Materiały Stosowane W Elektrotechnice I Elektronice

Transcript

Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 13 Temat: Materiały stosowane w elektrotechnice i elektronice. Łódź 2010 1. Wprowadzenie Podział materiałów elektrotechnicznych i elektronicznych wynika z ich funkcji w urządzeniach lub w układach elektrycznych. Ze względu na wartość rezystywności w temperaturze 20°C (293K) rozróżnia się materiały przewodzące, półprzewodzące i elektroizolacyjne. Abyśmy mogli mówić o odpowiedniej grupie materiałów wartości ich rezystywności muszą wynosić odpowiednio: materiały przewodzące ϱ 20 ≤ 10-6 Ω*m materiały półprzewodzące ϱ 20 = 10-4 ÷ 10-11 Ω*m materiały elektroizolacyjne ϱ 20 ≥ 1010 Ω*m Osobną grupę stanowią materiały nadprzewodzące, które cechuje temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa, zwana temperaturą krytyczną. W następnych podrozdziałach omówione zostaną materiały pod kątem ich zastosowania. 1.1 Materiały przewodowe Nazwę materiałów przewodowych noszą metale i stopy, z których są wytwarzane przewody i kable elektroenergetyczne. Do tej grupy należą przede wszystkim miedź i aluminium, a także niektóre brązy, stopy aluminiowo-magnezowo-krzemowe oraz stal. Właściwości wybranych materiałów przewodowych podano w tab. 1. Tab. 1. Właściwości niektórych materiałów przewodowych. Rodzaj materiału Miedź Brąz Skład 99,95% Cu Cu + 0,1% Mg lub Cu + (0,2÷1%) Cd ϱ g/cm3 8,9 8,9 γ MS/m 54÷58 48 α K-1 0,0039 0,004 Rr MPa 220 500÷520 Brąz Cu+ (0,5+0,8%) Mg lub Cu + 1%Sn+ 1%Cd 8,9 36 0,004 560÷680 Brąz Cu + 2,4% Sn Cu + 1,2% Sn + 1,2 Zn 99,5% Al 8,9 18 0,004 660÷740 2,7 36 0,0041 120 Aluminium Stop aluminiowomagnezowo-krzemowy (Aldrey, Almelec) (0,3+0,5%) Mg + (0.5 + 0,6%) Si + AI (reszta) 2,7 30÷33 0,0036 300÷350 Żelazo (stal) — 7,86 7 0,005 400÷1500 Miedź używa się na ogół w stanie miękkim, natomiast aluminium — ze względu na potrzebę polepszenia właściwości mechanicznych — w stanie półtwardym. Przewody o specjalnym przeznaczeniu, jak np. przewody jezdne w sieci trakcyjnej, od których wymaga się dużej wytrzymałości mechanicznej i małej ścieralności, wykonuje się ze 1 stopów Cu z dodatkiem do 1% Cd. Przewody nawojowe przeznaczone do dużych transformatorów są wytwarzane ze stopów CuAg, ze względu na występowanie dużych sił elektrodynamicznych w stanach zwarciowych. W liniach napowietrznych wysokiego napięcia znajdują zastosowanie nie tylko tzw. sploty stalowo-aluminiowe (rdzeń z liny stalowej jako element nośny, zapewniający odpowiednią wytrzymałość mechaniczną), ale także linki ze stopów Al-Si-Mg o różnych nazwach firmowych: Almelec, Aldrey itp. Wytrzymałość mechaniczna tych ostatnich jest na tyle duża, że nie wymagają one elementu nośnego, konduktywność zaś jest zaledwie o kilka procent mniejsza od konduktywności Al. Przewody ze stopów Al są coraz powszechniej stosowane. Znacznie mniejsza masa przewodów wykonanych ze stopów Al-Si-Mg w porównaniu ze splotami stalowoaluminiowymi powoduje, że budowa linii jest tańsza, pomimo wyższej ceny stopu niż Al. Przewody te cechuje duża odporność na korozję. W splotach stalowo-aluminiowych, w celu nadania im odpowiedniej odporności na korozję niezbędne jest stosowanie drutów stalowych ocynkowanych. Ocynkowanie zapobiega tworzeniu się ogniw na styku Al-stal. 1.2 Materiały oporowe Ze względu na zastosowanie materiały oporowe dzieli się na następujące grupy: 1. Stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obciążeniowe itp.; 2. Stopy oporowe na rezystory pomiarowe, wykazujące mały współczynnik temperaturowy rezystancji oraz małą jednostkową siłę termoelektryczną względem miedzi (połączenia w miernikach); 3. Metale i stopy oporowe oraz materiały oporowe niemetalowe na elementy grzejne; 4. Metale na oporowe czujniki termometryczne, wyróżniające się dużym współczynnikiem temperaturowym rezystancji α; ich temperatura robocza zawiera się na ogół w granicach od 200 do 350°C: 5. Materiały na rezystory specjalne bezindukcyjne, oraz o nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej (warystory). Właściwości stopów oporowych i metali stosowanych do urządzeń wymienionych w grupie 1, 2 i 3. podano w tab. 2. W grupach 1 i 2 duże zastosowanie znajdują wieloskładnikowe stopy miedzi z niklem (do 40%), cynkiem (do 27%), aluminium (do 5%), magnezem (do 1%) i żelazem (do 1%). Są one znane pod firmowymi nazwami: manganin, konstantan itp. Stopy używane na elementy grzejne dzieli się na dwie podstawowe grupy; 2 — stopy austenityczne, na bazie niklu i chromu (do 80% Ni i 20% Cr) — bezżelazowe (tzw. nichromy) i zawierające żelazo (tzw. ferronichromy); — stopy ferrytyczne (tzw. ferrochromale), zawierające oprócz Fe, Cr nieznaczne ilości domieszek uszlachetniających, np. Co. Stopy bezżelazowe mogą pracować, zależnie od gatunku, w temperaturach 900÷1150°C. Wykazują one dużą wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach, dużą trwałość pracy w atmosferze obojętnej, są natomiast wrażliwe na działanie atmosfery utleniającej oraz zawierającej siarkę lub jej związki. Stopy ferrytyczne, w zależności od gatunku, mogą pracować w temperaturach do 1350°C. Wykazują one dużą odporność na atmosferę utleniającą, są nieodporne na działanie związków chloru, metali alkalicznych i cyjanków. Ich wadą jest duża skłonność do rekrystalizacji i mała wytrzymałość mechaniczna w wysokich temperaturach. Stopy te, od nazwy producenta, są znane jako Kanthale; produkowane w Polsce — noszą nazwę Baildonali. Na elementy grzejne stosuje się również metale czyste — molibden i wolfram. Mogą one pracować długotrwale w temperaturach 1500°÷3000°C, lecz ze względu na proces utleniania wymagają stosowania atmosfer ochronnych lub próżni. Elementy wykonane z tych metali są używane w piecach oporowych do topienia oraz obróbki cieplnej niektórych metali. Niemetalowe elementy grzejne wykonuje się z materiałów węglowych i grafitowych oraz z węglika krzemu (SiC — karborund) lub krzemku molibdenu (MoSi — molibdenosilit). Elementy węglowe i grafitowe mogą pracować w temperaturach do 3300°C; odznaczają się dużą odpornością na udar cieplny, lecz małą odpornością na utlenianie (podczas pracy trzeba je chronić przed dostępem powietrza). Elementy grzejne z karborundu wykonuje się w kształcie prętów z odpowiednimi końcówkami — noszącymi nazwę silit lub globar. W zależności od rodzaju wyrobu, rezystywność karborundu w temperaturze 20°C może wynosić 1500÷6000 Ω*m. W temperaturze powyżej ok. 900°C rezystywność maleje, po czym wzrasta w przybliżeniu liniowo osiągając w temperaturze 1450°C wartość ok. 1000 Ω*m. Czas pracy karborundowych elementów grzejnych w temperaturze nie przekraczającej 1450°C wynosi ponad 2500 h. Na skutek utleniania wartość rezystywności w tym czasie może ulec znacznemu (3-krotnemu) zwiększeniu (15÷20% podczas pierwszych 60÷80 godzin pracy). Elementy grzejne z krzemku molibdenu, produkowane w kształcie formowanych prętów przez firmę Kanthal, noszą nazwę Superkanthali; są one odporne na atmosfery utleniające i mogą pracować w temperaturze do 1700°C. 3 Na oporowe czujniki termometryczne stosuje się metale czyste, zwłaszcza platynę, rzadziej — srebro, nikiel i miedź. Charakterystyka temperaturowa tych metali zależy przede wszystkim od ich czystości. 1.3 Materiały stykowe Dowolne połączenie w torze prądowym nazywa się zestykiem. Część zestyku należąca do jednego toru nazywa się stykiem. Ze względu na sposób pracy rozróżnia się następujące zestyki: — nierozłączne nieruchome, — nierozłączne ruchome (ślizgowe), — rozłączne bezłukowe, — rozłączne łukowe. Materiały stykowe mogą być: jednorodne, dwuwarstwowe (bimetale oraz z warstwą zewnętrzną nakładaną galwanicznie lub natryskiwaną) i wielowarstwowe. Materiały stykowe jednorodne wykonuje się w kształcie prętów, drutów, płytek, nakładek stykowych lub blach. Bimetale stykowe wytwarza się jako blachy, taśmy, pręty lub rurki. Trwałość styków bimetalowych jest na ogół nieo mniejsza niż styków jednorodnych, są one jednak tańsze i łatwiej obrabialne. Warstwy nanoszone galwanicznie i metodą natryskową wykonuje się przede wszystkim z materiałów szlachetnych. Wielowarstwowa struktura styku — w której zarówno twardość, jak i gęstość materiału zmniejsza się stopniowo od warstwy do warstwy wówczas, gdy konduktywność się zwiększa — poprawia warunki pracy zestyku oraz ułatwia montaż styku dzięki łatwiejszemu lutowaniu. Materiałami stykowymi są: metale czyste, stopy i spieki. Do najlepiej nadających się metali czystych należą metale szlachetne, takie jak srebro, złoto, platyna i pallad. Do często stosowanych metali nieszlachetnych należy miedź, wolfram i molibden. Zaletami miedzi są: duża konduktywność i dobre przewodnictwo cieplne, łatwość obróbki i lutowania, niska cena; wadami zaś: łatwość tworzenia warstw nalotowych z półprzewodzących tlenków i siarczków, niska granica plastyczności i dość niska temperatura topnienia. O doborze stopów i spieków decydują zarówno względy ekonomiczne (niska cena materiału), jak i możliwość sterowania właściwościami materiału przez odpowiedni dobór składników. Materiały stykowe z metali czystych wykonuje się metodą odlewania i obróbki plastycznej (łącznie z wyżarzaniem). Materiały ze spieków wytwarza się albo typową metodą metalurgii proszków (mieszanie, prasowanie i spiekanie), albo metodą nasycania, polegającą na tym, że 4 porowaty, spieczony szkielet utworzony z jednego składnika, np. wolframu o dużej liczbie połączonych ze sobą porów, wypełnia się roztopionym metalem, np. miedzią. Warunkiem nasycenia jest to, że temperatura topnienia materiału stanowiącego szkielet jest wyższa niż metalu przesycającego ten szkielet. Porowatość szkieletu może być zmienna w obszarze kształtki stykowej, co pociąga za sobą zmienny stopień nasycenia. W ten sposób uzyskuje się żądany rozkład właściwości mechanicznych i cieplno-elektrycznych w zestyku, podobnie jak w przypadku struktury wielowarstwowej. Materiały na styki zestyków ślizgowych, zwane potocznie materiałami szczotkowymi dzieli się na: — elektrografitowe (surowce: sadza, koks naftowy, koks pakowy, koksy specjalne, grafit naturalny i sztuczny, tzw. elektrografit); — metalografitowe (mieszanina metali i grafitu); — węglowo-grafitowe i węglowe (mieszanina grafitu i surowców węglowych); — grafitowe (grafit naturalny lub sztuczny i niewielka ilość dodatków). Do podstawowych właściwości materiałów szczotkowych zalicza się: masę właściwą, rezystywność, twardość i wytrzymałość mechaniczną, ścieralność, dopuszczalną prędkość obwodową, dopuszczalną gęstość prądu, spadek napięcia na rezystancji przejścia, współczynnik tarcia. 1.4 Materiały na ogniwa termoelektryczne Materiały na ogniwa termoelektryczne (termoelementy), nazywane także materiałami termoelektrodowymi, odznaczają się stałością charakterystyki temperaturowej, niezbędną wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na utlenianie. Do tych materiałów należą zarówno metale szlachetne z grupy platynowców i ich stopy, a także złoto, jak i metale nieszlachetne z rodziny chromowców (chrom, wolfram, molibden), żelazowców (żelazo, nikiel) oraz aluminium, miedź i mangan. Wpływ na charakterystykę termoelementu ma nie tylko rodzaj stykających się metali, lecz także ich czystość i jednorodność struktury. Konieczna jest zatem stabilizacja właściwości metali tworzących termoelement przez ich uprzednie wyżarzenie. W tablicy 2 podano rodzaje materiałów stosowanych najczęściej do wyrobu ogniw termoelektrycznych oraz ich charakterystyki. Charakterystyki ogniw zamieszczone w katalogach należy jednak traktować zawsze jako orientacyjne; każdy termoelement wymaga bowiem odrębnego skalowania. Należy je co pewien czas powtarzać, gdyż występująca 5 dyfuzja stykających się ze sobą materiałów może spowodować znaczne zmiany potencjału stykowego. Dyfuzja przebiega tym szybciej, im temperatura pracy termoelementu jest wyższa. Zmiana potencjału stykowego może zostać spowodowana również procesami korozyjnymi. Tab. 2. Materiały do wyrobu ogniw. Ogniwo Złoto + 1 % kobaltu Srebro + 1% kobaltu Konstantan-srebro Konstantan-miedź Konstantan-żelazo1) Konstantan-chromonikielina Nikiel-chromonikielina Nikiel-stal niklowa (66% Ni) Nikiel-węgiel Chromel-alumel1) Platyna-platynorod Platyna-platyna + 4.5% renu + 5.0% rodu Irydoren-irydorod (10%) Rod-platynorod (10%) Silit-węgiel 1) Chromel 89%Ni + 10%Cr + 1%Fe, Alumel 94,5%Ni + 2%Al +1%Si + 2,5%Mn. 1.5 Termobimetale Termobimetal wykonuje się przez spojenie pod wysokim ciśnieniem, a następnie walcowanie płyt dwóch metali o różnej rozszerzalności cieplnej. Pod wpływem temperatury termobimetal ulega odkształceniu na skutek różnicy rozszerzalności. Dzięki tej właściwości jest stosowany na elementy termoregulacyjne w obwodach elektrycznych. Termobimetale dają się obrabiać plastycznie. Najczęściej stosowanym zestawem materiałów tworzących termobimetale jest nikiel ze stopem żelaza z niklem, noszącym nazwę inwar. 6 Tab. 3. Właściwości najczęściej stosowanych termobimetali. Skład bimetalu materiał o małej wydłużalności materiał o dużej wydłużalności Wygięcie Najwyższa właściwe temperatura *10-2 pracy ciągłej mm/(mm*K) °C Rezystywność μΩ*m 20°C 200°C 36% Ni + Fe 36% Ni + Fe Ni Ni + Mn + Fe 0,097 0,128 200 500 0,154 0,7 0,27 0,87 36% Ni + Fe 20% Ni + 6% Mo + Fe 0,17 250 0,8 0,93 Fe 20% Ni + 6% Mo + Fe 0,06 500 0,32 0,84 Fe 30% Ni + Fe mosiądz mosiądz 0,05 0,143 150 150 0,09 0,11 0,23 0,24 1.6 Luty (spoiwa) Do łączenia metali stosuje się luty — stopy metali o temperaturze topnienia niższej niż temperatura łączonych metali. Rozróżnia się luty miękkie — o temperaturze topnienia niższej niż 400°C i luty twarde — o temperaturze topnienia wyższej niż 700°C. Połączenia wykonane lutami miękkimi mają wytrzymałość na rozciąganie 20÷78 MPa, lutami twardymi zaś — 200÷490 MPa. Do połączeń elektrycznych stosuje się zarówno luty miękkie, jak i twarde. Temperatura topnienia lutów powinna być o ok. 150°C niższa niż temperatura topnienia łączonych metali. Luty miękkie stosuje się do połączeń szczelnych, a luty twarde — do połączeń szczelnych i przenoszących obciążenia. Zakres zastosowań i właściwości niektórych lutów podano w tab. 4. 7 Tab. 4. Właściwości niektórych lutów i ich zastosowania. Rodzaj lutów Cecha Skład Temperatura topnienia °C Zastosowanie LC10 9÷10% Sn 0,6% Sb reszta Pb 268÷299 łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie żarówek LC30A2 29÷30% Sn 1,4÷1,8% Sb reszta Pb 185÷250 łączy miedź, stal; lutowanie połączeń pracujących w podwyższonych temperaturach; lutowanie uzwojeń silników elektrycznych 183÷238 łączy miedź, mosiądz, stal; pobielanie i lutowanie elementów aparatury elektrotechnicznej 185÷231 łączy miedź i stal; lutowanie uzwojeń silników elektrycznych 183÷216 łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie uzwojeń i drobnych części mosiężnych 183÷190 łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie elementów z pokryciami cynowymi, cynowo-ołowiowymi, kadmowymi, cynkowymi i srebrnymi Luty twarde Luty miękkie LC40 cynowoołowiowe LC40A2 39÷40% Sn 0,2÷0,5 Sb reszta Pb 39÷40% Sn 1,8÷2,4% Sb reszta Pb LC50 49÷50% Sn reszta Sb LC60 59÷61% Sn 16÷20% Sb reszta Pb LC63 62,5÷63,5% Sn reszta Pb 183 łączy miedź, mosiądz i stal; kąpielowe lutowanie połączeń elektrycznych w elektronice, cynowanie końcówek i płytek obwodów drukowanych kadmowe - 83% Cd 17% Zn 260 łączy stopy cynku i aluminium brązowe SBK31 2,8÷3,5% Si 1,0÷1,5% Mn reszta Cu 1015 łączy miedź, brąz i stopy niklu; spawanie elementów przyrządów elektrotechnicznych miedziane SMS1 0,5÷1,0% Ag reszta Cu 1070 łączy miedź, stal i spieki; spawanie przewodów elektrycznych LS70 69÷71% Ag 24÷26 Cu reszta Zn 715÷770 lutowanie połączeń o małej rezystancji, wykonanych z niklu, stopów niklu, miedzi i stopów miedzi LS71F 70,5÷71,5% Ag 0,8÷1,2 P reszta Cu 645÷795 lutowanie styków elektrycznych srebrne 8 2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z podstawowymi materiałami elektrotechnicznymi i elektronicznymi. 3. Opis stanowiska W skład stanowiska badawczego laboratorium wchodzą: 1. Mikroskop metalograficzny. 2. Próbki z wykonanymi zgładami metalograficznymi materiałów elektronicznych i elektrotechnicznych. 4. Wykonanie ćwiczenia 1. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbek udostępnionych przez prowadzącego. 2. Sporządzić rysunki obserwowanych struktur. 5. Sprawozdanie 1. Cel ćwiczenia. 2. Wstęp teoretyczny. 3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu: materiał, stan materiału, struktura, powiększenie, trawienie. 4. Uwagi i wnioski 6. Literatura 1. R. W. Kelsall, I. W. Hamley, M. Geoghegan: Nanotechnologie. WN PWN, Warszawa 2008 2. Z. Celiński: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005 3. L. A. Dobrzański: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa, 2004 4. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. WNT, Warszawa 1996-97 9