатными профилями) за счет толщины изделий и получать при необходимости сложные профили. Для пластической (остаточной) деформации металла необходимо напряжение, которое больше предела его упругости и меньше временного сопротивления разрыву (чтобы не получилось тре­щин). Остаточная деформация металла является следствием сдвигов, происходящих внутри и по границам зерен. Рисунок 57 Схема изменения формы зерен На рис. 57, а—д приведена схема изменения формы девяти зерен, взятых из куска металла при его сжатии; при этом на рис. 57, а показаны недеформированные зерна, получающиеся при кристаллизации металла в условиях равновесия, на рис. 57, б —после деформации, равной 50 %; с ростом дефор­мации зерна вытягиваются (рис. 57, в), увеличивается относитель­ный сдвиг слоев кристаллов по плоскостям скольжения. Изменение формы зерен сопровождается дроблением их, образуется слоистая (полосчатая) структура, называемая текстурой деформации. Направление текстуры учитывают при конструировании и соста­влении технологии обработки заготовок, так как текстура опре­деляет анизотропность: наибольшие напряжения на растяжение выдерживаются вдоль волокон, а на срез и сдвиг — поперек во­локон. Под действием давления сдвиг слоев зерен идет сначала по пло­скостям главного скольжения (легчайшего сдвига), где плотность атомов является наибольшей. На рис.57, г показано недеформированное зерно 5, увеличенное вдвое по сравнению с его размерами на рис. 57, а, а на рис. 57,д —то же зерно после деформации (плоскости главного скольжения показаны прямыми линиями). С ростом деформации кристаллическая решетка искажается, скольжение по главным плоскостям замедляется и дальнейшая де­формация развивается за счет скольжения по другим плоскостям. В результате атомы перемещаются в пересекающихся плоскостях, что определяет увеличение сопротивления их движению, зерна дро­бятся, металл упрочняется. Кристаллическая решетка в каждом обломке зерна по-своему ориентирована; кроме того, сама решетка искажена в сравнении с равновесной. «Прокатка, прессование и волочение» Прокатка. Прокатку производят на металлургических и машиностроительных заводах, при этом получают прокат — гото­вые изделия или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, прессованием (выдавливанием), волочением или реза­нием. В прокат перерабатывают около 80 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов. Прокат используют в строительстве, машиностроении и металлообработке. В зависимости от вида прокат делят на сортовой, листовой, труб­ный, периодический и специальный. Рисунок 58 Виды сортового проката На рис. 58 приведены виды сортового проката общего назначения: 1 — квадратный; 2 — круг­лый; 3 — полосовой; 4 — угловой; 5 — двутавровый; 6 — швел­лерный; 9 — тавровый и некоторые виды сортового проката спе­циального назначения — 7 и 8 — рельсовый; 10 — шпунтовый; 11 — полоса для башмаков гусениц тракторов; 12 — полоса для ободьев колес автомобилей. Трубы в зависимости от технологии их производства делят на бесшовные и сварные. К специальным видам проката относят весьма широкий ассортимент продукции: цельнокатаные колеса для ваго­нов, бандажи, оси, валы, шары, зубчатые колеса, сверла и многое другое. Для прокатки нагретые или холодные заготовки пропускают между вращающимися валками прокатных станов. Существуют три основные вида прокатки: продольная (для сортовых и фасонных профилей), поперечная и поперечно-винтовая (для тел вращения). При продольной прокатке валки вращаются в разные стороны, деформируя заготовку, толщина (высота), которой умень­шается, а длина и ширина увеличиваются. При поперечной прокатке валки вращаются в одном направле­нии и оси их параллельны, а заготов­ка деформируется ими при вращении вокруг своей оси. Методом поперечной прокатки получают, например, зубчатые колеса и звездочки цепных передач на специальных станках с зуб­чатыми валками. Поперечно-винтовая (косая) прокатка широко применяется при производстве бесшовных труб из сплошной заготовки. Валки вращаются в одном направлении, а оси их расположены под некоторым углом, поэтому заготовка при об­работке не только вращается, но также и перемещается вдоль своей оси. Для получения правильной формы и гладкой поверх­ности отверстия трубы (гильзы) в зоне образования отверстия уста­навливается оправка 3. Полученные на прошивном стане гильзы раскатываются на трубопрокатных станах. Метод поперечно-винто­вой прокатки применяют также для производства шаров, осей и дру­гих изделий с использованием специально калиброванных валков. Прессование (выдавливание). При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получают изделие с сечением в форме отверстия. Прессуют медь, свинец, алюминий, цинк, магний и их сплавы, а также сталь из мерных заготовок, нарезанных из сортового проката. Все металлы и сплавы, кроме свинцовых, прессуют горячими. Существуют два вида прессо­вания — прямое и обратное. Рисунок 59 Прессование При прямом прессовании (рис. 59, а) заготовку 2 закладывают в контейнер 3, укрепленный на раме 1 гидравлического пресса; туда же закладывают пресс-шайбу 4. На плунжере 6 пресса укреплен пуансон 5, который давит на пресс-шайбу, в результате чего металл заготовки вытекает через отверстие матрицы 7 в виде прутка. Давле­ние прессования достигает 100 МН. При обратном прессовании (рис. 59, б) заготовка находится в глухом контейнере и остается при прессовании неподвижной, а прессуемый металл при движении матрицы вытекает навстречу ей. Обратное прессование требует меньших усилий и остаток металла в контейнере здесь меньше, чем при прямом прессовании, однако в силу меньшей деформации прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Прутки сплошного сечения получают как прямым, так и обратным прессованием. Прессование труб (рис. 59, в) производят только прямым методом, при этом заложенный в контейнер 9 слиток 10 предварительно обжимается пресс-шайбой 11, а затем прошивается дорном 8, конец которого доходит до отверстия матрицы 12. При прессовании металл вытекает из кольцеобразного калибра, соста­вленного отверстием матрицы и дорном, в результате чего обра­зуется труба. Волочение. Волочение применяют преимущественно для изготов­ления проволоки диаметром от 0,002 до 4 мм, а также для калибро­ванных прутков и тонких труб из катаной или прессованной за­готовки. Рисунок 60 Волочение Волочение заключается в протягивании под действием силы Р (рис. 60, а) заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. Это отверстие называют глазком или очком, а инструмент, в котором сделано несколько глазков — волокой. Если исходное сечение необ­ходимо значительно уменьшить, то волочение повторяется несколько раз (для тонкой проволоки до 17 раз), так как тяговое усилие ограничено прочностью про­волоки и вытяжкой (отно­шением площади исход­ного поперечного сечения к конечному), которая за проход от глазка к глаз­ку колеблется от 1,05 до 1,5. Волочение труб производят следующим способом: без оправки (рис. 60, б) с целью уменьшения диаметра трубы; на длинной оправке (рис. 60, г), движущейся вместе с трубой, когда требуется уменьшить главным образом толщину стенки; на неподвижной пробке при короткой оправке (рис. 60, в) для уменьшения наружного и внутреннего диаметров трубы и толщины стенки, при этом достигается наилучшая обработка внутненней поверхности трубы; или с той же целью (главным образом при производстве труб из меди и ее сплавов) на свободной (плавающей) оправке (рис. 60 д) без ограничения длины трубы. Для волочения прутков и труб больших сечений волоки изгото­вляют из инструментальной углеродистой и легированной стали. Волоки из твердых сплавов применяют при волочении стальной проволоки диаметром до 0,5 мм; проволоку меньшего диаметра воло­чат через рубиновые или алмазные фильеры. Уменьшение трения при волочении достигается смазыванием. В волоке изделия наклёпываются, что приводит к их упрочнению. Если наклеп нежелателен, изделия отжигают. При большом числе пропусков отжиг повторяют несколько раз. Прокатанную заготовку перед волочением также отжигают и очищают от оксидов трав­лением. Волочильные станы состоят из двух основных частей: станины с держателями для волоки и тянущего устройства для протягивания заготовки через волоку. Тянущие устройства бывают с прямолиней­ным движением обрабатываемой заготовки (цепные, реечные, винто­вые, гидравлические) для волочения прутков и труб с тяговым уси­лием до 1500 кН и барабанные с наматыванием проволоки. «Ковка и штамповка» Ковка. Ковкой называется обработка металла, находя­щегося в пластическом состоянии под действием бойков молота (динамическое воздействие) или пресса (статическое воздействие) с использованием при надобности подкладного инструмента. Изделие, получаемое ковкой, называют поковкой. Поковки могут иметь самую разнообразную форму и массу от нескольких граммов до 350 т и более. Большие поковки получают непосредственно из слит­ков, поковки средних и малых размеров — из прокатных заготовок. Ковку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку куют между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса. Контактирующие с заготовкой поверхности бойков и подкладных инструментов опре­деляют направление деформации (течения) металла заготовки. Рисунок 61 Ковка На рис. 61, а—д показаны некоторые подкладные инструменты: топор (а), раскатка (б), обжимка (в). При ковке выполняется про­тяжка, осадка, гибка, пробивание или прошивание отверстий, вы­глаживание, рубка. При протяжке длина заготовки увеличивается за счет уменьше­ния ее поперечного сечения. Вначале куют на квадрат, что дает наибольшую скорость деформирования, после чего (если нужно) скругляют заготовку или формуют. Для протяжки заготовку кладут поперек бойков, передвигая ее и кантуя на 90° после каждого об­жатия. Чтобы ускорить протяжку, применяют закругленные бойки (рис. 61, г) и раскатки (рис. 61, д), увеличивающие удлине­ние за одно обжатие. При осадке поперечное сечение заготовки увеличивается за счет высоты. Осадку не всей заготовки, а лишь ее части называют вы­садкой. Для гибки нужен местный нагрев заготовки; для получения одинакового сечения по длине заготовки в месте изгиба предвари­тельно делают высадку. Для гибки заготовку зажимают между бойками молота. Для выглаживания крупных поковок производят легкие удары бойка молота, мелкие поковки выглаживают гладилками. Для отделки применяют также подходящие обжимки. Штамповка. Производительность штамповки в десятки раз больше, чем ковки, кроме того, при штамповке достигается значи­тельно большая, чем при ковке, точность размеров и малая шеро­ховатость поверхности. Так, нередко после штамповки изделия не требуют механической обработки. Однако штамповка выгодна лишь при массовом и крупносерийном производстве, когда окупаются затраты на изготовление сложных форм (штампов). Штамповка бы­вает горячей и холодной, объемной и листовой. Рисунок 62 Штамповка Штамповка на молотах — наиболее распространенный способ горячей штамповки. Штамп (рис. 62, а) состоит из двух частей: верхней 1 и нижней 2. Нагретая заготовка помещается в нижнюю полость штампа. При ударах верхней части штампа металл течет и заполняет ручей. Излишки металла выдавливаются из ручья в кольцеобразную полость, в результате чего образуется так называ­емый облой (заусенец) 3 (рис. 62, б), который обрезают затем в спе­циальном обрезном штампе. Горячая листовая штамповка применяется для листов толщиной свыше 6 мм при производстве котлов, аппаратов для химической промышленности, в судостроении. Штамповку производят главный образом на гидравлических листоштамповочных прессах с уси­лием 2—12 МН, а мелких изделий — на фрикционных винтовых прессах. Холодная листовая штамповка применяется для изделий из листов стали, алюминия и его сплавов, меди, латуни, сплавов магния. Ниже приведены главные операции листовой штамповки. Рисунок 63 Холодная листовая штамповка Вырубка производится для изготовления из листа плоских изде­лий с любой формой контура (круг, квадрат, овал), а также для пробивки отверстий. Штампы для вырубки и пробивки имеют ма­трицу 4 (рис. 63, а) и пуансон 1, который при движении вниз острыми краями рабочего контура срезает часть заготовки; при обратном движении остаток заготовки 3 упирается в съемник 2 и снимается с пуансона. Разделительной операцией является также отрезка, она произ­водится на ножницах (параллельных, гильотинных, дисковых). Вытяжкой получают полые изделия из листовой заготовки. За­готовку диаметром D кладут в выточку матрицы (рис. 63, б) и вы­тягивают пуансоном в стакан (рис. 63, в). Чтобы не срезать за­готовку, края пуансона скругляют. Если зазор а между матрицей и пуансоном равен толщине заготовки, то толщина стенок изделия остается такой же, если этот зазор меньше, то стенки становятся тоньше. На рис.63, г приведен пример отбортовки, которая заключается в образовании в изделии с пробитым отверстием d отверстия боль­шего диаметра D с бортами высотой Н. Отбортовка выполняется пуансоном при креплении заготовки в кольцеобразной выточке матрицы. При раздаче (рис. 63, е) увеличивается размер сечения заготовки.