Materiałoznawstwo elektryczne. Laboratorium

Wykonali:

Marek OBERDA

Tomasz POKRZYWA

Adam WITEK

Ćw.1. Temat: Materiały przewodowe - miedź, aluminium i ich stopy.

Materiały przewodowe w zależności od ich przeznaczenia powinny spełniać określone wymagania. Do najczęściej im stawianych należą: wysoka przewodność, wytrzymałość na rozciąganie, giętkość, wysoka przewodność cieplna i wysoka dopuszczalna temperatura pracy, wysoka temperatura topnienia, dobra lutowalność lub spawalność, mała aktywność chemiczna, odporność na korozję oraz w miarę niski koszt.

Większość z postawionych wymagań spełnia jedynie miedź i aluminium. Inne z metali charakteryzują się słabszymi parametrami lub są bardzo drogie tak jak np. srebro, złoto, platyna.

Miedź (Cu) odznacza się przede wszystkim dużą przewodnością i dużą plastycznością. Czysta elektrolitycznie miedź o zawartości 99,9% ma przewodność rzędu 59,77 MS/m. W praktyce ten parametr ma wielkość 56÷58 MS/m.

Duży wpływ na przewodność miedzi mają zanieczyszczenia. Gęstość miedzi wynosi 8,9 g/cm³. Chociaż wszelkie domieszki innych pierwiastków zmniejszają przewodność miedzi, częstokroć stosuje się stopy z innymi metalami. Rozróżnia się dwa rodzaje stopów miedzi:

1. mosiądze: są to stopy miedzi, gdzie główną domieszką stopową jest cynk,

2. brązy: są to stopy o zawartości co najmniej 60% Cu, w których zawartość cynku jest mniejsza od zawartości innych dodatków stopowych.

Drugim materiałem przewodowym jest glin. Jego przewodność wynosi 38,2 MS/m, gęstość glinu wynosi 2,7g/cm³. Również i w tym przypadku domieszki znacznie pogarszają przewodność ale poprawie ulegają inne właściwości. Aluminium stosowane jest jako materiał przewodowy we wszystkich tych przypadkach, w których zastosowanie droższej miedzi nie jest konieczne. Zastosowanie aluminium pozwala więc na zmniejszenie kosztów konstrukcji nośnych i słupów.

Obok zastosowań aluminium na żyły przewodów i kabli, jest ono używane do odlewów zwartych uzwojeń klatkowych wirników małych silników asynchronicznych.

W ćwiczeniu tym zostaną przedstawione przykładowe zastosowania tych metali i ich stopów.

Przebieg ćwiczenia.

Miedź i stopy miedzi:

1. Tuleja mosiężna z komory wyłącznika wysokonapięciowego małoolejowego.

Najprawdopodobniej cecha M63 CuZn37 wg normy PN -92/H-87025.

Składniki stopowe Cu - 62,0÷65%; Zn - reszta

Dopuszczalne wartości zanieczyszczeń: Fe - 0,2%; Pb - 0,3%; Sn - 0,1%;

Al - 0,03%; Ni - 0,3%; pozostałe - 0,1%.

Wykonana techniką głębokiego tłoczenia.

2) Zacisk bezpiecznika wydmuchowego.

Prawdopodobnie cecha MA62 CuZn26Al6Mn3Fe2Ni1,5 - mosiądz aluminiowo-manganowo-żelazowo-niklowy wg normy PN-91/H-87026.

Składniki stopowe: Cu - 61÷63,5%; Al - 5÷6,5%; Mn - 2,5÷3,5%; Fe - 1÷2,5%;

Ni - 1÷2%; Zn - reszta.

Dopuszczalne wartości zanieczyszczeń: Sn - 0,2%; Pb - 0,5%; Sb - 0,01%;

As - 0,02%; Si - 0,03%; P - 0,04%; Bi - 0,001%.

Sposób wykonania: odlew.

3. Próbka ucięta z wałka - cecha Ba-1044.

Jest wykonana z brązu aluminiowo-żelazowo-niklowego CuAl10Fe4Ni4.

Składniki stopowe: Al - 9÷11,2%; Fe - 3,6÷5,7%; Ni - 3,5÷5,5%; reszta - Cu; inne: Sn - 0,2%; Zn - 0,2%; Pb - 0,1%.

Wykonany został poprzez odlew w formach metalowych; ta cecha jest oznaczona symbolem lk, który oznacza właśnie taki sposób odlewu.

4. Płytki wykonane z cienkiej blachy służące do identyfikacji materiału

zastosowanego w wyrobie:

Blacha miedziana - cecha MO58 - metoda wykonania Z4.

Jest to stop CuZn40Pb2.

Składniki stopowe: Cu - 56÷60%; Pb - 1÷3,5%; reszta - Zn.

Dopuszczalne wartości zanieczyszczeń: Fe - 0,3%; Sn - 0,5%; Al - 0,1%;

Ni - 0,5%; reszta - 0,2%.

Blacha miedziana - cecha MO59 - metoda wykonania Z4.

Jest to stop CuZn39Pb2.

Składniki stopowe: Cu - 58,5÷60%; Pb - 1,5÷2,5%; reszta - Zn.

Dopuszczalne wartości zanieczyszczeń: Fe - 0,4%; Sn - 0,2%; Al. -0,1%;

Ni - 0,3%; pozostałe - 0,2%.

Z4 - jest to zgniot; stan półtwardy uzyskiwany przez zgniot dla uzyskania żądanych własności mechanicznych bez obróbki cieplnej, przerabiany plastycznie na zimno.

Aluminium i stopy aluminium.

1. Wirnik silnika zwartego - cecha A1-LC.

Składniki stopowe: Al - 99,5%; Fe - 0,4%; Si- 0,3%; Cu - 0,05%; inne: Mg, Mn, Cr, V, Pb, Ni - maksymalnie 0,03%.

Symbol LC oznacza sposób wykonania - odlew pod ciśnieniem.

2) Korpus licznika - Cecha AK11 AlSi11

Składniki stopowe: Si - 10÷13%; reszta - Al.

Suma zanieczyszczeń: 2,3%.

Ze względu na kształt detalu i wnioski wyciągnięte z obserwacji można stwierdzić, iż jest to odlew w formy piaskowe (lp) lub metalowe (lk).

Porównanie z niemieckim odpowiednikiem stop 23LSGDAlSil2

AlSi11 231 S GD AlSil2

Si 10÷13% 11÷13%

Fe 1,0% 0,8%

Zn 0,3% 0,5%

Mn 0,5% 0,5%

Cu 0,8% 0,4÷0,8%

Mg 0,3% 0,3÷0,5%

Ni 0,5% 0,2%

Ti 0,2% 0,15%

Pb 0,0% 0,1%

Al reszta reszta

2. Przewód stalowo aluminiowy AFL-6

Liczba drutów stalowych - 1 - średnica ∅=3,2mm

Liczba drutów aluminiowych - 6 - średnica ∅=3,2mm.

Jest to linka siedmiodrutowa, przekrój znamionowy części aluminiowej

50mm². Zastosowano tutaj aluminium twarde.

Wnioski:

Tuleja mosiężna z komory wyłącznika wysokonapięciowego została wykonana prawdopodobnie ze stopu M63 przez głębokie tłoczenie.

Polska norma mówi o M63, że jest bardzo podatny do obróbki plastycznej na zimno oraz dobrze lutowalny.

Główne zastosowanie to taśmy do produkcji chłodnic, elementy wykonywane różnymi metodami obróbki plastycznej w tym przez głębokie tłoczenie.

Zacisk bezpiecznika wydmuchowego został wykonany ze stopu MA62. Stop ten najbardziej nadaje się do wykonania tego typu detalu. Kształt jest zbyt skomplikowany aby można go było wykonać metodami obróbki mechanicznej. Ponadto stop musi charakteryzować się dobrymi właściwościami mechanicznymi, aby element wytrzymał, nie został zerwany w chwili zadziałania bezpiecznika. Stop MA62 jest odporny na ścieranie, korozję i obciążenia statyczne, posiada dobrą lejność i skrawalność. Element został wykonany techniką odlewania w formach piaskowych. Świadczą o tym porowata powierzchnia pozostała po formie a także charakterystyczne dla tej technologii wykonania ślady „szwów”. Odlew jest dość ciężki.

Kawałki blaszek oznaczone cechą MO58 i MO59.

Te detale zostały wykonane przez zgniot, przerabiane plastycznie na zimno. Pomiędzy nimi można było zauważyć różnicę w kolorze. Mosiądz MO58 - czyli CuZn40Pb2 jest podstawowym stopem do obróbki skrawania, można go poddać obróbce plastycznej na zimno, tłoczeniu jak również obróbce na gorąco. Wyrabia się z niego śruby toczone, sworznie, nakrętki i inne części przewodzące maszyn. Mosiądz MO59 zawiera 1% mniej cynku. Im mniejsza domieszka cynku w stopie, tym materiał jest podatniejszy na tłoczenie, jest bardziej miękki, miększy niż MO58.

Próbka ucięta z wałka - cecha BA 1044.

Jest to brąz aluminiowo-żelazowo-niklowy. Stop ten charakteryzuje się dużą odpornością na wymuszenia statyczne, korozję i ścieranie, może być stosowany w podwyższonych temperaturach. Cechuje się bardzo dobrą lejnością. Metoda wykonania oznaczona przez symbol -lk- oznacza odlew w formach metalowych. Przypuszczalnie wałek mógł być poddany obróbce mechanicznej, aby potwierdzić tę hipotezę zakładamy, że gładkość powierzchni została uzyskana podczas odlewu.

Wirnik silnika zwartego - cecha A1-LC.

Jest wykonany z niemal czystego aluminium detal wykonano jako odlew pod ciśnieniem. Czysty glin jest odporny na korozję, odporność na czynniki zewnętrzne maleje wraz ze wzrostem zanieczyszczeń. Na powietrzu znacznie różni się od koloru czystego metalu, mimo, że zawiera 99,5% glinu. Przypuszczamy, że detal pokrył się tlenkiem Al₂O₃.

Korpus licznika AK-11.

Zawiera 11% Si. Taki stop bardzo często używany jest do odlewów. Charakteryzuje się on dużą lejnością i dobrymi parametrami wytrzymałościowymi. Bardzo często do tych celów używa się stopu AlSi9, zwanego siluminem. Stop AK-11 zawiera od 10 do 13% Si, czyli jest niemal siluminem, wobec tego właściwości powinny być zbliżone. Porównując stop AK-11 z niemieckim odpowiednikiem 231 S GD AlSi12 widzimy daleko idące podobieństwo w składzie chemicznym. Polski stop posiada nieco więcej miedzi i żelaza. Domieszki te mają na celu poprawienie właściwości wytrzymałościowych materiału. Ilość krzemu w stopie jest prawie identyczna - polska norma przewiduje od 10 do 13%, niemiecka od 11 do 13%. Krzem ma również wpływ na właściwości mechaniczne.

Przewód AFL-6.

Jest wykonany z aluminium twardego. Przewody te mają postać linek, w celu zwiększenia ich giętkości i niezawodności. Pomimo, że użyte aluminium ma dość dobre właściwości wytrzymałościowe, to jednak przy większych rozpiętościach między słupami (mówimy tu o liniach napowietrznych) stosuje się wzmocnienie w postaci ocynkowanej linki stalowej. Linka ta jest opleciona przewodami aluminiowymi. Liczba przewodów może być różna. Stosunek przekrojów pręta stalowego do powierzchni prętów aluminiowych wynosi najczęściej 1:6, wówczas linka ma oznaczenie AFL-6- aluminium jest odpowiedzialne za przewodzenie, stal za wytrzymałość.

1

---