Магнитно-мягкими являются ферромагнитные материалы (чистое железо и его сплавы с кремнием, никелем, кобальтом или алюминием, кремнием и алюминием, хромом и алюминием), отличительными чертами которых являются высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила (Нс от десятых долей до 100-150А/М), малые потери на вихревые токи при перемагничивании, узкая и высокая петля гистерезиса, сравнительно большое электрическое сопротивление. Такие материалы быстро намагничиваются в магнитном поле, но так же быстро теряют свои магнитные свойства при его снятии.

Свойства магнитно-мягких материалов сильно зависят от наличия дефектов, создаваемых загрязнениями, внутренними напряжениями и искажениями кристаллической решетки используемых металлов и сплавов. Примеси серы, фосфора, кремния и марганца, от которых не удается освободить литое железо даже при его вакуумной переплавке, существенно увеличивают потери на гистерезис. Использование высокочистых карбонильных или электролитических порошков железа и особенно его сплавов с никелем или кобальтом позволяет получать магнитные материалы, более точные по составу и с лучшими свойствами. Весьма эффективно производство спеченных магнитов из труднодеформируемых сплавов: например, при прокатке порошков в ленту толщиной до 30 мкм обеспечивается выход годного до 95 %, тогда как в случае получения такой же ленты из литого металла - 40 %.

Порошок железа (основа соответствующих магнитно-мягких материалов) должен содержать < 0,07 % С; предпочтительнее использовать карбонильный или электролитический порошок с размером частиц 5-15 мкм.

Для улучшения прессуемости необходимое количество порошка железа смешивают со стеротексом (0,3-0,5%) и прессуют при давлении 300-700 МПа. Заготовки укладывают в лодочки из окалиностойкой стали и для более равномерного нагрева и изоляции друг от друга пересыпают оксидом алюминия (корраксом). Спекают заготовки в восстановительной атмосфере (например, в водороде с точкой росы не хуже - 40°С) при 1100 - 1250°С и изотермической выдержке 1 - 4 ч в зависимости от размера изделий; охлаждают спеченные заготовки в холодильнике печи в токе восстановительного газа. В ряде случаев для повышения магнитных свойств после охлаждения и очистки от засыпки заготовки подвергают повторному прессованию (допрессовыванию) при давлении 800 - 1000 МПа и продолжительному спеканию-отжигу (до 20 ч) при 1300°С.

Для чистого железа, обладающего низким электросопротивлением, характерны большие потери на вихревые токи. С целью снижения этих потерь применяют различные сплавы железа с кремнием, с кремнием и алюминием или другими добавками.

Исследование магнитных свойств железа с различным количеством кремния показало, что лучшие свойства достигаются при его содержании около 6,5%. Однако на практике содержание кремния обычно не превышает 4 %, так как сплавы с большим его содержанием отличаются высокой твердостью, повышенной хрупкостью и плохой обрабатываемостью.

Область применения: магнитные усилители, импульсные трансформаторы, дроссели насыщения, магнитные ключи, якоря и полюса электротехнических машин, магнитопровода, статоры и роторы электродвигателей, силовые трансформаторы.

Для изготовления слабонагруженных деталей выбран сплав АЛ5:

а) расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из данного сплава;

б) опишите метод повышения механических свойств этого сплава и объясните природу явления.

а) АЛ5-Алюминиевый литейный сплав.

Химический состав в % материала АЛ5

Сплав АЛ5 применяется: для изготовления чушек и фасонных отливок различными способами литья (в песчаные формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, литьем под давлением); отливок деталей металлургического и транспортного оборудования (головок и цилиндров моторов воздушного охлаждения; деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше +225°С); отливок деталей трубопроводной арматуры и приводных устройств к ней.

Алюминиевый литейный сплав системы Al-Si-Cu.

Достоинства: Высокая механическая прочность, удовлетворительные литейные технологические свойства, свариваемость и коррозионная стойкость. Хорошая обрабатываемость резанием.

Недостатки: Пониженная пластичность.

Детали изготавливают литьем.

б) Прочность сплава АЛ5 после закалки и старения оказывается выше 200-230 МПа при удлинении 2-3%. Эффект упрочнения сплава при закалке и старении объясняется образованием при старении зон Гинье-Престона и промежуточных фаз сложного состава, отличающихся по составу и кристаллической решетке от равновесной, например Mg2Si, и когерентных с твердым раствором своими кристаллическими решетками.

Целью термической обработки деталей из литейных алюминиевых сплавов является получение определенных свойств воздействием соответствующих температур, времени выдержки при этой температуре, а также скорости охлаждения.

Состав и свойства керамики, применяемой в электроприборостроении

Электротехническую керамику подразделяют на 4 важнейших категории - магнитную, диэлектрическую, полупроводниковую и проводниковую, в том числе сверхпроводниковую. Все они характеризуются ионным строением кристаллических решёток. Рассмотрим вначале разновидность диэлектрической керамики - фарфоры. Основными компонентами фарфора являются пластичные глины и каолины, представляющие собой водные алюмосиликаты. Химическая формула каолина Аl2O3.2SiO2. H2O. В состав фарфоров входят также кварцевые материалы (SiO2), полевые шпаты (микроклин К2О. Аl2O3.6SiO2), глинозём (Al2O3), кальцит (СаСО3) и др.

Обожжённый фарфор состоит из кристаллов муллита 3Аl2O3.2SiO2 и кварца SiO2, промежутки между которыми заполнены стеклообразным материалом, образовавшимся в основном в результате расплавления полевого шпата.

Электротехнический фарфор содержит примерно 70% SiO2 и 25% Al2O3. Остальное приходится на К2О, Na2O, Fe2O3 и др.

Более высокими диэлектрическими свойствами обладает радиофарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в неё тяжёлого оксида ВаО.

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор. Он содержит увеличенное количество глинозёма Аl2O3 и ВаО. Ультрафарфор используется как высокочастотный диэлектрик вплоть до СВЧ.

Близкой по составу и свойствам к фарфору является стеатитовая керамика. Она в основном состоит из силикатов Мg и изготавливается на основе тальковых минералов 3МgO.4SiO2. Н2О. Рецептура стеатитовой керамики и условия процесса спекания выбирают так, чтобы исключить полиморфные превращения силиката магния. Кроме силиката магния в рецептуру входят минерализаторы ZrO2, ZnO, ВаСО3 и МgСО3, связывающие кремнезём SiO2, выделяющийся в процессе разложения талька при его нагревании.

Свойства фарфоров представлены в таблице.

Таблица

Отличительной особенностью рассмотренных выше керамических материалов является очень быстрое ухудшение диэлектрических свойств с ростом температуры: возрастание tg, падение.

Все эти материалы имеют положительный коэффициент теплопроводности, лежащий в пределах (3 - 9).10-6К-1.

Относительно высокий ТКЛР и низкий коэффициент теплопроводности 1,2 - 3,5 Вт/м. К обусловливают невысокую стойкость к термоударам. В этом отношении большой интерес представляют керамики на основе чистых оксидов, а также шпинели (двойные оксиды МgO. Al2O3).

Вопрос 6: Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д) - твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т.е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л [А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит+ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный) +ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 П [Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

а) - диаграмма железо-цементит, б) - кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,2% углерода

а) б)

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы; К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,2% С, называется доэвтектический чугун. Его структура при комнатной температуре - Перлит + Цементит + Ледебурит.

Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали У8

Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 150 HB. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае.

Изотермической обработкой, достаточной для получения твердости НВ = 150 для стали У8, является изотермический отжиг (рисунок 5). Структура после отжига - крупнопластинчатый перлит. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С. Структура после отжига - крупнопластинчатый перлит.

Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах Ar1 = 500єC. В процессе превращения происходит полиморфное г>б-превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры: А>Ф + Fe3C = Перлит.

магнитомягкий материал приборостроение керамика

Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита и цементита, содержащего 6,67%С, т.е. состоит из двух фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное г>б-превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие г>б-превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

Список используемой литературы