birmaga.ru
добавить свой файл

1
Федеральное агентство по образованию


Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Псковский индустриальный техникум

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
«Материалы с особыми физическими свойствами»

Дисциплины: «Материаловедение»


Для специальностей: 151001.51 Технология машиностроения
150411.51 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям)
220301.51 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)




2009
Содержание:

Общие положения

Контрольные вопросы

  • Варианты заданий



  • Цель работы

  • Изучить особенности маркировки сталей и сплавов с особыми физическими свойствами;

  • уметь выбирать материалы в соответствии с требуемыми свойствами материала, в зависимости от назначения и применения детали (изделия).


1.Общие положения работы
1.1. Сплавы с заданными значениями коэффициента теплового расширения. Сплавы этой группы в основном применяются в приборостроении. Часто для получения необходимой точности работы прибора требуются материалы, которые имели бы определённые и неизменяющиеся коэффициенты теплового расширения, модуля упругости и т.п. . Основную группу сплавов, используемую для этих целей, составляют сплавы системы Fe-Ni , которые имеют принципиальные изменения свойств.

В зависимости от состава сплава коэффициент его теплового расширения может изменяться почти в 20 раз. Наибольшее применение имеет сплав Н36 (36% Ni) – инвар; практически не расширяющийся (коэффициент теплового расширения а=1,5х10-6 мм/(мм х оС)) в интервале температур от -30….+100 оС.

Сплав Н48 с 48% Ni имеет а=9х10-6 мм/(мм х оС), то есть одинаковый со стеклом и с платиной. Поэтому сплав Н48 используется для пайки со стеклом и называется платинитом.


Сплав элинвар с малым температурным коэффициентом упругости при изменении температуры до 120…200 0С имеет состав 36% Ni, 8%Cr, Fe – остальное. Из элинвара изготовляют мембраны, сильфоны, анероидные коробки, волосовые пружины часов, …и другие высокоточные упругие элементы приборов и механизмов.
1.2. Сплавы с высоким электросопротивлением. Одна группа этих материалов используется для изготовления электронагревательных элементов, другая - для реостатов.

Сплавами с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов являются малоуглеродистые стали ферритного класса, легированные хромом и алюминием; фехрали, хромали и стали на основе никеля и хрома – нихромы. Их рабочая температура находится в пределах 900..1250 0С (Х13Ю4-фехраль, Х20Н80-нихром, Х15Н60 – нихром).

Молибденовые нагреватели имеют рабочую температуру до 1450 0С.Однако из-за высокой химической активности молибдена они могут работать только в вакууме или в среде водорода.

В качестве реостатных сплавов в основном работают сплавы системы Cu-Ni-Mn, а также сплавы МНМц40-1,5 (константан) и МНМц43-0,5 (копель).

Магнитные стали и сплавы. Здесь будут рассмотрены ферромагнитные материалы, которые характеризуются способностью очень сильно намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. К числу важнейших ферромагнитных материалов относятся железо, никель, кобальт и их сплавы.

В магнитном поле домены (области спонтанного намагничивания) ферромагнитного материала ориентируются вдоль направления внешнего силового поля в тем большей степени, чем больше напряжённость намагничивающего поля Н.

После удаления внешнего поля в ферромагнитном материале сохраняется остаточная индукция Br.

Для устранения остаточной индукции нужно приложить к ферромагнитному материалу магнитное поле обратного знака, равное величине Нс. Значение напряжённости размагничивающего поля Нс., называется коэрцитивной силой. Произведение Нс х Br характеризует энергию перемагничивания, и эту величину называют магнитной энергией ферромагнитного материала.


По назначению магнитные материалы подразделяются на 1)магнитомягкие, 2) магнитотвёрдые, 3)немагнитные стали и сплавы.
Магнитомягкие материалы. Эти материалы используют для изготовления магнитопроводов (сердечники трансформаторов, электрических машин, реле, электромагнитов).

Главные требования к электромагнитным материалам - это малое значение коэрцитивной силы Нс, высокая или повышенная магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании.

Характерным для этих материалов является узкая петля гистерезиса.

Магнитомягкими материалами являются технически чистое железо (железо армко), электротехническая сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои), альсиферы, ферриты и оксиферы, магнитодиэлектрики.

Технически чистое железо должно иметь меньше 0,05 % С и минимальное количество других примесей, которые уменьшают значение µ и повышают значение Нс. Таким же образом влияет наклёп, поэтому железо используется в отожжённом состоянии. Магнитные свойства технического железа: Нс= 1,2 Э (эрстед) (1Э =79,5 А/м ), µ = 3500….4500 Гн/Э (Ге́нри (обозначение: Гн) — единица измерения индуктивности в системе СИ. Цепь имеет индуктивность один генри, если изменение тока со скоростью один ампер в секунду создаёт электродвижущую силу, равную одному вольту), удельное электросопротивление ρ= 0,1 Ом Х мм2/м.

Техническое железо используют главным образом для магнитопроводов постоянного тока (реле, электромагниты, полюсы электрических машин и т.д.). Недостатком этих материалов является высокая электропроводность, благодаря чему при перемагничивании в сердечниках имеют место значительные потери мощности из-за возникновения вихревых токов Фуко.

Электротехническая сталь имеет в своём составе мало углерода ( до 0,05%) и значительное количество кремния (1…5%). Благодаря этому повышается электросопротивление до 0,3…0,6 Ом Х мм2/м и уменьшаются потери мощности за счёт уменьшения вихревых токов.


Коэрцитивная сила Нс электротехнической стали находится в пределах 0,5…1 Э, магнитная проницаемость составляет 12000…20000 Гн/Э.

Выпускают много марок магнитомягких материалов: 1212, 1311 и др…Принцип маркировки следующий: первая цифра показывает класс по структурному состоянию металла и виду проката; вторая – содержание кремния; третья -- группу по основной нормируемой характеристике стали. Вместе первые три цифры обозначают тип стали; четвёртая -- порядковый номер типа стали.

По характеру производства магнитомягкие стали подразделяются на горячекатаную, холоднокатаную с разной степенью развития текстуры. Степень текстурированности влияет на магнитные характеристики, которые увеличиваются с развитием текстуры.

Наличие кремния в составе стали резко ухудшает пластичность стали тем более, чем больше его в составе стали.

Стали с содержанием кремния до 2 % имеют повышенную пластичность. Их используют для изготовления пакетов роторов и статоров электрических машин. Такая сталь называется динамной.

Стали с содержанием кремния более 2 % более хрупки, из них изготовляют листы для сердечников трансформаторов. Такой сплав называется трансформаторным железом.
Железоникелевые сплавы (пермаллой) (45…78 % Ni; остальное –Fe) имеют магнитную проницаемость µ до 105 Гн/Э. Поэтому такие сплавы очень широко используются в качестве магнитопроводов в слаботочной промышленности (радио, телефон, телеграф).
Альсиферы ( 5,4 % Al, 9,6 % Si, 85 % Fe) относятся к литейным сплавам (µ ≤ 117 000 Гн/Э). Преимущество альсиферов перед пермаллоями -- меньшая дефицитность, так как в их составе нет никеля.

Ферриты и оксиферы -- металлокерамические материалы. Их изготовляют прессованием с последующим спеканием ферромагнитного оксида железа с оксидами двухвалентных металлов типа ZnO, NiO, MgO…..Отличительной особенностью ферритов является их очень высокое электросопротивление. Применяются они в высокочастотной технике (сердечники радиотрансформаторы, контурные катушки).

Магнитодиэлектрики изготавливают методом порошковой металлургии из порошков карбонильного железа, альсифера или магнетита с изолирующим материалом. Получаемые материалы отличаются постоянством магнитной проницаемости. Применяются они в аппаратуре связи и в радиоаппаратуре.
Магнитотвёрдые сплавы. Из этих материалов изготовляют постоянные магниты. Основные требования, которым должны удовлетворять магнитотвёрдые материалы, - высокая коэрцитивная сила и большое значение остаточной индукции. Коэрцитивная сила повышается с увеличением внутренних напряжений и дисперсности структуры металла.

В качестве материалов для маломощных магнитов используются высокоуглеродистые и высокоуглеродистые хромистые стали(назначение хрома – увеличение прокаливаемости стали).
В таблице №1 приведены марки, термообработка и магнитные свойства магнитных сталей для постоянных магнитов.

Таблица №1

Марка стали

Термическая обработка

Магнитные свойства

Нормализация с температуры, 0 С

Закалка с температуры, 0 С

Обработка холодом, 0 С

Отпуск, 0 С

Br, Тл

Hc, А/м

ЕХ

1000

830…850

-70

100

9000

58

ЕХ3

1050


840…860

-70

100

9500

60

Е7В6

1200…1250

820…860

-70

100

10000

62

ЕХ5К5

1150…1200

930…950

-70

100

8500

100

ЕК9К15М

1200…1230

1030…1050

-70

100

8000

170



Другую группу магнитотвёрдых сплавов составляют литейные сплавы типа ални АН, алнико АНК, магнико МНК.Коэрцитивная сила в этих сплавах в диспесионно-состаренном состоянии значительно выше, чем у магнитных сталей. Поэтому магниты из такиз сплавов имеют более высокую магнитную энергию и их используют для изготовления малогабаритных мощных магнитов.

Немагнитные стали и чугуны. В электомашиностроениии и в ряде других случаев иногда требуются немагнитные материалы. Цветные металлы не всегда могут удовлетворять предъявленным дополнительным требованиям (низкая электропроводность, высокие механические свойства). Поэтому применение находят стали и чугуны с аустенитной структурой, так как аустенит немагнитен. Однако стали типа хромоникелевых (Х11Н9) и марганцовистые (Г13) для этой цели обычно не используются из-за плохой обрабатываемости их режущим инструментом и в ряде случаев недостаточной прочности. Немагнитными являются стали Н12ХГ, 45Г13Ю3 и чугуны типа А и В.


Контрольные вопросы.


  1. Из какого материала изготавливают роторы двигателей переменного тока? Поясните выбор.




  1. В качестве материала постоянных магнитов используются высокоуглеродистые стали У12..У10. В каком состоянии обработки эти материалы имеют наибольшее значение магнитной энергии? Обоснуйте выбор.




  1. Для чего проводится обработка холодом магнитных сталей?

-для повышения твёрдости;

-для устранения остаточного аустенита. Обоснуйте выбор.


  1. Какую сталь из Ст3, 0Х13 или 12Х18Н10Т рационально использовать для изготовления резервуаров в пищевой промышленности? Обоснуйте выбор.