Цветные металлы и их сплавы

 

К цветным металлам относят: алюминий (Al), титан (Ti), медь (Cu), магний (Mg) и их сплавы.

 

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

 

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в решётке типа гранецентрированный куб (ГЦК) с периодом а=4,041 .

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

;

;

.

Постоянные примеси алюминия: Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса:

1. Особой чистоты А999 (≤ 0,001 % примесей);

2. Высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005 – 0,05 % примесей);

3. Технической чистоты А85, А8 и др. (0,15 – 1 % примесей).

Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АД0, АД1.

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация прочность и твёрдость алюминия.

;

; НВ=25.

 

Сплавы:

Al-Cu; Al-Si; Al-Mg; Al-Cu-Mg-Si; Al-Mg-Si; Al-Zn-Mg-Cu.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы классифицируются на:

- деформируемые алюминиевые сплавы;

- литейные (литейные формы).

 

I. Деформируемые сплавы обрабатываются методами резки, штамповки, механической обработки.

 

Основные алюминиевые сплавы

Сплавы	Химический состав	Механические свойствав
Осн-ые эл.	Si, %	Др. эл. %
Д1	Cu,Mg,Mn	-
Д16	-	-
АВ	-	0,5÷1,2
В95	-	-
В96	-	-
АК-6	-	0,7÷1,2
АК-8	-	0,6÷1,2
АК4-1	-	0,35	Ti=0.02; Ni=1; Fe=1
Д20	-	-	Ti=0,1; Zn=0,2

Д – дюралюминий (дуралюминий);

АВ – авиаль (Обрабатывается методами пластического деформирования);

В95, В96 – наиболее прочные, лёгкие и нержавеющие сплавы, используются в авиационной промышленности;

АК-6, АК-8 – ковкие алюминиевые сплавы.

За счёт ковки уплотняется структура сплава и приобретаются очень высокие характеристики. (Использовались в элементах памяти ЭВМ – магнитные барабаны.)

АК4-1, Д20 – жаропрочные сплавы. Жаропрочность достигается за счёт добавления титана.

 

II. Алюминиевые литейные сплавы (обрабатываются методами литья).

Марки: АЛ2, АЛ4, АЛ8, АЛ9….АЛ27.

АЛ8: Mg=9,5-11,5 %; Ti≈0.07 %

; .

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов.

МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ

Медь – металл красновато-розового цвета, имеющий кристаллическую ГЦК решётку с периодом а=3,6074 , без полиморфных превращений. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность.

Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы и ленту, из неё получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Примеси кислорода, водорода, свинца и висмута ухудшают свариваемость меди. Применение специальных керамических флюсов улучшает качество сварного шва, приближая его физические и механические свойства к характеристикам основного металла. На рис. показана зависимость удельной электропроводности меди от процентного содержания примесей в ней.

; ; НВ=35.

; ;

; ;

 

Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электрической проводимостью, пластичностью и коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, едких щелочах, органических кислотах и других агрессивных средах. По ГОСТ

859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди:

М00 (99,99 % Cu), М0 (99,7 % Cu), М1 (99,9

% Cu), М2 (99,7 % Cu), М3 (99,5 % Cu).

Основные примеси: Bi, Sb, As, Sn, Pb, S.

Рис.27

Основные сплавы меди:

1. Латуни;

2. Бронзы.

Латуни

Латуни – это сплавы меди с цинком. Существует два вида латуней:

- деформируемые латуни (обрабатываются методами вытяжки, гибки и тд.);

- литейные латуни (обрабатывают методами литья).

В производстве ЭВС в основном используют деформируемые латуни. Они имеют боле низкую стоимость, чем медь.

В промышленности в основном используют следующие марки латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л63, Л60.

 

Цинк очень сильно влияет на характеристики сплава, поэтому содержание цинка более 40 % не рекомендуется. На рис. 28 показана зависимость механических характеристик латуниевых сплавов от процентного содержания Zn.

 

В промышленности и в быту используют:

Zn =10 % - томпак;

Zn=10 ÷20 % - полутомпак. Рис. 28

Применение:

Широко применяются для изготовления контактов, контактных групп, деталей приборов, держателей и тд.

В отдельных случаях для повышения характеристик латуни легируют такими легирующими элементами, как:

Sn, Pb, Mn, Si, Fe и тд., тогда маркировка выполняется следующим образом:

ЛАЖ 60-1-1 – латунь алюминиевожелезистая (Al-1 %, Fe-1 %, Cu-60 %, Zn остальное);

ЛЖМЦ 59-1-1

 

Литейные латуни маркируются следующим образом:

ЛМЦЖ 52-4-1; ЛКС 80-3-3 – имеют низкую прочность и пластичность.

 

Бронзы

 

Бронзы – это сплавы Cu c Sn, Be, Pb, P, Zn и другими элементами.

 

Применение:

Из различного вида бронз изготавливают чувствительные элементы, пружины, мембраны, также изготавливают подшипники качения и вообще имеют более широкое применение в промышленности, чем латуни.

 

Маркировка:

Бр ОЦС 6-3-2 – бронза олово-цинково-свинцовистая.

 

Бр – бронза;

ОЦС – легирующие элементы (Sn-6 %, Zn-3%, Pb-2 %, Cu- всё остальное)

 

Классификация:

Классификация по первому легирующему элементу.

 

1. Оловянистые бронзы

Бр ОЦ 10-6 ; - литейная бронза;

Бр ОФ 6-015 ; - деформируемые бронзы.

 

2. Алюминиевые бронзы

Бр АЖ 9-4 – литейная бронза;

Бр АЖН 10-4-4 ;и НВ=200-240

 

3. Кремнистые бронзы

Бр КЦ 4-3

 

4. Маргонцевистая бронза

Бр Mn 5

 

5. Бериливые бронзы

Бр Б-2 ; ; НВ=300-350

 

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Mg имеет кристаллическую решётку типа гранецентрированная призма с периодом а=3,2 и с = 5,2002 .

; ;

; .

;

В настоящее время промышленностью выпускаются следующие марки магния:

МГ 90 (99,9 % Mg), МГ 95 (99,95 % Mg), МГ 96 (99,99 % Mg).

 

Основными примесями являются: Fe, Si, Ni, Na, Al, Mn, Cu.

 

В чистом виде магний не применяется, так как у него низкая температура самовозгорания. При добавки Ni резко снижается температура его самовозгорания, при чём содержание никеля должно быть менее 0,005 %.

 

Сплавы магния:

Al=10 %; Zn=2 %; Mn=0.1÷0.5 %; Be=0.03÷%.

Бывают деформируемые и литейные сплавы магния.

 

Применение:

Из-за низкой плотности магний применяют для изготовления корпусов оптических приборов – это литейный, а деформируемые сплавы магния применяют для изготовления деталей различных радиоэлектронных приборов.

Марки:

Тип сплава	Марка	Механические свойства	Применение
		НВ
Литейные	МЛ 2				Детали простой формы
МЛ 3
МЛ 4				Детали сложной формы (оптические приборы)
МЛ 5
МЛ 6
Деф-ые	МА 1	19-22	5-10		Детали большой нагруженности (панели приборов, высоконагруженные детали)
МА 2	27-33	8-20
МА 14	32-34	6-14

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Ti имеет кристаллическую решётку типа гексагональная призма.

а=2,95 ; с = 4,083 .

Титан обладает аллотропией:

До имеем α-титан с кристаллической решёткой типа гексагональная призма. Выше титан имеет кристаллическую решётку типа гранецентрированный куб с периодом а=3,306 .

±5 %; ;

; .

 

Маркировка (технический титан):

ВТ 1-00 (99,53 % Ti); ВТ 1-0 (99,48 % Ti).

 

Основные примеси: Ni, C, O.

 

Технологические свойства:

Ti на своей поверхности имеет плёнку окислов толщиной S=20÷50 , которая предотвращает его от коррозии. Титан обрабатывается всеми типами обработок.

 

Сплавы титана:

(гораздо прочнее, чем чистый титан)

 

Марка	Химический состав	Механические свойства
V, %	Al, %	Cr, %			Свойства
ВТ 3	-	5,0-5,2	2-3			Жаропрочные детали
ВТ 5	-	4-5,5				Детали общего назначения
ВТ 6	3,5-4,5	5-5,6				Детали общего назначения

 

РАДИОМАТЕРИАЛЫ

Диэлектрические материалы

Диэлектрик – это материал, основным свойством которого является поляризоваться в электрическом поле.

Важнейшей характеристикой диэлектриков является их высокое удельное электрическое сопротивление колеблющееся в пределах .

 

Диэлектрики

Пассивные Активные

 

Пассивные диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Их назначение в этом случае – препятствовать прохождению электрического тока путями не желательными для работы данного оборудования.

Активные диэлектрики принимают активное участие в работе электрической схемы и применяются для генерации, модуляции, усиления, т.е. для преобразования электрического сигнала.

 

 

К этим диэлектрикам предъявляются следующие требования:

- обеспечение высокой теплостойкости;

- стойкости к термоударам;

- холодостойкость;

- химическая стойкость;

- радиационная стойкость;

- стойкость к естественному старению;

- стойкость к насекомым и т.д.

 

Основной характеристикой пассивных диэлектриков является значение величины напряжения пробоя . При этом под напряжением пробоя понимается явление образования в диэлектрике проводящего канала под воздействием тока.

ВАХ диэлектрика см. рис. 29

 

 

Рис. 29

Газовые диэлектнрики

Из всех видов газовых диэлектриков наибольшее применение в промышленности получил воздух (используется в радиотехнике – электронно-лучевые трубки, лампы и т.д.).

Состав воздуха:

N – 78,03 %;

O – 20,93 %;

СO2 - 0,03 %;

Нейтральные газы – 1,01 %.

 

Основные свойства воздуха:

d – 1,293 ;

ε – 1,000576 (диэлектрическая проницаемость);

(удельное сопротивление);

Епр = 21 .

 

Нейтральные газы:

Ar, H, Ne, He – характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами. В основном используются в криогенной технике для сжижения газов. Так же применяются для создания сверхпроводимости в металлах. ().

Жидкие диэлектрики

а) Трансформаторные масла;

б) Конденсаторные масла;

в) Кабельное масло.

Рассмотрим трансформаторное масло:

Его заливают в трансформаторы, пропитывают конденсаторную бумагу, заливают в ядерные реакторы, смазывают контакты для искрагашения.

 

Свойства:

;

Твосп-я=135 ; ε = 2,2; ρ = ; .

Трансформаторное масло может окисляться, поэтому в него добавляют ингибиторы (100 г на 1 тонну масла).

Синтетические жидкости

(Савол и савтол)

 

Применяются для заливки конденсаторов, кабелей и т.д.

 

Характеристика	Марка масла
ГС -77	С - 75	С - 43
	1,84	1,81	1,94
ε	1,88	1,88	1,9
Епр,			22,4

 

Для высококачественных конденсаторов в отдельных случаях используют растительные масла: касторовое, подсолнечное, льняное.

ТВЁРДЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К твёрдым диэлектрикам относят:

- пластмассы;

- каучуки и резины;

- эластомеры.

 

Пластмассы

Пластмассы в настоящее время находят самое широкое применение как в вычислительной технике, так и в производстве РЭС. Пластмассы используются для изготовления корпусов, держателей.

Пластмассы – это материалы преимущественно искусственного происхождения, изготовленные на основе высокомолекулярных органических смол.

Пластмассы обладают рядом достоинств: имеют низкую себестоимость, имеют хорошие изоляционные свойства (это хороший диэлектрический материал), имеют достаточную прочность (некоторые виды пластмасс не уступают по прочности стальным конструкциям), имеют низкую плотность, обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичны в обработке, имеют эстетический вид.

Пластмассы обладают также рядом недостатков: низкая рабочая температура (до 300^о), это источник загрязнения окружающей среды (пластмассы не поддаются коррозии).

Классификация пластмасс:

1. термореактивные пластмассы;

2. термопластичные массы.

Термореактивные пластмассы. В их состав входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители, связывающие вещества.

Наполнители предназначены для придания пластмассам необходимых физико-механических свойств. Для этого используются волокнистые материалы, слоистые материалы, порошкообразные наполнители.

Порошкообразные материалы: тальк, кварцевый песок, асбестовая крошка, но в основном используются мука хвойных пород деревьев. Маркировка: К18-2,К15-2.

В качестве волокнистых наполнителей используются стекловолокна, асбестовые волокна (тогда эти пластмассы называются асбоволокнит, стекловолокнит).

В основном для изготовления изделий из пластмассы используют волокнистые наполнители: бумага (гетинакс, применяется для изготовления оснований печатных плат для неответственных узлов), хлопчатобумажная ткань, шелковые ткани (текстолит – конструкционный материал), стеклоткань (стеклотекстолит – основной материал для изготовления печатных плат).

Гетинакс: d = 1.3 – 1.45 г/см³, рабочая температура Т_раб = 150^оС, σ = 8 – 10 кгс/мм², E_пр = 11 – 20 кВ/мм. Это материал является одним из лучших диэлектриков.

Стеклотекстолит: σ = 1,6 – 1,9 г/см², Т_раб = 200 – 300^оС, Е_пр = 11 – 20 кВ/мм, прочность: 25-60 кгс/мм². Этот материал хорошо работает на сверх высоких частотах.

При формировании детали из термореактивных пластмасс, пластмассы не обладают свойством обратимости, т.е. их нельзя повторно перерабатывать.

В состав пластмасс входят пластификаторы и отвердители. Это технические добавки. Пластификаторы добавляются в рабочие полости пресс-форм для лучшей растекаемости. Отвердители добавляются с целью увеличения скорости полимеризации, т.е. скорости отвердевания детали. Красители добавляются для придания хорошего внешнего вида. В качестве связующих веществ используются фенол-формальдегидные смолы.

Термопластичные массы по своему составу аналогичны термореактивным пластмассам, но в них нет наполнителей.

Термопласты:

Органическое стекло – прозрачный материал.

Винипласт – чисто конструкционный материал, обладает высокой коррозионной стойкостью, широко используется в химической промышленности для изготовления резервуаров.

Полиамиды – капрон и нейлон, применяется для изоляции, Е_пр = 22-25 кВ/мм, Т_раб = -20 – 100^оС.

Полиэтилен – Е_пр = 45 – 60 кВ/мм, у него самое высокое напряжение пробоя, поэтому он используется как изоляционный материал.

Полистирол – это конструкционный материал, применяется для изготовления корпусов РЭС, имеет достаточную прочность.

Фторопласт-4 (тефлон) – имеет очень низкий коэффициент трения, Т_раб = -260 – 250^оС.

Полиуретан – используется как изоляционный материал, обладает высокой износостойкостью.

Термопласты обладают свойством обратимости, все эти пластмассы можно повторно перерабатывать. К ним относят каучуки и резины. Применяются для проводов и кабелей. Для этих целей используются натуральные и синтетические каучуки: НК, СКБ, СКС.

ε = 2,5, ρ = 10^{14 – 15} Ом∙см, Е_пр = 20 – 45 кВ/мм, НС = +55^о, МС = -45 – 75^о.

Для изоляции кабелей используются кремние-органические эластомеры, которые отличаются лучшей морозостойкостью, нагревостойкостью. Они обладают лучшими диэлектрическими свойствами и эластичностью. Такие эластомеры находят широкое применение для заливки различных электрических блоков.

АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

 

Керамика.

В основном для изготовления современных электрических устройств используется керамика.

Ее применение в промышленности объясняется рядом свойств:

1) широкое распространение в природе;

2) большой диапазон физических и механических свойств;

3) простота изготовления изделий из керамики.

 

Достоинства керамики:

1) Керамика имеет высокую нагревостойкость и неизменность свойств при изменении температуры, влажности, давления.

2) Керамика не имеет свойства старения и остаточного напряжения после изготовления.

3) Имеет малый коэффициент линейного расширения.

4) Обладает низкими динамическими потерями, особенно на высоких частотах.

5) Большая стабильность к излучению высоких электроэнергий.

6) Керамика не поддаётся плесени и насекомым.

7) Керамика позволяет вжигать в себя контакты или иные детали для получения схемных элементов.

Недостатки:

1) Высокая хрупкость.

2) Высокая удельная плотность ().

 

По своей структуре керамика состоит из двух фаз:

а) Кристаллическая структура;

б) Аморфная структура.

В качестве кристаллов используются: кремний, тальк, мрамор, окислы циркония, бария.

В качестве аморфной структуры используются глинозёмы.

 

Керамика классифицируется на:

- конденсаторную (изготовление конденсаторов);

- установочную (изготовление различных корпусов реостатов, регуляторов напряжения и т.д.).

- пористую (является температуростойкой и применяется для изготовления мощных генераторных ламп).

 

Конденсаторная керамика.

Основной её характеристикой является диэлектрическая проницаемость , чем она больше, тем больше ёмкость конденсатора. Ещё одной из важнейших характеристик конденсаторной керамики является напряжение пробоя (до ).

 

Вся конденсаторная керамика (как высокочастотная, так и низкочастотная) делится на классы и группы.

 

ВЧ керамика

класс	группа	ε	применение
I	А/Б	230/130	изготовление высокочастотных конденсаторов с нестабильной емкостью
II	А, Б, В, Г, Д	65 – 30	изготовление термокомпрессионных конденсаторов, емкость которых зависит от температуры
III	А, Б, В, Г, Д	12 – 30	изготовление высокочастотных конденсаторов со стабильными емкостными харатеристиками

 

НЧ керамика

класс	группа	ε	β, %	применение
IV	а		± 10	для однополярных видео-импульсных конденсаторов
V	а		± 10

Стекла.

В основном используется кварцевое стекло:

; ; ; .

 

Ситаллы – частично кристаллизованные стёкла. Часто используются вместо стекол в качестве подложек, так же применяются для изготовления плёночных микросхем.

 

Ситаллы подразделяются на следующие группы:

1. термоситаллы;

2. фотоситаллы (для изготовления подложек, на которых наносятся фоточувствительные элементы, предназначены для отображения изображения на подложке).

Сегнето- и пьезоэлектрические материалы

Это современные материалы. Они представляют собой монокристаллы или поликристаллические материалы, в которых спонтанная кристаллизация при температуре ниже точки Кюри может изменятся. Такое изменение приводит к возникновению пьезоэффекта.

Различают следующие виды пьезоэффекта:

1. Прямой пьезоэффект. Проявляется в том, что при подачи напряжения на пьезоэлектрик происходит изменение геометрических размеров кристалла. Применяется как приемник звука и ультразвука, в микрофонах, датчиков информации, генераторах электрической энергии.

2. Обратный пьезоэффект. Если на кристаллик подать знакопеременную нагрузку, то возникает переменное напряжение. Применяется для излучателей звука, ультразвука, пьезоэлектрических двигателей.

3. Электрострикции. Если пьезоэлектрик поместить в в переменное электростатическое поле, то будут изменяться геометрические размеры кристаллика. Применяется для гистерезисных микропозиционеров.

У некоторых пьезоэлектриков при температурах ниже точки Кюри меняется диэлектрическая проницаемость от 1000 до 10000.

Одним из первых сегнетоэлектриков является элемент BaTiO3.: ε = 1300, Е = 17кВ/см.

В настоящее время выпускаются конденсаторные сегнетоэлектрики, сегнетоэлектрики для нелинейных электрических цепей, терморезистивные сегнетоэлектрики, пьезокерамические сегнетоэлектрики.

Недостаток BaTiO₃ – малая величина ε. Поэтому Ва заменяется Ti, Sn, Zr: Pb(Ti, Sn, Zr)TiO₃

 

Материал	Т, оС	εо	εmax	Е, кВ/см
ВК-2	75 ± 10			1,2 – 1,5
ВК-5	75 ± 10			0,8 – 1
ВК-6	200 ± 20			5 – 6
BaTiO3				6 – 8

 

Недостаток

Кроме загрязнения окружающей среды, пластмассы имеют довольно низкую рабочую температуру (до 300 ).

 

Классификация пластмасс:

1. Термореактопласты.

2. Термопластические массы.

 

Термореактопласты

В их состав входят такие компоненты как:

- наполнители;

- пластификаторы;

- отвердители;

- красители;

- связующие вещества.

 

Наполнители предназначены для придания пластмассам необходимых физико-механических свойств. Используют порошкообразные (тальк, кварцевый песок, асбестовая крошка, мука хвойных пород деревьев), волокнистые и слоистые добавки.

Волокнистые наполнители:

- стекловолокна (такую пластмассу называют стекловолокнит);

- асбестовое волокно (такую пластмассу называют асбоволокнит).

 

В основном используются слоистые наполнители:

- бумага (с помощью этого наполнителя получают гетинакс – применяется для изготовления печатных плат не ответственных узлов);

- хлопчатобумажная ткань, шёлковая ткань и др. (используют для изготовления текстолита);

- стеклоткань (применяется для изготовления стеклотекстолита – основной материал используемый для изготовления печатных плат).

Сравним свойства гетинакса и стеклотекстолита:

 

 

Гетинакс	1,3-1,4		8-10	15-30
Стеклотекстолит	1,6-1,9	200-300	25-60	11-20

 

Стеклотекстолит хорошо работает на сверхвысоких температурах.

При формировании деталей из термореактивных пластмасс надо учитывать то, что они не обладают свойством обратимости, т.е. их нельзя повторно перерабатывать.

 

Отвердители и пластификаторы – добавляют в состав в процессе прессовки. Пластификаторы добавляют в состав для того, чтобы материал лучше растекался по пресс-форме, а отвердители нужны для ускорения процессов полимеризации.

Красители добавляются для придания заготовке хорошего эстетического вида.

Связующие компоненты нужны для связи всех составляющих материала между собой. В качестве связующего элемента используется фенолформальдегидная смола.

 

Термопластические массы по составу аналогичны термореактопластам, но в них отсутствуют наполнители.

Виды термопластических масс:

- винипласт (чисто конструкционный материал, обладающий высокой коррозионной стойкостью);

- полиамиды (, )

а) капрон;

б) нейлон;

- полиэтилен ();

- полистирол (конструкционный материал, применяется для изготовления корпусов РЭС (ЭВС));

- фторопласт-4 (тефлон) (; )

[Тефлон имеет очень низкий коэффициент трения]

- полиуретаны (используются как изоляционный материал, имеют хорошую износостойкость).

Термопластические массы обладают свойством обратимости.

Каучуки и резины

В основном используются НК – натуральные каучуки и СКБ (СКС) – синтетические каучуки.

; ; ; НС= +55, ;

МС=

В последнее время для изоляции основных (главных) кабелей применяют кремнеорганические эластомеры: имеют более высокую рабочую температуру (до 300 ). Так же они применяются для заливки электронных блоков.