Электроугольные изделия и припои

Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики

Хабаровский филиал

Реферат

по химии

Òåìà:" Ýëåêòðîóãîëüíûå èçäåëèÿ. Ïðèïîè."

Выполнил ст
.
гр
.
ХС-81 Букреев И
.
А
.

Проверил преподаватель: Филимонова И.П

Хабаровск 1999 г.

Электроугольные изделия

Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода (электро­технические угольные изделия, сокращенно электроугольные изделия).

К электроугольным изделиям, применяемым в электро­технике и технике связи, относятся: электрические щётки для коллекторов электромашин, электроугли, применяемые в лампах и электропечах, электроды - в гальванических элементах, угольные мембраны, угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивле­ния, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные рези­сторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электро­вакуумной технике.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно исполь­зовать сажу, графит

или антрацит

.
Для получения стержневых электродов из­мельченная масса со связующим, в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия бо­лее сложной формы изготовляют в соответствующих пресс-формах. Угольные за­готовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искус­ственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

Электрощётки.

Обжиг обычных щеток для электрических машин ведут при температуре около 800 °С; графи тированные щетки нагревают при обжиге до 2200 °С.

Щетки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т. е. для подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам и, кроме того, осуществляют коммутацию переменной э.д.с., индуктированной в об­мотке якоря. При работе на кольцах щетки осуществляют только подвод и отвод тока без коммутации.

Щётки должны иметь малое сопротивление, малый износ и хорошо пришлифовываться к поверхности коллектора. Их выпускают различных размеров (прилегающая к коллектору контактная поверхность щетки — от 4 Х 4 до 35 Х 35 мм, высота щетки — от 12 до 70 мм). Имеется несколько марок щеток, отличающихся друг от друга составом и техно­логическим процессом изготовления.

Щётки общего назначения подразделяют на четыре группы:

1. Угольно-графитные

марок Т2; УГ2.

2. Графитные

- Г1, ГЗ, 40.

3. Электрографитированные

- ЭГ2а, ЭГ4, ЭГ8, ЭГ-14, ЭГ-15, ЭГ-83; ЭГ5; ЭГ9.

4. Металлографитные

- М1, МЗ, Мб, М20, МГ, МГО, МГ2, МГ4, МГС, МГСО, СМ, МГС5, МГ6.

Весьма большое значение имеет величина удельного переходного контактного сопротивления щетки, приходя­щаяся на единицу поверхности сопротивления щетки с коллектором, P = R S, ом
см2
.

На величину Pk
оказывают влияние следующие факторы:

1. Материал коллектора или кольца.

2. Плотность тока в контактной поверхности.

3. Род тока и направление его при постоянном токе.

4. Температура контактной поверхности.

5. Давление на щетку.

6. Линейная скорость движения коллектора или кольца.

Щётки с содержанием порошкового металла обладают особенно малым электри­ческим сопротивлением и дают незначительное контактное падение напряжения (между щеткой и коллектором).

Величина удельного сопротивления щеток, ом мм2

/

м

Угольно-графитовые ……….21-54

Графитные .......……………..12-37

Электрографитированные …10-50

Металлографитные……...….0,20-9

Таким образом, наименьшим переходным контактным сопротивлением обладают медно - или бронзо-графитные щетки.

В зависимости от свойств щеток определяют и область их применения.

Щетки применяют на коллекторах электромашин по­стоянного и переменного тока, в тяговых электродвигателях с добавочными полюсами, в крановых двигателях, дви­гателях для подъемников, прокатных станов, компрессоров в шахтных и рудничных моторах, на одноякорных преобра­зователях, а также на многих других генераторах и дви­гателях постоянного и переменного тока асинхронных и синхронных.

Угольные электроды термического назначения

служат:

1)в качестве нагревательных элементов электрических печей, где они выполняют роль резисторов;

2)в качестве проводника электроэнергии к нагрева­тельному элементу, состоящему из угольной крупки в печах сопротивлений.

Электроды применяют в производстве ферросплавов, электростали, карбида кальция, абразивных материалов для шлифования, электролизе алюминия, электросварке.

Угольные электроды, работа которых будет протекать при высоких температурах, обжигаются также при очень высокой температуре, вплоть до 3000 °С. Угольные электроды, как и другие угольные изделия, имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.

Удельное сопротивление, ом мм2

/

м

Электродов…………50/70

Угольных трубок…..50/80

Сварочных углей…..60/80

Осветительные угли

.
Для освещения в качестве элект­родов вольтовой дуги употребляют специальные сорта углей. Различают угли для постоянного и переменного токов. Положительный электрод для постоянного тока обычно применяют с фитилем, диаметр его больше диаметра от­рицательного угля в 1,5-2 раза потому, что накаливается он сильнее. В случае одинаковых диаметров он сгорел бы скорее.

Осветительные угли подразделяются на: прожекторные, кинопроекционные, для постоянного тока, переменного тока, киносъемочные и различных марок. Угли изготов­ляются в виде стержней диаметром от 5 до 30 мм,
длиной от 120 до 450 мм.

Угли для гальванических элементов.

Эти угли применяют в качестве положительного полюса гальванических эле­ментов в виде пластин в цилиндре различных размеров.

Удельное электрическое сопротивление элементарных углей находится в пределах от 50 до 60ом мм2
/м. Твердость по Шору не ниже 40.

Аноды для ртутных выпрямителей.

Угольные аноды имеют форму стержней диаметром от 10 до 25 мм.
Они ха­рактерны малой зольностью (до 0,1%). Для уменьшения зольности аноды подвергают электрографитации, т. е. второму обжигу в электрических печах сопротивлений при температуре 2200-2500° С.

Угольные регулировочные резисторы.

Переходное со­противление двух соприкасающихся угольных поверхно­стей в большой мере зависит от степени нажатия. В электро­технике это свойство используют для плавной и тонкой регулировки тока. Угольные регулировочные резисторы составляют из угольных пластин или спиралей, сжимаемых изменяющимся давлением. Так, например, резисторы, состоящие из 25 угольных колец толщиной 0,5 мм
при на­ружном диаметре колец 50 мм
и внутреннем 43 мм,
дают сопротивление в зависимости от давления (см. табл.).

Зависимость сопротивления регулировочного угольного резистора от давления

Давление, кГ Сопротивление, ом

0,1 23,3

0,2 14,3

0,5 7,7

1,0 4,0

5,0 0,96

10 0,54

15 0,39

20 0,33

Микрофонные порошки

.
Свойство угольного порошка изменять своё сопротивление в зависимости от давления (удельное сопротивление по­рошка зависит от крупности зерен, режима обжига по­рошка и плотности засыпки) обусловливается переходным сопротивлением зёрен порошка и используется в микрофонах, где под воздействием зву­ковых колебаний изменяется давление на порошок. Поро­шок в свою очередь изменяет свое сопротивление, что соз­дает колебания тока в электрической цепи. Микрофонный порошок изготовляют трех марок:

1) МБ - для телефонных систем с местными батареями;

2) ЦБ - для телефонных систем с центральными бата­реями;

3) Л - для ларингофонов.

Сырьем для порошков служит антрацит, который дро­бится на куски от 5 мм
и мельче, просеивается через сито в 80 меш,
обжигается в печах при температуре 900-1000°С (марка ЦБ) и при 1480°С (марка МБ) и затем еще раз про­сеивается через сито в 45 меш.
Удельное сопротивление этих порошков 40-700 ом см.

Мембраны для микрофонов

производят из смеси: пекового кокса (75%) и каменноугольной смолы (25%). Камен­ноугольный пек предварительно размалывают в шаровой мельнице, просеивают через сито 100 меш,
перетирают в течение 24 ч
на бегунах, просушивают в сушильных бара­банах, просеивают через сито 50 меш.
Затем смешивают со смолой, предварительно прогретой при t = 300/315°С. Смесь обрабатывают на вальцах, затем размалывают в ша­ровых мельницах, просеивают через сито 200 меш.
Из по­лученного порошка на гидравлических прессах под дав­лением 3 Т/см
2
прессуют мембраны в виде дисков и об­жигают при t = 1480° С.

Угольные контакты

,
изготовляют из смеси: отходы и брак угольных щеток, графит, пеки сода двууглекислая. Уголь­ные контакты выпускают марок Т, Г-1 и серебряно-графи­товые.

Угольная крупка изготовляется трех марок, отлича­ющихся друг от друга размером зерен:

Марка УК-1 имеет размер зерна 0,5/1,5; УК-2-1,4/3,0; УК-3-2,9/6,0.

Применяют в электрических печах в качестве нагре­вательного элемента. Производят из брака малозольных углей, которые дробят и просеивают через сита.

Коллоидно-графитовые, препараты,

изготовляют из чи­стого графита термически обработанного, высокой степени размельчения. Эти препараты наряду с применением в ка­честве смазок часто используют для уменьшения контактного сопротивления, для создания полупроводящих по­верхностей. Примером этому может служить водная паста высокодисперсного графита
(ак-вадаг), которая согласно ГОСТ 5613-50 выпускается че­тырех марок К-1, К-2, К-3, К-4, содержание частиц гра­фита которых находится в пределах, %:

а) более 63 мкм -
от 0,2 до 0,5;

в) менее 10 мкм -
от 55 до 65.

Содержание золы нормируется только для марок:

К-1 - не более 5%, К-2 - не более 8%.

Природный графит

представляет собой одну из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электри­ческих, так и механических свойств. Следует отметить, что чистый углерод в модификации алмаза представляет собой диэлектрик с весьма высоким удельным сопротивлением.

Сажи

представляют собой мелкодисперсный углерод. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и мо­гут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.

Пиролитический углерод

получают путем пиролиза (терми­ческого разложения без доступа кислорода) газообразных углеводородов (метан, бензин, гептан) в камере, где находятся керамические или стеклянные основания заготовок для резисторов.

Схема реакции пиролиза углеводородов общего состава Сm
Hn
:

Сm
Hn
-> тС
+ m/2 H2
.

Особенностью структуры пиролитического углерода является отсутствие стро­гой периодичности в расположении слоев (в отличие от графита) при сохранении их параллельности.

Бороуглеродистые пленки получаются пиролизом борорганических соединений, например В(С4
Н9
)3
или В(С3
Н7
)3
. Эти пленки обладают малым температурным коэф­фициентом удельного сопротивления.

Проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости. В некоторых слу­чаях [нагревательные элементы высокотемпературных электрических печей, элек­троды магнитогидродинамических (МГД-) генераторов] требуются проводниковые материалы, котор

ые могли бы достаточно надежно работать при температурах 1500 - 2000 К и даже выше. В МГД-генераторах условия работы проводниковых матери­алов еще усложняются из-за соприкосновения материала с плазмой и возможности электролиза при прохождении через материал постоянного тока.

Проблема получения проводниковых материалов, полностью удовлетворя­ющих всем этим требованиям, окончательно еще не решена; по-видимому, решение может быть найдено исключительно в применении специальных керамических мате­риалов. Среди высоконагревостойких проводящих материалов могут быть отмечены некоторые оксиды (прежде всего керамика диоксида циркония ZrO2
,
стабилизиро­ванная добавкой оксида иттрия Y2
O3
), керамика диоксида церия СеО2
, некоторые хро­миты. Некоторые свойства керамики ZrO2
- Y2
O3
(после обжига, при пористости 25 % по объему): средняя плотность 2,9 Мг/м3
,

Стабилизируя диоксид циркония ZrO2
добавлением оксида иттрия Y2
O3
(или оксидов некоторых других металлов), можно избежать структурных превращений чистого ZrO2
во время охлаждения после обжига, связанных с уменьшением объема и вызываемых этим повреждением обожженных изделий.

ПРИПОИ

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка осуществляется или с целью создания механически прочного (иногда гер­метичного) шва, или с целью получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой на­греваются. Так как припой имеет температуру плавления значительно меньшую, чем у соединяемых металлов, то он плавится, в то время как спаиваемые металлы остаются твердыми. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твер­дого металла происходят сложные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом припой диффундирует в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Припои принято делить на две группы: мягкие

и твердые

.
К мягким относятся припои с температурой плавления до 400°С, а к твердым - припои с температу­рой плавления свыше 500°С. Кроме температуры плавления, припои существенно различаются и по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении не выше 50 - 70 МПа, а твердые - до 500 МПа.

Тип припоя выбирают, сообразуясь с родом спаиваемых металлов или сплавов, требуемой механической прочностью, коррозионной стойкостью, стоимостью и - при пайке токоведущих частей - с удельной электрической проводимостью припоя.

Мягкими припоями в основном являются припои оловянно-свинцовые (марка ПОС) с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Удельная про­водимость этих припоев составляет 9 - 13% удельной проводимости стандартной меди, а температурный коэффициент линейного расширения al
- (26 - 27) 106
К-1
.

Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Еще более легкоплавки припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Они применяются там, где требуется пониженная температура пайки; механическая прочность их очень незначительна. Висмутовые припои обладают большой хрупкостью.

Припой	Марка и состав	Темпера­тура плавле­ния, °С	Удельное сопротив­ление, мкОм м	Удельная теплопро­водность , Вт /( м К)	Предел прочно­сти при растяже­нии, МПа	Относи­тельное удлине­ние при разрыве, %
Оловянно-	ПОС-61 (61%	183-190	0,14	50	43	46
свинцовый	Sn; 39% Pb)
То же	ПОС-40 (40%	183-238	0,16	42	38	52
	Sn; 60% Pb)
Оловянно-	ПОСК-50-18	142-145	0,13	54	40	40
свинцово-	(50% Sn; 18%
кадмиевый	Cd; 32% Pb)
Оловянно-	ПОССу-40-2	185-299	0.17	42	43	48
свинцово-	(40% Sn; 2%
сурьмянистый	Sb; 58% Pb)
Оловянно-	40-45% Sn;	200-250	—	—	—	—
кадмиево-цинковые	20% Cd; 25-20% Zn;
	(15% Al)
Сплав Вуда	12,5% Sn;	60,5	—	—	—	—
	26% Pb;
	11,5% Cd;
	50% Bi
Олово-сурь­	ПОСМ-0,5	184	—	—	—	—
мянисто-	(59-61% Sn;
медный	0,8% Sb; 0,5-
	0,7% Сu;
	~30% Pb)
Индий се­ребряный	ПСр-ЗИн (96,5-97,5% In; 2,5-3,5% Ag)	141	—	—	—	—

Наиболее распространенные твердые припои - медно-цинковые (ПМЦ) и се­ребряные (ПСр).

Припой	Марка и состав	Темпера­тура плавле­ния, °С	Плотность, Мг/м3
Медно-цинковый	ПМЦ-36 (36% Сu; 64% Zn) ПМЦ-54 (54% Cu; 46% Zn)	825-950 860-970	7,7 8,3
Серебряный	ПСр-15 (15% Ag; остальное Сu и Zn) ПСр-45 (45% Ag; остальное Сu и Zn)	635-810 600-725	8,3 9,1
—	ПМТ-45 (49-52% Сu; 1-3% Fе; 0,7-0,1% Si; 45-49,3% Ti)	955	6,02

Не относящиеся к собственно припоям особые виды металлических материалов применяются в электровакуумной технике для вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, так что использование здесь особо тугоплавких, но дорогих металлов (вольфрам, молибден, платина) не требуется. Для этих материалов особую важность имеет температурный коэффициент линей­ного расширения al
, который для получения вакуум-плотного ввода должен согласо­вываться с al
, стекла. Отметим ковар

(марка 29НК), применяемый для впая в твер­дые стекла; это сплав примерного состава: Ni 29%, Со 18 %, Fе остальное; его P равно 0,49 мкОм м, al
составляет (4-5) 10-6
К-1
.

Платинит представляет собой биметаллическую проволоку с сердечником из никелевой стали марки Н42 (с содержанием Ni 42 - 44% по массе) и наружным слоем из меди марки МО. Содержание меди в платините - от 25 до 30% общей массы проволоки. Название «платинит» объясняется тем, что al
платинитов ой проволоки близок к al
платины.

Припои применяют в следующих случаях
:

Мягкие припои

ПОС-61

-
для лужения и пайки тонких проводов и спиральных пружин в измерительных приборах, монтажных соединений обмоточных проводов (0,05-0,08 мм), конденсаторов, герметичных швов стеклянных проходных изоляров, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, т. е. там, где недопустим перегрев;

ПОС-40

-
для пайки токопроводящих деталей, проводов, наконечников, для соединения проводов с лепестками, при производстве полупроводниковых приборов;

ПОСК-50-18

-
для пайки деталей, чувствительных к перегреву, металлизированной керамики, для пайки конденсаторов, для герметизации, для лужения пассивной части интегральных схем с покрытием медью, серебром;

ПОССу-40-2

(широкого назначения) - для пайки наружных деталей и сборочных единиц электровакуумных приборов;

ПОКЦ

-
для пайки алюминия и его сплавов;

Сплав Вуда

-
для особо низкой температуры пайки;

ПОСМ-0,5

- для лужения пассивной части микросхем с тонкими медными покрытиями (0,5-0,6 мкм);

ПСр-ЗИн

-
для пайки золота и серебра, а также металлизированных материалов при производстве микросхем.

Твердые
npunou

ПМЦ-36, ПМЦ-54

- для пайки меди, медных сплавов;

ПСр-15, ПСр-45

-
для пайки наружных деталей и сборочных единиц электровакуумных приборов из меди, медных сплавов и стали;

ПМТ-45

-
для пайки титана и его сплавов.

Вспомогательные материалы для получения надёжной пайки называют флюсами

.
Они должны:

1) растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов;

2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный припой от окисления;

3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;

4) улучшать растекаемость припоя и смачиваем ость им соединяемых поверхностей.