Билет №25 (Ответы на экзамен 2), страница 2

Рис. 13.2. Зависимость удельной электропроводности от концентрации различных примесей.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. На­пример, алюминий марки А97 содержит алюминия 99,97%, осталь­ное — контролируемая примесь. Алюминий различают трех классов: 1) особо чистый — марка А999 (А1 не менее 99,999%); 2) химически чистый — марки А995, А99, А97, А95, содержащие А1 не менее 99,995, 99,99, 99,97, 99,95%, соответственно; 3) технически чистый — марки А85, А8, А7, А6, А5, АО, А, АЕ, содержащие А1 не менее 99,85 99,80, 99,70, 99,60, 99,50, 99,00, 99,00, 99,5%, соответственно. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очи­стки и контроля и тем он дороже.

В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не пре­вышать 0,5%, при этом Си должно быть не более 0,015%, Мn — не более 0,01% и Mg — не более 0,02%. Алюминий марки А97 применя­ют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитиче­ских конденсаторов и других изделий.

Алюминий — активный металл. Благодаря высокому сродству к кислороду, на воздухе он быстро покрывается тонкой (толщина порядка нм) и плотной пленкой оксида алюминия А12О3, которая за­щищает внутренние слои от дальнейшей коррозии. Пленка А12О3 об­ладает высоким удельным сопротивлением (ρ > 1 •10¹⁴ Ом-м) и при на­пряжениях менее 1 В может служить естественной межвитковой изоляцией. Путем анодирования (электрохимического анодного окис­ления) можно увеличить толщину оксидной пленки, при этом повы­сится пробивное напряжение. Оксидная пленка толщиной 0,03 мм имеет Unp= 100 В, толщиной 0,04 мм — Unp = 250 В.

Недостатком такой изоляции является ограниченная гибкость про­волоки и заметная ее гигроскопичность. Оксидная изоляция получила наибольшее применение в производстве электролитических конденса­торов и микросхем. Оксидная пленка алюминия, имея высокое удель­ное сопротивление в месте контакта проводников, создает достаточно высокое переходное сопротивление. Это ее отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными методами. По­этому при пайке алюминия применяют специальные припои или раз­рушают оксидную пленку ультразвуком с помощью ультразвукового паяльника, либо в месте контакта используют пластическое обжатие. Алюминий достаточно эрозионностоек к действию электриче­ских разрядов, а значит, его можно использовать в качестве электродов в приборах, где должно отсутствовать катодное распыление ме­талла.

Алюминии по отношению к большинству металлов обладает отри­цательным электродным (электрохимическим) потенциалом, который равен —1,67 В (у меди +0,34 В). Поэтому алюминий, находясь в кон­такте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других метал­лов необходимо защищать от увлажнения — покрывать лаками и т.п.

Сплавы алюминия

Сплавы алюминия обладают более высокими значениями меха­нической прочности σв, твердости НВ, износостойкости, нагревостойкости и удельного электросопротивления ρ, но меньшим значе­нием относительного удлинения перед разрывом δ, чем чистый алюминий.

Алюминиевые сплавы можно условно разделить на конструкцион­ные и электротехнические. Конструкционные сплавы — на литейные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой (деформируемые сплавы).

Литейные сплавы алюминия маркируют двумя буквами АЛ и цифрой, обозначающей порядковый номер сплава. Наиболее извест­ные сплавы алюминия с кремнием (и небольшими добавками Mg и Мп), называются силуминами (например, АЛ2, АЛ4, АЛ9). Для полу­чения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств в силумины добавляют 0,05—0,08% натрия. Такие сплавы называют модифицированными. К литейным алюминиевым сплавам относят сплавы следующих систем: А1—Si—Си (например, АЛЗ, АЛ5, АЛ6), А1—Си (например, АЛ7, АЛ 19, АЛ21), А1—Mg (например, АЛ8, АЛ27, АЛИ). Эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами, свариваемостью и удовлетворительными механическими свойст­вами (см. табл. 13.4).

Деформируемые сплавы алюминия подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые тер­мической обработкой. Сплавы, не упрочняемые термической обра­боткой, имеют высокую пластичность, поэтому из них получают изделия холодной штамповкой. Однако у них невысокая механическая Прочность. К ним относятся сплавы алюминия с Mg и Мп в суммар­ном количестве до 6%, например сплавы АМц, АМг2, АМг5, а также сПлавы с небольшими добавками Mg и Si — сплавы АД31. Алюми­ниевые сплавы АД31 (Mg 0,6% и Si 0,5%), подвергнутые закалке и естественному старению, — сплавы АД31Т1, наряду с алюминием марки А5Е используют для изготовления электропроводящих шин. Механические свойства деформируемых сплавов алюминия приведены в табл. 13.4.

К алюминиевым деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы, известные как дюралюмины и авиаль.

Дюралюмины — это сплавы системы А1—Си—Мп; Мп введен для повышения коррозионной стойкости сплавов. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18. Они хорошо деформируются в горячем и хо­лодном состоянии. Для их упрочнения применяют закалку в воде и естественное старение (около 5 сут). Сплав Д16 используют в строи­тельных конструкциях средней и повышенной прочности, для об-щивки и изготовления некоторых элементов самолетов, для кузовов грузовых автомобилей и т.д.

Сплавы авиаль (АВ) менее прочны, чем дюралюмины, зато обладают большей пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Спла­вы авиаль используют в легких конструкциях, где требуется их де­формация при монтаже. Наиболее прочным алюминиевым деформи­руемым сплавом является сплав В95, содержащий добавку Zn (см. табл. 13.4). Однако он менее коррозионностоек, чем дюралюминий, и непригоден для работы при температуре выше 150°С, так как ухуд­шается его механическая прочность.

Жаропрочные алюминиевые сплавы могут быть как литейными (на­пример, AJ121), так и деформируемыми (например, АК4). Эти спла­вы используют для изготовления деталей, работающих при темпера­турах 250—350°С. Повышенная жаропрочность достигается высоким содержанием Си, а также Мп, Mg и Ti (см. табл. 13.4).

Электротехнические сплавы алюминия. В соответствии с ГОСТ 14838—78 для изготовления холоднотянутой электротехнической проволоки используют алюминий марки АД1 и алюминиевые де­формируемые сплавы марок АМц, АМг2, АМг5П, Д1П, Д16П, Д18 и В65, где А обозначает алюминий, Д — деформируемый сплав, Мц — марганец, Мг — магний, П — сплав холодной высадки (разновидность пластической деформации), В — высокопрочный Деформируемый сплав, цифра — концентрацию легирующего хи­мического элемента. Эти сплавы содержат алюминия не менее 99,30%, a Fe, Si, Mn и Mg в количестве 0,2-0,7, 0,25-0,6, 0,2-1,0 и 0,2—4,8%, соответственно.

Химические элементы, образующие с алюминием твердые рас­творы, увеличивают механическую прочность, но снижают удельную электропроводность. Наиболее сильно снижают удельную электро­проводность Cr, Li, Mg, Nb, Ti, V, Mn, поэтому их количество в электротехнических алюминиевых сплавах должно быть ограничен­ным. Железо также повышает механическую прочность сплавов, но При этом мало влияет на их удельную электропроводность, так как не входит в твердый раствор, а присутствует в алюминии в виде дис­персных частиц.

Все электротехнические сплавы алюминия содержат железо Fe и Сличаются друг от друга различным его содержанием. Остальные элементы в этих сплавах представлены на более низком уровне.

Из электротехнических сплавов системы А1—Mg— Si с добавкой Fe наиболее известен сплав альдрей, обладающий высокими механи­ческими свойствами при небольшом удельном сопротивлении (см. табл. 13.4); его плотность d=2,l Мг/м3, TKJIP = 23-10~6 Кг1, р = 3,22-10~8 Ом-м, ТКр = 0,0036 Кг1. Нагревостойкость альдрея -начало рекристаллизации и снижения механической прочности, рав­на 180—200°С. Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки по схеме: деформация волоче­нием -> закалка в воде при температуре 510—550°С -» повторная де­формация волочением —>• старение при температуре 140—150°С. Вы­деляющееся при этой обработке из твердого раствора химическое соединение Mg2Si в мелкодисперсном состоянии обеспечивает ему высокие механическую прочность ств и Нагревостойкость. По меха­ническим свойствам альдрей приближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электропроводности — к твердому алюми­нию (AT). Известно, что контактный провод из сплава типа альдрея при рабочем токе 60 А, скорости движения 70 км/ч с медноуголь-ным токосъемником имеет износостойкость большую, чем у медного провода.

Из системы А1—Mg— Si с добавкой Fe известны и другие сплавы. Например, сплав, содержащий Fe до 1% и минимальную концентра­цию Si, имеет удельную электропроводность, составляющую 61% от электропроводности меди, и механическую прочность ав у отожжен­ных образцов 100—165 МПа. Известны сплавы системы А1—Mg—Si с малыми добавками В, Zn, Zr, Be, Ag и других химических элементов.