Вопросы для самопроверки.

1. Какие металлы являются объектом черной металлургии, а какие металлы относятся к цветной металлургии?

2. На какие группы подразделяют цветные металлы?

3. Почему Д.И. Менделеевым был введен термин «редкие элементы»?

4. Какие металлы относятся к легким металлам, и какие из них находят наибольшее практическое применение?

5. Почему ограниченно используют детали, изготовленные из технического магния?

6. В чем преимущество сплавов магния перед остальными металлами и сплавами?

7. Какие свойства алюминия позволяют его называть «металлом XXI века»?

8. Из каких основных компонентов состоит сплав дюраль?

9. По каким признакам различают литейные и деформируемые сплавы алюминия?

10. Какие свойства титана существенно его отличают от свойств алюминия и магния?

11. В каких областях используется титан и титановые сплавы? Приведите примеры.

12. Какие свойства проявляет металлическая медь, и в каких областях она применяется?

13. Какие сплавы являются «латунями»? Как классифицируют латуни?

14. Приведите примеры литейных латуней?

15. Какой ориентировочный химический состав имеет латуни марок: МООб, М1р, МОк?

16. Какие сплавы являются «бронзами» и как классифицируют бронзы?

17. Какой ориентировочный химический состав имеют бронзы следующих марок: БрОЗЦ12С5, БрО6Ц6С3, БрО4Ц7С5?

18. В каких областях применяются латуни и бронзы, и на каких свойствах сплавов основано их применение?

19. Какими свойствами обладает никель?

20. В каких областях применяется никель и никелевые сплавы?

21. Назовите 4 – 5 изделий, в которых используется свинец. Почему свинец используют в данных изделиях?

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами.

Группа материалов,

созданная преимущественно в ХХ веке,

и интенсивно развиваемая в ХХI веке.

Цели и задачи.

Цель изучения состоит в формировании компетенций по основным проводниковым материалам, перспективам их развития, в ознакомлении с материалами, проявляющими полупроводниковые, магнитные, сверхпроводящие свойства, отличающиеся высокими температурами плавления, имеющие эффект памяти формы.

Задачи:

- ознакомиться с основными видами проводящих материалов, запомнить их основные свойства и области применения, направления создания новых проводниковых материалов;

- при изучении тем полупроводниковые, магнитные, тугоплавкие, сверхпроводящие материалы, материалы с памятью формы, уяснить какие свойства данных материалов определяют области их практического применения.

5.1. Металлические проводниковые материалы.

Широкое применение в машинах нашли металлы и сплавы высокой проводимости: серебро, медь, золото, бронзы и латуни. Для них характерна высокая электропроводимость, достаточная прочность, пластичность, коррозионная стойкость в атмосферных условиях.

Таблица 5.1.

Свойства металлов высокой проводимости.

Показатель	Значение показателя
	Ag	Au	Cu	Al
Плотность, кг/м3	10500	19300	8900	2700
Температура плавления, °C	960	1063	1084	658
Удельное электросопротивление, мкОм*м	0,016	0,024	0,018	0,027

Металлы обладают наиболее высокой проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов. Именно такие металлы применяют для передачи электрической энергии, а также в качестве контактных материалов.

Свойства металлов, представленных в табл. 5.1, определяют их основные области практического применения. Алюминий, как самый лёгкий материал используется в линиях электропередач (ЛЕП). Медь, имеющая низкое удельное сопротивление используется в электротехнических устройствах, для внутренней электропроводки жилых помещений. Золото и серебро, относящиеся к благородным металлам и практически не окисляющиеся на воздухе, используются в контактных устройствах.

Серебро применяют для изготовления неокисляющихся проводников, электрических контактов приборов высоких и ультравысоких частот, печатных микросхем. Золото применяют для покрытия разъёмных контактов электронной техники, в космических и авиационных электронных устройствах и разъёмных контактах.

К недостаткам серебра следует отнести его склонность к образованию на поверхности изделий плёнки сульфида серебра. При комнатных условиях серебро взаимодействует с содержащимся в воздухе сероводородом, что приводит к появлению темного покрытия из сульфидной фазы. Образующийся на поверхности деталей сульфид серебра Ag₂S мало влияет на их электропроводность, но постепенно изменяет характеристики изделий. Для защиты поверхности серебра от воздействия соединений серы применяют тонкие полимерные и палладиевые покрытия. Специальными методами из серебра изготавливают покрытия на меди, латуни и непроводящих материалах: керамике, стекле, кварце, полимерах. В отдельных случаях серебро заменяют в покрытиях и контактах золотом. Золото применяют в наиболее ответственных разъёмных контактах компьютеров, авиационной и космической техники.

Особой группой проводниковых материалов являются материалы, предназначенные для длительной эксплуатации при температурах порядка 700К и выше в воздушной или другой окислительной среде. Обычно они представляют собой биметаллическую проволоку, сердечник которой выполнен из высокоэлектропроводного металла, а оболочка из металлов или сплавов, стойких к окислению и одновременно не растворимых в сердечнике, так как диффузионное растворение металлов друг в друге приводит к резкому снижению электропроводности и механических свойств.

По степени химической однородности металлы, применяемые в качестве проводников, подразделяются на металлы сверхвысокой чистоты (степень чистоты от 99,990% и выше), высокой чистоты (от 99,99 до 99,95%) и технической чистоты (от 99,95 до 99,90%).

В электротехнике в качестве проводников используют как можно более чистые металлы, так как это дает экономический эффект при передаче мощных потоков энергии на большие расстояния. Чем металл чище, тем выше его электропроводность и, следовательно, меньше потери. Экономический эффект существен, несмотря на некоторое снижение механической прочности металла вследствие увеличения его чистоты.

По механическим свойствам проводниковый материал может быть мягким, т. е. с низким пределом прочности и высокой пластичностью для данного химического состава, и твердым, т. е. деформированным, с высоким пределом прочности и низкой пластичностью для данного химического состава. Значение предела прочности и пластичности полутвердого проводника промежуточное для твердых и мягких металлов или сплавов.

Конструктивно проводники чаще всего изготовляются в виде проволоки неограниченной длины со значительным отношением поперечного сечения к длине, причем поперечное сечение может быть любой формы, но чаще всего круглой. Для увеличения гибкости крупных поперечных сечений отдельные проволочные проводники скручивают вместе в токопроводящие жилы.

Проводники могут быть выполнены в виде трубок любой конфигурации, ленты, полосы, сплетены из отдельных проволок в виде оплетки, ткани и т.п. В качестве обкладок конденсаторов, например, используется фольга толщиной менее 100мкм.

Проводники могут быть выполнены также в виде биметалла, композиционного металла, пленки, т. е. тонкого слоя металла на неметаллической гибкой подложке.

Полиметаллический проводник представляет собой несколько нанесенных один на другой слоев металлов, поверхности которых находятся в состоянии молекулярно-атомного сцепления. Если он получен совместной деформацией металлов, то обычно он называется плакированным. Проводник, состоящий из двух металлов, называется биметаллическим. Среди биметаллических проводников наиболее распространены медная луженая проволока (покрыта оловом), стальная луженая, стальная оцинкованная, стальная кадмированная, стальная алюминированная, сталеалюминевая, полученная напрессовкой алюминия на стальной сердечник, сталемедная, полученная прокаткой биметаллического слитка или нанесением на стальной сердечник медного слоя гальваническим осаждением и т.п.