Основные свойства и применение металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материаловедение

1. Латунь

Состав

Латунь -- это двойной или многокомпонентный сплав на основе меди, где основным легирующим элементом является цинк, иногда с добавлением олова, никеля, свинца, марганца, железа и других элементов.

История и происхождение названия

Несмотря на то, что цинк был открыт только в XVI веке, латунь была известна уже древним римлянам[1]. Они получали её, сплавляя медь с галмеем[2], то есть с цинковой рудой. Путем сплавления меди с металлическим цинком, латунь впервые была получена в Англии в 1781 году. В XIX веке в Западной Европе и России латунь использовали в качестве поддельного золота.

Физические свойства

Плотность -- 8300--8700 кг/м?

Удельная теплоёмкость при 20 °C -- 0,377 кДж·кг?1·K?1

Удельное электрическое сопротивление -- (0,07-0,08)?10?6 Ом·м

Температура плавления латуни в зависимости от состава достигает 880--950 °C. С увеличением содержания цинка температура плавления понижается. Латунь достаточно хорошо сваривается и прокатывается. Хотя поверхность латуни, если не покрыта лаком, чернеет на воздухе, но в массе она лучше сопротивляется действию атмосферы, чем медь. Имеет жёлтый цвет и отлично полируется.

Висмут и свинец имеют вредное влияние на латунь, так как уменьшают способность к деформации в горячем состоянии.

Порядок маркировки

Принята следующая маркировка. Сплав латуни обозначают буквой «Л», после чего следует буквы основных элементов, образующих сплав. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 -- латунь, содержащая 70 % Cu. В случае легированных деформируемых латуней указывают ещё буквы и цифры, обозначающие название и количество легирующего элемента, ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60 % Cu, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом в количестве 1 %. Содержание Zn определяется по разности от 100 %. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40 % цинка (Ц) и 1,5 % марганца (Мц).

2. Методы физико-химического анализа металлов

Физико-химический анализ металлов изучает зависимость между составом и свойствами систем, сплавов, состоящих из нескольких исходных веществ. По результатам физико-химического анализа эти зависимости отображаются графически, в виде диаграммы состав-свойство. Также специалисты применяют таблицы числовых данных и аналитические обзоры. Анализ диаграмм позволяет делать заключения о соответственных процессах в системе.

Одним из основных направлений теории физико-химического анализа является изучение топологии химической диаграммы. Преимуществом физико-химического анализа металлов как метода исследования является отсутствие необходимости выделения продукта химического взаимодействия компонентов из реакционной смеси, вследствие чего метод позволяет исследовать химические превращения в растворах, сплавах.

Одним из основных методов физико-химического анализа металлов является микроанализ. Для микроанализа приготовляют образец -- шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру -- строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или в лупу.

В процессе подготовки шлифа поверхность выравнивается напильником или наждачной бумагой. В случае надобности шлиф травят кислотами, щелочами или растворами солей, которые по-разному растворяют или окрашивают разные по составу части на шлифе.

При микроисследовании определяют форму и расположение кристаллов в изделиях, полученных литьем или обработкой давлением. Также с помощью микроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне), наличие и характер расположения отдельных вредных примесей, например, серы.

Другим важным методом физико-химического анализа металлов является хроматография. Это физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной, протекающей через неподвижную. Хроматографический анализ является критерием однородности вещества: если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без примесей).

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа металлов является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать и количественно определить, в том числе, их массу и концентрацию.

Хроматографический анализ широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для выделения отдельных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

Физические свойства металлов.

Плотность. Это - одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. по плотности металлы делятся на следующие группы:

легкие (плотность не более 5 г/см3) - магний, алюминий, титан и др.:

тяжелые - (плотность от 5 до 10 г/см 3) - железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);

очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3) - молибден, вольфрам, золото, свинец и др.

Таблица 2. Плотность металла.

Металл	Плотность г/см3	Металл	Плотность г/см3
Магний	1,74	Железо	7,87
Алюминий	2,70	Медь	8,94
Титан	4,50	Серебро	10,50
Цинк	7,14	Свинец	11,34
Олово	7,29	Золото	19,32

Температура плавления. В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы:

легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 oС) - цинк, олово, свинец, висмут и др.;

среднеплавкие (от 600 oС до 1600 oС) - к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;

тугоплавкие (более 1600 oС) - вольфрам, молибден, титан, хром и др.

Ртуть относится к жидкостям.

Таблица 3. Температура плавления и кипения металлов.

Металл	Температура, oС	Металл	Температура, oС
	плавления	кипения		плавления	кипения
Олово	232	2600	Серебро	960	2180
Свинец	327	1750	Золото	1063	2660
Цинк	420	907	Медь	1083	2580
Магний	650	1100	Железо	1539	2900
Алюминий	660	2400	Титан	1680	3300

Удельная теплоемкость. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Зависимость удельной теплоемкости элемента в твердом состоянии от атомной массы описывается приближенно законом Дюлонга и Пти:

ma cm = 6.

где, ma - атомная масса; cm - удельная теплоемкость (Дж/кг * oС).

В таблице 4 приведены значения удельной теплоемкости некоторых металлов.

Таблица 4. Удельная теплоемкость металлов.

Металл	Температура,oС	Удельная теплоемкость, Дж/кг *oС	Металл	Температура, oС	Удельная теплоемкость, Дж/кг * oС
Магний	0-100 225	1,03 1,18	Цинк	0 св.420	0,35 0,51
Титан	0-100 440	0,47 068	Серебро	0 427	0,23 0,25
Медь	97,5 Св.1100	0,40 0,55	Олово	0 240	0,22 0,27
Алюминий	0-100 660	0,87 1,29	Золото	0-100 1100	0,12 0,15
Железо	0-100 1550	0,46 1,05	Свинец	0 300	0,12 0,14

Скрытая теплота плавления металлов. Это характеристика (таблица 5 ) наряду с удельной теплоемкости металлов в значительной степени определяет необходимую мощность плавильного агрегата. Для расплавления легкоплавкого металла иногда требуется больше тепловой энергии, чем для тугоплавкого. Например, для нагревания меди от 20 до 1133 oС потребуется в полтора раза меньше тепловой энергии, чем для нагревания такого же количества алюминия от 20 до 710 oC.

Таблица 5. Скрытая теплота металла

Металл	Скрытая теплота плавления, Дж/кг	Металл	Скрытая теплота плавления, Дж/кг
Свинец	23,2	Медь	203,7
Олово	60,9	Железо	277,2
Золото	63,0	Магний	369,6
Цинк	101,6	Алюминий	400,7
Серебро	105,0	Титан	436,8

Теплоемкость. Теплоемкость характеризует передачу тепловой энергии от оной части тела к другой, а точнее, молекулярной перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. (таблица 6)

Таблица 6. Коэффициент теплопроводности металлов при 20 oС

Металл	Коэффициент теплопроводности, кВт/м * oС	Металл	Коэффициент теплопроводности, кВт/м * oС
Серебро	0,410	Цинк	0,110
Медь	0,386	Олово	0,065
Золото	0,294	Железо	0,067
Алюминий	0,210	Свинец	0,035
Магний	0,144	Титан	0,016

Качество художественного литья тесно связано с теплопроводностью металла. В процессе выплавке важно не только обеспечить достаточно высокую температуру металла, но и добиться равномерного распределения температуры во всем объеме жидкой ванны. Чем выше теплопроводность, тем равномернее распределена температура. При электродуговой плавке, несмотря на высокую теплопроводность большинства металлов, перепад температуры по сечению ванны достигает 70-80 oС, а для металла с низкой теплопроводностью этот перепад может достигать 200 oС и более.

Благоприятные условия для выравнивания температуры создаются при индукционной плавке.

Коэффициент теплового расширения. Эта величина, характеризующая изменение размеров образца длиной 1 м при нагревании на 1 oС, имеет важное значение при эмальерных работах (таблица 7)

Коэффициенты теплового расширения металлической основы и эмали должны иметь по возможности близкие значения, чтобы после обжига эмаль не растрескивалась. Большинство эмалей, представляющих твердый коэффициент оксидов кремния и других элементов, имеют низкий коэффициент теплового расширения. Как показала практика, эмали очень хорошо держаться на железе, золоте, менее прочно - на меди и серебре. Можно полагать, что титан - весьма подходящий материал для эмалирования.

Таблица 7. Коэффициент теплового расширения металлов.

Металл	Температура, oС	б*10-8 oС -1	Металл	Температура, oС	б*10-8oС -1
Титан	27 727	8,3 12,8	Алюминий	27 627	23,3 37,8
Железо	27 727	12,0 14,7	Олово (б- модификация)	27	16,0
Золото	27 727	14,0 17,7	Олово (в-модификации)	27	31,4
Медь	27 727	16,7 21,8	Магний	27	25,8
Серебро	27 727	18,9 25,6	Свинец	27 277	28,5 33,3
Цинк	27 377	63,5 50,3	-	-	-

Отражательная способность. Это - способность металла отражать световые волны определенной длины, которая воспринимает человеческим глазом как цвет (таблице 8). Цвета металла указаны в таблице 9.

Таблица 8. Соответствие между цветом и длиной волны.

Цвет	Длина волны, нм	Цвет	Длина волны, нм
Фиолетовый	460	Желтый	580
Синий	470	Оранжевый	600
Голубой	480	Красный	640
Зеленый	520	Пурпурный	700

Таблица 9. Цвета металлов.

Металл	Цвет	Металл	Цвет
Магний	Бело-серый	Цинк	Голубовато-белый
Алюминий	Серовато-белый	Серебро	Белый
Титан	Серовато-белый	Олово	Серовато-белый
Железо	Голубовато-белый	Золото	Желтый
Медь	Красновато-розоватый	Свинец	Серовато-белый

Чистые металлы в декоративно-прикладном искусстве практически не применяются. Для изготовления различных изделий используют сплавы, цветовые характеристики которых значительно отличаются от цвета основного металла.

В течении долгого времени накапливался огромный опыт применения различных литейных сплавов для изготовления украшений, бытовых предметов, скульптур и многих других видов художественного литья. Однако до сих пор еще не раскрыта взаимосвязь между строением сплава и его отражательной способностью.

Химические свойства металлов.

Растворимость. Это - способность вещества растворятся в том или ином растворителе. Металлы растворяются в сильных кислотах и едких щелочах.

В промышленном производстве наиболее часто употребляется серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи - едкий натр и едкое кали.

Растворение может быть частичным, затрагивающим только поверхностные слои, или полным, когда металл полностью переходит в раствор.

Частичное растворение происходит, например, при травлении изделий для получения гладкой поверхности или для нанесения рисунка на изделие, полное - при растворении цинка в соляной кислоте в целях получения флюса для пайки.

Окисляемость. Она характеризует способность металлов соединяться с кислородом и образовывать оксиды.

Интенсивность окисления металлов пропорциональна энтальпии их оксидов (таблица 14). Для сравнения отметим, что энтальпия монооксида углерода СО составляет 111 кДЖ/моль.

Таблица 14. Устойчивость оксидов.

Оксид	Энтальпия, кДЖ/моль	Оксид	Энтальпия, кДЖ/моль
CuO	157	MgO	602
FeO	265	TiO	944
ZnO	351	Al2O3	1533
SnO2	581	-	-

В ряде случаев образование прочной оксидной пленки на поверхности изделия желательно, так как пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. При пайке и сварке алюминиевых сплавов пленка препятствует соприкосновению припоя с чистой поверхностью металла.

Коррозионная стойкость. Это - способность металла сопротивляться разрушению, которое вызвано химическим воздействием окружающее среды.

Чисто химическая коррозия определяется главным образом окислением, электрохимическая коррозия возникает из-за физико-химической неоднородности металлов в присутствии жидкости, способной проводить электрический ток.

Электрохимическая активность металлов характеризуется электронным потенциалом, измеренным относительно водорода (таблица 15).

Таблица 15. Электрохимический ряд напряжений.

Металл	Электрический потенциал	Металл	Электрический потенциал
Калий	-2,92	Олово	-0,14
Магний	-1,55	Свинец	-0,13
Алюминий	-1,32	Водород	0
Цинк	-0,76	Медь	+0,34
Хром	-0,51	Серебро	+0,81
Железо	-0,44	Ртуть	+0,86
Никель	-0,25	Золото	+1,50

Каждые два металла образуют гальваническую пару. При этом электродвижущая сила будет тем больше, чем дальше друг от друга они стоят в эклектическом ряду.

Взаимодействие металлов с газами. Количество отливки во многом зависит от взаимодействия металлов (особенно их жидких расплавов) с газами. Это взаимодействие представляет собой комплекс сложных физико-химических процессов, направленных в строну равновесия.

В реальных условиях полное равновесие между газообразной и жидкой фазами достигается крайне редко. Поэтому термодинамические расчеты, относящиеся к состоянию равновесия, как правило, показывают лишь направление взаимодействия.

Возможны три случая взаимодействия газов с расплавами. 1. Полная взаимная интенсивность. Она наблюдается, например, при плавлении любых металлов в среде интерных газов (аргона, гелия идр.) 2. Газ практически нерастворим в металле. Образующиеся химические соединения в виде жидких капель, плен или кристаллов, проникая в металл, загрязняют его. 3. Газы образуют с металлом растворы. Как известно, растворимость в металле двухатомного газа [Г]ме зависит от давления газа рr и от температуры Т:

[Г]ме = кvрr exp [ - ДQ/ (RT)].

где, k - постоянный коэффициент, R - газовая постоянная, ДQ - теплота растворения 1 модуля газа в расплаве. Значение ДQ может быть положительным и отрицательным.

При ДQ > 0 процесс растворения газа сопряжен с поглощением теплоты и является эндоремическим. В этом случае повышение температуры вызывает увеличение содержания газа в металле.

При ДQ < 0 растворение газа сопровождается выделением теплоты, т.е. является экзотермическим процессом, и повышение температуры вызывает снижение содержания газов в растворе.

При эндотермическом процессе, когда растворимость газа снижается по мере охлаждения расплавов, в ходе кристаллизации в отливке могут образовываться газовые пузыри. Это происходит из-за избыточного для низких температур количества газа в расплаве. Эти пузыри являются причиной образования газовой пористости.

В таблице 16. приведены данные о взаимодействии жидких металлов с различными газами (водородом, кислородом, азотом). В таблицу также включены сведения об углероде, поскольку надо учитывать возможность растворения монооксида углерода. Знак "+" указывает на существенную растворимость, знак "-" указывает на незначительную растворимость.

Таблица 16. Взаимодействие жидких металлов с газами и углеродом.

Газ	Sn	Pb	Zn	Mg	Al	Cu	Mn	Ni	Fe	Ti
Водород	-	-	-	+	+	+	+	+	+	+
Кислород	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+
Азот	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+
Углерод	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+

Взаимодействие с водородом. Водород составляет основную долю растворенных газов. Он попадает в жидкие металлы вследствие разложения воды или углеводородов:

Ме + Н2О >МеО + 2 [Н];

СаНm > nC + m [H].

Растворение водорода в металлах ряда Mq - Fe (см. таблицу 16) сопровождается поглощением теплоты. Снижение температуры вызывает уменьшение содержания газа в растворе. В этих металлах возможно образование газовой пористости, если расплав содержит большое количество водорода. Растворение водорода в титане является экзотермическим процессом, растворимость расет с понижением температуры и образование водородной пористости невозможно.

Взаимодействие с кислородом. Все жидкие металлы взаимодействуют с кислородом.

Легкоплавкие металлы - от олова до алюминия (см. таблицу 16) - практически не растворяют кислород. Взаимодействие этих металлов с кислородом сводится к образованию оксидных плен на поверхности металла.

Остальные металлы способны растворять кислород в определенных количествах, после чего начинается образование оксидов.

Взаимодействие с азотом. Растворение азота в марганце, никеле и железе является эндотермическим процессом, вследствие чего эти металлы подвержены образованию газовой пористости, вызванной выделением азота из расплавов.

В титане азот растворяется с выделением теплоты, что исключает образование газовой пористости.

Растворение азота в жидких сплавах металлов в общем случае пропорционально содержанию компонентов. Исключение составляют сплавы железа и никеля с добавками алюминия и титана. В этих сплавах образуются твердые нитриды титана и алюминия в виде включений.

Для металлов от олова до меди (см. таблицу 16) азот практически является инертным газом.

Взаимодействие с водой. Большая часть металлов в жидком состоянии располагает воду. Результаты взаимодействия расплава с водой зависят от характера его взаимодействия с водородом и кислородом.

Если расплав не растворяет ни водород, ни кислород, то в результате контакта с влагой расплав покроется пленой оксидов, а водород уйдет в атмосферу. Так ведут себя олово , цинк, свинец и все сплавы на их основе.

Если же расплав не растворяет кислород, но растворяет водород происходит окисление поверхности расплава и насыщение его растворенным водородом.

Если расплав способен растворять и кислород, и водород, то именно это и будет происходить. Конечное равновесие в системе определяется парциальным давлением паров воды и концентрациями кислорода и водорода в расплаве.

Взаимодействие металлов с оксидом углерода. Взаимодействие металлов с оксидом углерода определяется возможностью прохождения реакции:

Ме + СО >МеО + С;

Ме + СО > [Ме + О] + С;

Ме + СО > [Ме + С + О].

Свинец, олово и медь с оксидом углерода практически не взаимодействуют, для этих металлов его модно рассматривать как нейтральный газ.

Для цинка, магния, алюминия СО является окислительным газом, взаимодействие с ним приводит к образованию нерастворимых оксидов на поверхности расплава.

Для остальных металлов, представленных в таблице 16. понижение температуры равновесие между содержанием кислорода и углерода в расплаве сдвигается в влево, т.е. в строну образований СО. Следовательно, расплавы, содержащие растворенные углерод и кислород, при охлаждении и кристаллизации могут поражаться газовой пористостью, образованной оксидом углерода. Подобное, например, происходит в литейных углеродистых сталях в случае недостаточного раскисления.

Взаимодействие металлических расплавов с огнеупорными материалами. Огнеупорные материалы, которыми футеруют плавильные печи и из которых изготавливают плавильные тигли, должны быть при высоких температурах механически прочными и химически стойкими, чтобы не вступать во взаимодействие с металлическим расплавом, оксидами, шлаками, флюсами.

Наиболее часто применяют шамот (60-75 % SiО2 , остальное - Al2O3), динас (более 95 % SiO2, остальные - примеси), магнезит (80 % MqO), хромомагнезит (45-50 % МqО, 30-35 % Cr2O3, остальное - SiO2), циркон (65 % ZrO2,, 35 % SiO2), высокоглиноземистые огнеупоры (более 50 % Al2O3, остальное - SiO2). Самым дешевым и доступным огнеупорным материалом является шамот.

Основной характеристикой этих материалов является огнеупорность - температура, oС, при которой материал способен выдержать напряжение сжатие 0,2 МПа (таблице 17). (Огнеупорность формовочных смесей оценивается температурой, при которой происходит деформация специальных образцов - конусов.

Таблица 17. Огнеупорность материалов.

Материал	Огнеупорность, oС
Циркон	1700
Динас	1600
Магнезит	1550
Хромомагнезит	1500
Высокоглиноземистые материалы	1500
Шамот	1300

Химическая стойкость огнеупоров определяется возможностью происхождения реакции между жидким металлом и огнеупорным оксидом

Ме + RO > MeO + [R]С Me;

Ме + RO > [Me + O + R].

где, R - металл, входящий в состав оксида.

В результате этих реакций разрушается футеровка, расплав загрязняется оксидами и примесью R или кислородом и примесью R.

Кроме того, возможно взаимодействие оксидов огнеупора и оксидов металла, выражающееся во взаимном растворении. Оценить такое взаимодействие можно по виду диаграммы состояния МеО - RO. Если в системе МеО - RO.имеются эвтектики с температурой плавления ниже температуры расплава, то при плавке на воздухе обязательно будет происходить активное разъедание футеровки.

Легкоплавкие металлы - олово, свинец, цинк - имеют столь низкие температуры огнеупорных материалов. Однако при плавке свинца и его сплавов в шамоте перегревы до 750 oС приводит к оплавлению футеровки вследствие того, что в системе PbO - SiO имеется эвтектика с температурой плавления 715 oС.

Поскольку магний при температурах расплава около 850 oС активно восстанавливает кремний из шамота, магниевые сплавы плавят в печах с магнезитовой футеровкой или в стальных тиглях.

При плавке алюминия также происходит восстановление кремния из кремнезема шамота. Поскольку шамот - наиболее дешевый материал, его используют для приготовления алюминиевых сплавов, если примесь кремния допустима в определенных пределах.

Медь и многие медные сплавы плавят в шамотной футеровки. Сплавы меди с цирконием, хромом и титаном получают в печах с магнезитовой футеровкой.

Для сплавов на основе никеля и железа шамот непригоден из-за недостаточной огнеупорности. Эти сплавы изготавливают в динасе, магнезите, хромомагнезите и цирконии.

Иногда металл плавят в графитовых тиглях, но чистый графит пригоден лишь для сплавов, не растворяющих углерод. Кроме того, его применение требует защитной атмосферы, поскольку при температурах, превышающих 600 oС, графит на воздухе быстро сгорает. Как добавка в оксидные огнеупоры графит повышает стойкость материала. Широко известен графитошамот (40-50 % графита), из которого делают плавильные тигли.

Расплавы, рабочие температуры которых не превышают 900 oС, можно получать в стальных и чугунных тиглях. Главная опасность при этом - возможность насыщения расплава железом. Ее оценивают по диаграмме состояния "железо - расплавленных металл".

3. Прессование металлов

Развитие всех отраслей машиностроения вызывает необходимость улучшить качество и расширить сортамент металлопродукции, освоить производство новых экономических профилей проката металлов. Наиболее прогрессивный процесс производства профилей - прессование (экструдирование). Это объясняется тем, что прессованием можно получать заготовки большой длины с практически любой формой и достаточно точными размерами поперечного сечения, а также с поверхностью высокого качества.

При обработке металлов давлением полуфабрикаты и изделия получают пластическим деформированием исходной заготовки без снятия стружки. Этот процесс отличается значительной экономичностью, высоким выходом годного и большой производительностью. Обработка давлением можно изготовить детали самых различных размеров (от миллиметра до нескольких метров) и формы.

Обработка металлов давлением обычно преследует две основные цели: получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и улучшение кристаллической структуры исходного литого металла с повышением его физико-механических свойств. Давлением обрабатывают примерно 90 % всей выплавляемой стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов.

К обработке металлов давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку, и некоторые специальные процессы, например, отделочную и упрочняющую обработку пластическим деформированием и т.д. Методы обработки металлов давлением классифицируют по схемам технологического процесса.

При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента. Исходный материал для прессования - слитки или отдельные заготовки. Существуют два метода прессования - прямой и обратный. При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение материала из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансон, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей.

Обратное прессование по сравнению с прямым требует меньших усилий и прессостаток в этом случае меньше, однако меньшая деформация при обратном прессовании приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Основное преимущество прессованных изделий - точность их размеров. Кроме того, ассортимент изделий, получаемый прессованием, весьма разнообразен, и этим методом можно получить очень сложные профили.

В основе обработки металлов давлением лежит процесс пластической деформации, при котором изменяется форма без изменения массы. Все расчеты размеров и формы тела при обработке давлением основаны на законе постоянства объема, суть которого заключается в том, что объем тела до и после пластической деформации принимается неизменным.

Изменения формы тела может происходить в направлении трех главных осей; при этом каждая точка стремится перемещаться в том направлении, в котором создается наименьшее сопротивление ее перемещению. Это положение в теории обработки металлов давлением носит название закона наименьшего сопротивления.

При свободном формоизменении тела в различных направлениях наибольшая деформация происходит в том направлении, в котором большинство перемещающихся точек встречает наименьшее сопротивление своему перемещению.

Законы постоянства объема и наименьшего сопротивления распространяются на все способы обработки металлов давлением. При этом закон постоянства объема используют для определения размеров заготовок, а закон наименьшего сопротивления позволяет определить, какие размеры и форму поперечного сечения получит заготовка с тем или иным сечением в процессе обработки давлением. Любой процесс обработки металлов давлением характеризуется очагом деформации и коэффициентом деформации. При прессовании труб для прошивки отверстия в заготовке применяют иглы, которые устанавливают в иглодержателе. Внутренний диаметр трубы определяется диаметром иглы. Процесс прессования трубы проходит в следующей последовательности. В начале прессования заготовка распрессовывается так, что заполняет контейнер, затем слиток прошивается иглой, причем выдавленная часть металла в момент распрессовки и прошивки и прошивки выходит из матрицы в виде прутка-пробки. Размер пробки зависит от размеров труб. Так, например, при прессовании труб диаметром более 250 мм масса пробки может достигать 40 % массы заготовки. Для уменьшения размеров пробки используют следующий технологический прием. Вместо матрицы устанавливают глухую пробку, с которой прошивается слиток. При этом вытесняемый иглой металл идет на увеличение длины слитка. В конце хода пробку убирают и в матрице осуществляется окончательная допрошивка слитка. В конце операции прессования в контейнере остается часть металла, называемая прессостатком, величина которого определяется размером изделий, свойствами прессуемого металла или сплава, а также конструкцией пресса.

4. Диэлектрическая проницаемость

Диэлектримческая проницамемость, безразмерная величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность.

Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация. Поляризация различных газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату коэффициента преломления для этого газа.

Зависимость газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Температурный коэффициент имеет значение около 2.10-6К-1.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики могут состоять из неполярных или полярных молекул. Значение e неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико, близко к значению квадрата преломления света и обычно не превышает 2,5. Зависимость ??неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т. е. с уменьшением плотности, а ее температурный коэффициент близок к температурному коэффициенту объемного расширения жидкости, но отличается знаком.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема. Температурная зависимость в случае полярных жидкостей носит сложный характер.

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

В твердых телах может принимать самые разные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.

Наименьшее значение имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией [парафина -- (1,9-2,2); полистирола (2,4-2,6); серы -- (3,6-4,0)].

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют значения, лежащие в широких пределах (каменной соли -- 6; корунда -- 10; рутила -- 110; титаната кальция -- 150).

У различных неорганических стекол, приближающихся по строению к аморфным диэлектрикам, лежит в сравнительно узких пределах от 4 до 20.

Полярные органические диэлектрики обладают в твердом состоянии дипольно-релаксационной поляризацией.

5. Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- или взрывоопасной среде. Жидкие диэлектрики находят применение и для заливки герметичных кожухов, в которых располагаются блоки электронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемости и относительно невысокой стоимостью. По зарубежным данным, если цену нефтяного масла принять равной единице, то стоимость кремнийорганических жидкостей - от 80 до 370, фторорганических жидкостей - до 1150. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничилось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество.

Хлорированные углеводороды можно получить путем хлорирования дифенила С6Н5 -- С6Н5. При этом можно получать продукты с различной степенью хлорирования: три-, тетра-, пента- и гексахлордифенилы. По мере увеличения степени хлорирования растут молекулярная масса, плотность, вязкость, температура застывания и кипения. Вместе с тем возрастает и экологическая опасность, поэтому в конденсаторостроении пентахлордифенил (совтол) был заменен на трихлордифенил, хотя он и имеет повышенную вязкость при низких температурах.

Для применения в силовых трансформаторах был разработан совтол-10, представляющий собой смесь 90% пентахлордифенила и 10% трихлорбензола, который имеет в рабочем интервале температурную вязкость, близкую к вязкости трансформаторного масла. Однако по своим вязкостно-температурным свойствам совтол-10 значительно уступает гексолу, представляющему собой смесь 20% пентахлордифенила и 80% гексахлорбутадиена. Гексол не застывает при температуре до -60оС и меньше подвержен влиянию загрязнений. Значения тангенса угла диэлектрических потерь для трихлордифенила, совтола-10 и гексола при 90оС лежат в пределах 0,015-0,03. Электрическая прочность большинства жидкостей на основе хлорированных углеводородов при 20оС не превышает 18-22 МВ/м.

Все жидкости на основе хлорированных дифенилов являются токсичными и биологически вредными соединениями. При их использовании необходимо соблюдать правила техники безопасности и промышленной санитарии.

За рубежом находят применение также другие виды хлорированных углеводородов или их смеси. Так, пропитывающее вещество Южилек (Франция) на основе полихлорфенилтолилметанов и его смесей с трихлорбензолом используются в трансформаторах и конденсаторах. Жидкости Южилек менее огнестойки по сравнению с трихлордифенилами, но мало отличаются от них по стабильности и совместимости с обычно применяемыми материалами. В то же время они малотоксичны и биоразлагаемы при достаточной химической стабильности, что важно при утилизации трансформаторов и конденсаторов с синтетическими жидкостями, отработавшими свой срок.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка --Si -О--Si -- , атомы кремния которой связаны с органическими радикалами. В зависимости от строения радикала (метил-, этил-, фенил-), непосредственно связанного с атомом кремния, основные группы кремнийорганических жидкостей имеют название: полиметилсилоксановые (ПМСЖ), полиэтилсилоксановые (ПЭСЖ), полифенилсилоксановые (ПФСЖ), полиметилфенилсилоксановые (ПМФСЖ). Температура вспышки паров этих жидкостей нормируется не ниже 300оС, температура застывания - ниже -60оС. При температурах более высоких, чем температура вспышки паров, эти жидкости самовоспламеняются без контакта с открытым пламенем. По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Так, для полиэтилсилоксановых жидкостей tg =(2?3)*10-4; U пр > 45 кВ.

Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. По химическому составу представляют собой углеводороды, амины, эфиры и другие соединения, в которых атомы водорода частично или полностью замещены атомами фтора или хлора (в хлорфторорганических соединениях). Если атомы водорода полностью замещены на атомы фтора, то такие соединения называются перфторированными. Некоторые фторуглеводороды и фторхлоруглеводороды нашли применение в качестве хладоагентов и получили название хладонов (раньше их называли фреонами). Некоторые сорта хладонов получили применение в качестве жидких диэлектриков. Фторуглеводородные жидкости получили применение для заполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах.

По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям. Смесь хладонов с воздухом взрывобезопасна. Хладоны признаны нетоксичными соединениями, однако в помещении, заполненном их парами, возможна смерть теплокровных животных от удушья, вызванного, по-видимому, недостатком кислорода. При высоких температурах хладоны разлагаются с выделением токсичных продуктов.

6. Пластические массы

Пластические массы (пластмассы, пластики), полимерные материалы. формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии обычно при повышенной температуре и под давлением. В обычных условиях находятся в твердом стеклообразном или кристаллическом состоянии. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и различные модифицирующие добавки, улучшающие технологические и(или) эксплуатационные свойства, снижающие стоимость и изменяющие внешний вид изделий. В зависимости от природы твердого наполнителя различают асбопластики. боропластики, графитопласты, металлополимеры, органопластики, стеклопластики. углепластики. пластические массы, содержащие твердые наполнители в виде дисперсных частиц различной формы (напр., сферической, игольчатой, волокнистой, пластинчатой, чешуйчатой) и размеров, распределенных в полимерной матрице (связующем), называют дисперсно-наполненными пластическими массами, содержащие наполнители волокнистого типа в виде ткани, бумаги. жгута, ленты, нити и др., образующие прочную непрерывную фазу в полимерной матрице, наз. армированными (см. Армированные пластики, Композиционные материалы). В пластических массах могут также сочетаться твердые дисперсные и(или) непрерывные наполнители одинаковой или различной природы (т. наз. гибридные, или комбинированные, наполнители). Содержание твердого наполнителя в дисперсно-наполненных пластических массах обычно изменяется в пределах 30-70% по объему, в армированных - от 50 до 80%.

Пластические массы, содержащие в качестве наполнителя газ или полые орг. либо неорг. частицы, относят к пенопластам, которые также могут быть дисперсно-наполненными или армированными.

Модифицирующие добавки вводят в пластические массы в небольших количествах для регулирования состава, структуры и свойств полимерной фазы или границы раздела фаз полимер - наполнитель. Для регулирования вязкостина стадиях получения и переработки пластические массы используют инертные или активные растворители, разбавители и загустители, для снижения температур стеклования, текучести и хрупкости-пластификаторы, для повышения химической, термо- и светостойкости - антиоксиданты. термо- и светостабилизаторы. для снижения горючести-антипирены, для окрашивания - пигменты или красители, для снижения электризуемости - антистатики. для улучшения смачивания наполнителя и повышения адгезионного взаимодействия полимер - наполнитель используют ПАВ и аппретирующие ср-ва (см. Текстильно-вспомогательные вещества). По типу полимерного компонента и характеру физ. и хим. превращений, протекающих в нем при получении и переработке и определяющих способ и условия последних, пластические массы подразделяют на два принципиально различных класса - термопласты и реактопласты.

7. Сверхпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверх-проводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.

Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнентиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;

большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;

меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Криопроводники

Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопро-водниками (гиперпроводниками).

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками.

Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.

8. Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники -- примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 319, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 319, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ?ED=0,013 эВ. Так как ?ED<kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называютсяэлектронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей -- донорными уровнями.

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 1, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.