Стали и сплавы со специальными свойствами
В современном машиностроении широко используют стали и сплавы, обладающие специальными свойствами: заданной проводимостью, низким удельным электросопротивлением, заданным температурным коэффициентом линейного расширения, полупроводниковыми и магнитными свойствами, способностью восстанавливать заданную форму изделия.
Металлические проводниковые материалы. Широкое применение в автомобилях нашли металлы и сплавы высокой проводимости: серебро, медь, бронзы и латуни.
Серебро применяется для изготовления неокисляющихся проводников электрических контактов ответственных приборов. Специальными методами из серебра изготовляют покрытия на меди, латуни и непроводящих материалах: керамике, стекле, полимерах.
Медь имеет широкое применение благодаря высокой проводимости, хорошим механическим характеристикам, более низкой по сравнению ^серебром стоимости. Для защиты меди от окисления токоведущие элементы серебрят.
В отожженном виде медь (марки ММ) имеет более высокую проводимость, в нагартованном (марки МТ) — высокую прочность. Мягкую медь (марки МО, Ml) применяют для изготовления жил обмоточных проводов. Медь марок М2, М3 и М4 используют преимущественно для получения сплавов.
В изделиях с повышенными механическими характеристиками используют латуни, кадмиевые и бериллиевые бронзы.
Кадмиевую бронзу используют для изготовления троллей, скользящих контактов, мембран.
Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих ' деталей.
Алюминий характеризуется достаточно высокой электропроводностью в сочетании с пластичностью и малой плотностью. Он более распространен в природе, чем медь, более стоек к коррозии. Промышленность выпускает сверхчистый алюминий марок А 999 и А 995, алюминий высокой чистоты марок А 99 и А 95. Их используют для изготовления электролитических конденсаторов, защитных кабельных оболочек. Из алюминия технических марок А 85 и А 7 изготавливают кабели, токопроводящие шины.
Для соединения алюминиевых проводов применяют специальные припои, разрушающие в месте контакта пленку окислов с высоким электрическим сопротивлением. В ряде случаев используют биметаллическую проволоку, состоящую из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Покрытие наносят гальваническим способом или плакированием.
Полупроводниковые материалы представляют собой класс материалов с электронной проводимостью, характеризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Для получения полупроводников с заданными удельными
электросопротивлением и типом проводимости осуществляют их легирование.
Согласно химической классификации полупроводниковых материалов, их разделяют на два класса:
— простые полупроводники, имеющие в своем составе один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, Р, As, Sb, S, Se, Те, I);
— сложные полупроводники, являющиеся химическими соединениями и сплавами.
Германий (Ge) является одним из наиболее широко применяемых полупроводников, его используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, диодов и др.
Полупроводниковые приборы на основе кремния работоспособны при более высоких температурах (120—150 °С), чем германиевые (TOSS °С). Нелегированный кремний применяют при создании силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения и др.
Также достаточно широко используются в электронной промышленности селен, теллур и их соединения.
Магнитные стали и сплавы характеризуют магнитной проницаемостью, коэрцитивной силой и остаточной индукцией. В зависимости от значений этих величин магнитные материалы разделяют на:
-магнитно-мягкие материалы (ферромагнетики), имеющие малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои);
— магнитно-твердые стали и сплавы, имеющие большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы.
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАЛ) содержит менее 0,04% С, обладает высокой магнитной проницаемостью и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др.
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. По содержанию кремния эту сталь делят на четыре группы:
— с 1% Si — марки Э11, Э12, Э13;
— с 2% Si — марки Э21, Э22;
— с 3% Si — марки Э31, Э32;
— с 4% Si — марки Э41, Э48.
Вторая цифра (1—8) характеризует уровень электротехнических свойств.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45—80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Мо. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых магнитных полях (телефон, радио).
Ферриты — материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe304 и оксидов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). У ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.
В электронной вычислительной технике и автоматических устройствах широко применяют магнитные материалы с прямоугольной пет-лей гистерезиса (ППГ). Основными требованиями к материалам с ЬПГ являются: заданное значение коэрцитивной силы и минимальное время перемагничивания.
В малогабаритных ЭВМ и оперативных запоминающих устройствах используют тонкие ферромагнитные пленки. Характерная особенность этих материалов — незначительное время перемагничивания (от десятых долей до нескольких наносекунд).
В качестве носителей магнитной записи используют ленты, диски, барабаны и т.д. Магнитную запись производят на специальном материале, состоящем из подложки и слоя магнитного вещества на органическом связующем. В качестве подложки используют поливинилхлорид, лавсан, полиамид. Магнитный материал — это обычно высокодисперсные оксиды Fe2Cr203, сплавы Fe-Co. Слой магнитного материала наносят электролитическим осаждением, распылением в вакууме.
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением применяются для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов.
Железохромалюминиевые (Х13Ю4) и никелевые (Х20Н80 — нихром) сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Стойкость нагревателей из железохромалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы применяют для бытовых приборов и промышленных печей.
Стали и сплавы с особыми упругими свойствами. В машиностроении широкое применение получили материалы, обладающие высокими пределом упругости и пределом выносливости. Эти свойства материалов обеспечиваются их термической обработкой — закалкой и последующим отпуском. Среднеуглеродистые стали с упругими свойствами применяют для изготовления пружин, рессор общего назначения. Для изготовления упругих элементов в приборостроении применяют сплавы с особыми упругими свойствами. Пружины, мембраны, сильфоны — изготовляют из сплавов 42НХТЮ, 17ХНГТ, 68НХВКТЮ, 95HJI и др. Эти сплавы в закаленном состоянии достаточно технологичны в переработке, а после старения приобретают высокие упругость и прочность.
Для изготовления упругих элементов особого назначения применяют бериллиевые бронзы (БрБ2) с малыми неупругими эффектами при больших упругих деформациях. Они упрочняются термической обработкой. Бериллиевые бронзы дополнительно легируют титаном и никелем, микролегируют бором (до 0,1%), магнием (до 0,1%). Для защиты упругих элементов от воздействия коррозионно-активных сред применяют их оксидирование, кадмирование, никелирование.
Для изготовления упругих элементов, работающих под воздействием электрического тока, применяют сплавы па никелевой и кобальтовой основе: 05НЛМ, ЭП431.
Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н — инвар, почти не расширяется при температурах от -60 до +100 °С, обладает хорошими служебными характеристиками, технологичен и коррозионно- стоек. Легированием инвара кобальтом получают суперинвар. Эти сплавы применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур.
Для соединения металлических деталей приборов со стеклянными применяют сплавы Fe-Ni, легированные кобальтом или медью. Для соединений с термостойким стеклом применяют сплав 29НК (29% Ni, 18% Со) — ковар. Для нетермостойких стекол применяют сплав 48 Н — платинит.
В приборостроении широко используют материалы, состоящие из двух слоев материалов с различными температурными коэффициентами литейного (объемного) расширения — термобиметаллы (сплавы марок 19НХ, 20НТ, 24НХ, 27НМ, 46Н и др.). Термобиметаллы при-меняют для изготовления тепловых реле, конденсаторов, сигнальных пожарных устройств.
Сплавы с «эффектом памяти». «Эффект памяти механической формы» заключается в свойстве пластически деформированного при повышенных температурах изделия, а затем деформированного при данной температуре до потери первоначальной формы, восстанавливать ее при повторном нагреве.
«Эффект памяти механической формы» характерен для ряда сплавов: Ti-Ni, Cu-Zn и др. Наиболее типичным представителем таких материалов является сплав Ti-Ni (нитинол).
Сплавы, реализующие «эффект памяти», используют для изготовления самораскрывающихся антенн космических аппаратов, в устройствах пожаротушения и др.