Материал: МВ КР 17 вар Металургия

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности.

Пробой диэлектриков:

Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

• электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

• электрический пробой неоднородных диэлектриков;

• тепловой (электротепловой) пробой;

• электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7 – 10^-8с, и не обусловлен тепловой энергией. Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.

3. Литейные алюминиевые сплавы: классификация, свойства, применение. Рафинирование состава и модифицирование структуры отливок.

В последнее время достаточно большое распространение получили алюминиевые сплавы. Это связано с тем, что они обладают исключительными эксплуатационными качествами. Существует просто огромное количество различных видов алюминия, классификация зависит от химического состава и многих других показателей. Довольно большое распространение получили литейные алюминиевые сплавы. Они могут применяться для изготовления самых различных деталей, в большинстве случаев, корпусов.

Рисунок 6. Литейные алюминиевые сплавы в чушках

Алюминиевые сплавы классифицируют по следующим признакам:

1. По способу изготовления:

• Деформируемые (детали изготавливают штамповкой, ковкой, прессованием, прокаткой);

• Литейные;

• Испекаемые.

2. По отношению к термической обработке:

• Упрочняемые термообработкой;

• Неупрочняемые термообработкой.

3. По механическим свойствам

• Нормальной прочности;

• Высокопрочные;

• Повышенной пластичности;

• Жаропрочные.

Общая характеристика и свойства:

Существует довольно большое количество разновидностей литейных алюминиевых сплавов, каждый из которых обладает своими особенностями. Алюминиевый литейный сплав характеризуется следующими эксплуатационными качествами:

1. Высокие литейные качества. Подобный металл довольно часто применяется для литья по форме. Высокие литейные качества позволяют создавать детали сложной формы.

2. Плотность. Химический состав алюминиевых литейных сплавов определяет то, что их плотность относительно невелика. За счет этого вес получаемой конструкции относительно небольшой.

3. Коррозионная стойкость. Она может снижаться за счет добавления различных легирующих элементов.

4. Повышенная прочность и твердость. Эти качества достигаются путем добавления самых различных веществ.

5. Высокая степень обрабатываемости. Путем литья достаточно часто получают заготовки, которые в дальнейшем доводят до готового состояния путем механической обработки на фрезерном или другом оборудовании.

Подобные материалы обладают хорошими литейными свойствами, что позволяет получать детали со сложными поверхностями. Сплавы с высоким содержанием магния или других легирующих элементов могут подвергаться дополнительной термообработке.

В большинстве случаев к данному материалу предъявляют следующие требования:

1. Хорошие литейные свойства. Именно они считаются наиболее важными при рассмотрении алюминиевых сплавов данной группы. Чем менее выражены литейные качества, тем хуже раствор заполняет созданную форму. Литейные свойства могут определяться самыми различными методами.

2. Небольшая усадка. Процесс усадки практически неизбежен при литье по форме. Однако некоторые составы более склонны к образованию раковин и других дефектов при литье, другие меньше. Чем меньше усадка, тем более качественным получается изделие.

3. Высокая жидкотекучесть. Если созданная форма для литья имеет большое количество сложных поверхностей, то для их заполнения состав должен обладать повышенным показателем жидкотекучести.

4. Малая склонность к образованию горячих трещин. При выполнении литейных операций возникает вероятность появления трещин, которые снижают прочность структуры и эксплуатационные качества материала.

5. Низкая склонность к пористости. Пористая структура обладает менее привлекательными эксплуатационными качествами, так как она имеет меньшею прочность, впитывает влагу и может быть подвержена воздействию коррозии.

6. Оптимальные механические и химические свойства. Современные методы легирования позволяют сделать легкий материал более прочным. Для этого проводится добавление самых различных компонентов. Оптимальные механические свойства представлены сочетанием легкости и прочности, а также другими качествами.

7. Мелкозернистая однородная структура. При рассмотрении особенностей структуры получаемых изделий следует отметить, что однородная лучше воспринимает оказываемые нагрузки и вероятность появления дефектов существенно снижается. Неоднородную структуру можно охарактеризовать тем, что изделие может иметь разный показатель твердости поверхности, на одной части может появляться коррозия, другая может оказаться быть более устойчивой к подобному воздействию.

Применение литейного алюминия:

• Изготовление корпусных деталей. Именно при производстве корпусных деталей чаще всего применяют литейные алюминиевые сплавы. Это связано с тем, что подобным образом существенно снижается их стоимость. Для получения сложных изделий из стандартной заготовки применяют современное фрезерное оборудование, которое стоит дорого и требует соответствующей оснастки.

• Получение различных заготовок в сфере кораблестроения и авиастроения. На протяжение нескольких столетий алюминий используется для изготовления деталей, которые применяются при сборе самолетов и различных летательных аппаратов.

• Изготовление деталей сложной формы и различных размеров. Детали, представленные телами вращения и плоскими поверхностями сложны в изготовлении при применении оборудования по механической обработке.

• Получение элементов, которые применяются для осуществления подачи электричества. При добавлении легирующих элементов получаются сплавы, обладающие хорошими токопроводящими способностями.

Рисунок 7. Детали из сплавов алюминия.

Рафинирование металлов - очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96-99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств

Эффект измельчения зерна литого алюминия введением специальных добавок был назван модифицированием.

В широко развернувшихся работах по модифицированию алюминиевых сплавов было установлено, что, помимо титана, зерно алюминия измельчают при кристаллизации малые добавки цинка, вольфрама, молибдена, бора, рения, тантала, гафния, ванадия, скандия, стронция и гораздо в меньшей степени - железа, никеля, хрома, марганца.

В связи с большой важностью поверхностных явлений в процессах модифицирования исследователи пытались определить критерии поверхностной активности, которые позволили бы сделать выбор модификаторов, необходимых для заданного изменения структуры.

4. Почему растворимости углерода в феррите и аустените различаются?

Растворимость углерода в железе:

На диаграмме состояния системы Fe-C зависимость растворимости углерода в железе от температуры описывается линией ликвидус в области заэвтек-тических сплавов (C'D'). При температурах 1153 – 2100^оС растворимость углерода составляет 4,26 – 7,0%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры можно описать уравнением

где [C]_max – растворимость углерода в жидком железе, %.

Согласно уравнению (9.1) при 1600^оС растворимость углерода в железе составляет 5,75%.

Исходя из уравнения (9.1) для реакции

Из уравнения (9.3) видно, что растворение углерода в железе является слабой эндотермической реакцией.

Определение растворимости углерода в железе приведенным выше методом нельзя признать надежным, т.к. очень трудно зафиксировать в твердой пробе все количество углерода, содержащегося в жидком металле. Более надежным способом определения термодинамических параметров реакции (9.2) является комбинирование хорошо изученных реакций газификации графита и растворенного в металле углерода

Если предполагать, что реакция (9.6) протекает в прямом направлении, а реакция (9.4) – в обратном, результат последовательного протекания обеих реакций будет описываться уравнением (9.2), для которого

Теплоты растворения углерода в жидком железе, найденные различными способами, несколько различаются. Но, качественно они хорошо согласуются и свидетельствуют о том, что реакция (9.2) является слабой эндотермической реакцией.

Рисунок 8. Влияние компонентов расплава на растворимость углерода в сплавах железа при 1600^оС

Влияние третьих элементов на величину растворимости углерода в железе может быть охарактеризовано при помощи рисунка 8. В присутствии карбидообразующих элементов (Mn, Cr, V, Nb) растворимость углерода в железе увеличивается. При наличии в расплаве примесей, которые образуют химические соединения с жидким железом (Si, P, Al, S, Ni) – уменьшается. Поэтому в чугунах и ферросплавах содержание углерода существенно различается, даже если в процессе их производства происходит насыщение металла углеродом. Так, содержание углерода составляет: в высокоуглеродистом ферромарганце и феррохроме – более 6,5%; в обычном передельном чугуне – 4,2 – 4,5%; в высокофосфористом чугуне ~ 3,6%; в 10% ферросилиции ~ 2%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры и содержания других примесей свидетельствует о том, что раствор углерода в железе не является идеальным.

Рисунок 9. Зависимость величины коэффициента активности углерода в жидком железе от концентрации углерода при 1600^оС

Если в качестве стандартного состояния при описании термодинамических свойств раствора принять однопроцентный раствор, подчиняющийся закону Генри, характер зависимости величины коэффициента активности углерода от концентрации его в расплаве будет соответствовать показанному на рисунке 9. Из рисунка видно, что большие значения коэффициента активности углерода в жидком железе наблюдаются в области высоких его концентраций, близких к насыщению. При низких и средних концентрациях углерода ([C]<1%) величина коэффициента его активности близка к единице. Поэтому при анализе реакций окислительного рафинирования применительно к условиям доводки плавки в сталеплавильных агрегатах активность растворенного в металле углерода с достаточной для практических целей точностью можно заменить его концентрацией. Такая замена наиболее оправдана, когда углерод в окислительном периоде рафинирования является единственной примесью и его концентрация не превышает 1%.

В качестве возможных форм существования углерода в металле в научно-технической литературе указывают ион C⁴⁺, группировки атомов типа Fe_nC (Fe₃C), графит.

На свойства готовой стали большое влияние оказывает растворимость углерода в твердом железе, которая существенно меняется в зависимости от модификации железа и температуры. Растворимость углерода в  -Fe при 1130^оС составляет около 2%, в a-Fe при 723^оС – 0,03 – 0,04%, в a-Fe при комнатной температуре – менее 0,01%. Таким образом, практически все количество растворенного в жидком металле углерода в процессе затвердевания и охлаждения до комнатных температур выделяется из пересыщенного раствора в виде графита или цементита.

Растворимости углерода в феррите и аустените:

Рисунок 10 – Диаграмма железо-углерод

Существуют две разновидности феррита – низкотемпературный a-феррит и высокотемпературный d-феррит

Низкотемпературный a-феррит (феррит) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо, которое имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК решетка). Предельная растворимость углерода в феррите равна 0,02%, при 723°С (точка Р на рисунке 8). При понижении температуры до 20 °С, растворимость углерода в феррите уменьшается до 0,01%

Феррит мягок (твердость по Бринелю 70-80 ед.), обладает большим относительным удлинением (до 40%). Под микроскопом феррит выглядит в виде светлых однородных зерен.

Высокотемпературный d-феррит – твердый раствор внедрения углерода в d-железо которое имеет ОЦК решетку. Максимальная растворимость углерода в d-феррите равна 0,01% при 1492°С (Точка Н).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в железо которое имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК решетка). Максимальная растворимость углерода в аустените равна 2% при 1130°С (Точка Е). При температуре 723°С аустенит содержит 0,8% углерода (точка S).

Цементит – химическое соединение углерода с железом - карбид железа Fe₃C содержащий 6,67% углерода, имеет сложную ромбоэдрическую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит обладает высокой твердостью (твердость по «Бринелю» 800 ед.) и хрупкостью. Цементит является метастабильной фазой, т.е. при нагревании до высокой температуры он становиться нестабильным и распадается на стабильные фазы аустенит и графит.

По структуре цементит различают:

Первичный Ц – кристаллизуется из жидкости при температуре, соответствующей линии СD. Под микроскопом наблюдается в виде светлых пластин

Вторичный Ц – образуется при выделении углерода из аустенита при понижении температуры, от 1130 до 723 °С (линия ЕS). Под микроскопом в сталях с содержанием более 0,8% 0С цементит вто­ричный наблюдается в виде сетки по границам зёрен

Третичный Ц – образуется при выделении углерода из феррита при температурах ниже 723°С. Хорошо наблюдается в сталях с содержанием 0,01…0,02% С в виде отдельных островков по границам зерен феррита (рис.4б).

Графит – углерод в свободном состоянии, является стабильной фазой.

Двухфазные составляющие

В системе железо - углерода имеются две двухфазных структурных составляющих: перлит и ледебурит.

Вывод: Растворимость углерода в аустените, на порядок выше (0,8%), чем в феррите (0,02%), при одинаковой температуре в 723°С. Так же в аустените больше диапазон температур, (723°С – 1130°С) при которых линейно возрастает растворимость углерода, до 2%, Феррит же напротив, имеет 2 точечных диапазона температур, это высокотемпературный феррит­–1492°С и низкотемпературный феррит–723°С при которых растворимость углерода подымается не выше 0.02%. Из чего делаем вывод что Аустенит более насыщен углеродом, чем феррит, и в по пункту растворенности углерода выигрывает безоговорочно.