of 34
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
1/34
78
Modulul6:
MATERIALE CONDUCTOARE. METALE
1. Unitatea de nvare 8. Proprietile metalelor. Coroziunea. Proteciampotriva coroziunii..78
2. Unitatea de nvare 9. Materiale de mare conductivitate i rezistivitate.Materiale pentru contacte electrice. Materiale pentru termobimetale itermocuple92
3. Teste de autoevaluare...................................................................91;1114. Lucrare de verificare .......................................................................91;111
OBIECTIVE
- s expliceinfluena temperaturii asupra structurii cristaline ale metalelor- s indice caracteristicile generale ale metalelor;- s enumere i s defineascproprietile metalelor;- s enumere dependena proprietilor materialelor conductoare de diferii
factori
-s explice coroziunea metalelor-s enumere materialele cu mare conductivitate i rezistivitate electric -s caracterizeze materialele pentru contacte electrice -s caracterizeze materialele pentru termobimetale i termocuple -s explice caracteristicile materialelor folosite n electrotehnic
Unitatea de nvare 8.
Proprietile metalelor. Coroziunea. Protecia mpotriva coroziunii
Cuprins:8.1. Obiective8.2. Test de evaluare8.3.Lucrare de verificare
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
2/34
79
8.1. Obiective:
- s explice influena temperaturii asupra structurii cristaline ale metalelor- s indice caracteristicile generale ale metalelor; - s enumere i s defineascproprietile metalelor;- s enumere dependena proprietilor materialelor conductoare de diferii
factori-s explice coroziunea metalelor
Proprietile metalelor. Coroziunea. Protecia mpotriva coroziunii
Materiale conductoare.Metale.Din grupa materialelor conductoare fac parte corpurile a cror
conductivitate electric este de ordinul a 108107S/m i care conform teorieibenzilor de energieprezint benzi de valen care au doar jumtate din nivelurileenergetice ocupate cu electroni (cazul metalelor monovalente) sau suprapuneri ale
benzilor de valen peste benzile de conducie (cazul metalelor bivalente).Procesul de conducie este legat de existena unei micri dirijate a
electronilor sau a ionilor din interiorul corpurilor. Conductivitatea de tipelectronic (corespunztoare deplasrilor electronilor) ia valori mai mari dect
aceea de tip ionic (corespunztoare deplasrilor ionilor din electrolii) i estecaracteristic, ndeosebi, metalelor (n stare solid sau lichid).Metalele prezint, n general, o structur cristalin. Unele aliaje au ns
structuri eterogene (fiind constituite din dou sau mai multe tipuri de cristalite),care nrutesc proprietile materialelor, ndeosebi cele mecanice (de deformare
plastic). n unele cazuri se realizeaz i orientri ale cristalelor (texturri);acestea determin ns anizotropii ale materialelor i fac ca proprietile acestoras depind i de direciile solicitrilor.
Caracteristicile materialelor conductoare sunt, de asemenea, influenate detehnologia de elaborare, de natura i concentraia impuritilor, de solicitrilemediului ambiant (mecanice, termice etc.) etc.
Un conductor monocristalin cu reea cristalin ideal, adic fr defecte dereea (impuriti, vibraii termice ale particulelor constituente, tensiuni mecaniceetc.) se caracterizeaz printr-un maxim al conductivitii electrice. Practic toatecorpurile prezint abateri de la reeaua cristalin ideal, fenomen care determinvariaii importante ale proprietilor lor electrice, termice i mecanice.
Influena temperaturiiStructurile cristaline metalice se comport, pentru undele asociate
electronilor n micare , ca nite reele de difracie, adic aceste structuridetermin unele fenomene de difuzie, care conduc la micorarea intensitii
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
3/34
80
fasciculului de electroni incident cnd a ( fiind lungimea de und a undelor
, iar a - constanta reelei cristaline). La temperaturi joase, respectiv latemperaturi inferioare temperaturii critice Tc (tabel 1), agitaia termic este foarteredus, reeaua fiind practic ideal (dac nu conine alte defecte). n general, a10-10m, iar > 10-10m, n aceste condiii, reeaua este perfect transparent pentrufasciculul de electroni asociai undelor de lungime de und, corpul aflndu-se nstarea supraconductoare .Tabelul1.Valori ale temperaturii critice Tc
Substana Tc [K] Substana Tc [K] Substana Tc [K]Ir
HfTiRnCdOsZrZnMoGa
0,14
0,370,400,470,560,710,750,881,001,10
Al
TeThRhReInSnHgTaU
1,17
1,371,401,701,773,373,704,154,485,30
La
PbNbTc
Nb3SnPb2AuMoTeNbNV3Si
Nb3(Al0,8Ge02
5,80
7,209,5011,201,827,00
14,0014,7017,0020,05
Dac temperatura crete, agitaia termic devine important, se produce omprtiere a electronilor pe fononii reelei cristaline, care determin o reducereimportant a conductivitii electrice a cristalului.
Datorit proporionalitii dintre agitaia termic i temperatur, dintremprtierea electronilor i agitaia termic, precum i dintre rezistivitateacorpului i gradul de mprtiere, rezult c rezistivitatea electric a unuiconductor metalic este proporional cu temperatura acestuia. Aadar, pentruvalori ale temperaturii superioare temperaturii Debye (tabelul 2), rezistivitateaunui metal se poate determina cu relaia cunoscut:
(T) = (T0)[1 + (T)(TT0)], (8.1)
unde (T) i (T0) reprezint valorile rezistivitii la temperatura T, respectiv T0,(T) coeficientul de temperatur al rezistivitii, iar T0 temperatura dereferin ( 293 K).
Mrimea (T) scade cnd temperatura crete, deoarece (T0) > (T) i,deci:
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
4/34
81
(T0) = TTTT d
d
)(
1
d
d
)(
1
0= (T). (8.2)
Tabelul 2.Valorile temperaturii Debye TDpentru diferite substane
Substana TD Substana TD Substana TDPb 88 Zn 237 Li 400Hg 100 Zr 250 Ti 400Th 100 W 310 Fe 420Bi 120 Cu 315 Cr 460Cd 120 Mg 318 Si 625
Mo 150 Ge 350 Be 1000Au 170 Ni 375 B 1250Ag 215 Mo 380 C (Diam.) 1860Pt 230 Al 394
Valorile caracteristicilor mecanice ale metalelor sunt, de asemenea, foarte strnslegate de structura acestora i de valorile temperaturii mediului ambiant n care se aflcorpurile metalice. Astfel, metalele cu temperatur de topire mai ridicat (cum suntwolframul, molibdenul, cromul etc.) prezint valori ale modulului de elasticitate maimari dect acelea cu temperatura de topire redus (cum sunt aluminiul, plumbul etc.)(tabelul 3)
Tabelul 3.Valorile modulului de elasticitate (Young) al unor metale cu structurcubic, YMaterialul Temperatura de topire
[C]Y[GN/m2]
Wolfram, WMolibden, MoCrom, CrFier, FeNichel, NiCupru, CuAluminiu, Al
Plumb, Pb
341026101875153714531083
660
327
393324242207207110
69
14
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
5/34
82
Fig. 1. Variaia modulului de elasticitate Y(Young) cutemperatura Tpentru fier (1), cupru (2) i aluminiu (3).
Modulul de elasticitate al unui metal variaz foarte mult cu tempe ratura (fig.1). ncazul fierului, creterea temperaturii cu 270 K, determin o reducere a valorilor lui Ycu cel puin 25%.
Influena naturii i a coninutului de impuriti Impuritile din reeaua cristalin a metalului (pract ic inevitabile) produc o
mprtiere suplimentar a micrii electronilor (fig.2, a) contribuind astfel la
micorarea cu ia duratei de relaxare a acestora. Cum ieste caracteristicfiecrei specii de impuriti i presupunnd c natura i coninutul impuritilornu depind de temperatur, se obine pentru rezistivitatea electric, expresia:
*
0
2
10 0
1 1
n
T rT ii
m
N q=
= + = +
, (8.3)
numit relaia lui Matthiessen, unde *0m reprezint masa efectiv a electronului,q0sarcina electronului,N0concentraia volumic a electronilor cvasiliberi, T
durata de relaxare corespunztoare mprtierii micrii electronilor pe fononi, iarn numrul speciilor de impuriti sau, mai general, de defecte punctiforme(relaia (8.3) cuprinznd i contribuia vacanelor, golurilor etc.) din metal.Aadar, cum termenul T reprezint contribuia vibraiilor termice ale reelei,rezult c, la T = 0 K, rezistivitatea corpului este nenul, respectiv are valoarea = r, numit rezistivitate rezidual, valoare care depinde doar de natura iconcentraia de defecte (impuriti n fig. 2 ). Prin urmare, prin impurificarea
1
2
3
270 540 810 1080
280
210
140
70
0
T[C]
Y[GN/m2]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
6/34
83
metalelor, conductivitatea acestora scade, oricare ar fi valorile conductivitii
materialului obinut din atomii de impuritate (fig. 3).O categorie deosebit de impuriti o constituie elementele introduse n
mod voit n reelele cristaline ale metalelor cu scopul de a obine aliaje (respectiv,materiale cu rezistivitate sau proprieti mecanice superioare). n procesul dealiere se produc deplasri ale atomilor (ionilor) din poziiile lor de echilibru,respectiv din nodurile reelei (fiind nlocuii cu atomi de alt specie), precum itreceri ale electronilor de conducie n benzile incomplete corespunztoaremetalelor cu impuriti. Aceste fenomene deformarea reelei cristaline i legareaelectronilor liberi de atomii impuritate provoac o reducere a conductivitiielectrice i o mbuntire a proprietilor mecanice ale metalelor.
Fig. 2. Influena impuritilor asupra conductivitii metalelor:a) mprtierea electronilor pe ioni pozitivi i negativi de impuritate;
b) Variaia rezistivitii cu temperatura Tpentru cupru pur (1),Cu + 1,12 Ni (2), Cu + 2,16 Ni (3) i Cu + 3,32 Ni (4).
- q0
- q0
qion< 0
qion> 0
a b
1
2
3
476
5
4
3
2
1
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150
T[C]
108[
m]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
7/34
84
Fig. 3. Variaia conductivitii cuprului cu natura i coninutul impuritilor.
Soluiile solidese obin numai dac metalul impuritate B (sau adaos) estesolubil n metalul de baz A(aliajul prezentnd un singur tip de cristale) i pot fi:
cu reea de substituie sau cu reea interstiial. n cazul reelelor de substituie,metalele componente au acelai sistem de cristalizare i volume atomice apropiate(diferena dintre razele atomilor nedepind 15%); metalele se aliaz n orice
proporii, n nodurile ree lei aflndu-se atomi ai ambelor elemente (fig. 4, a). Dingrupa aliajelor cu reea de substituie fac parte, printre altele, aliajele Cu -Ni, Au-Ag, W-Mo etc.
Dac diferena dintre diametrele atomice ale metalelor de aliere depete15%, se obin soluii solidecu reea interstiial (fig.4, b). n acest caz, metalelenu se aliaz n orice proporii, ci numai pn la ocuparea interstiiilor reeleicristaline a componentei de bazAde ctre ionii luiB(solubilitatea este limitat).
Asemenea tip de soluii formeaz metalele cu hidrogenul, carbonul, azotul, borul, oxigenul etc.Rezistivitatea soluiilor solide variaz cu concentraia elementelor adaos,
prezentnd un maxim cnd cele dou metale se afl n aceeai propor ie (fig.5). Dac metalele componente se aliaz doar ntr-o proporie bine
determinat, se obin substane chimice cu proprieti distincte, numite compuiintermetalici. Acetia au conductivitatea electric apropiat de cea a metalelor dar,din punct de vedere mecanic, prezint caracteristicile cristalelor ionice: plasticitate
Zn Cd Ag
Ni
SnAl
Be
As
Fe
Si
P
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Con. impuriti [%]
[%]
100
90
80
70
60
50
40
30
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
8/34
85
foarte sczut, duritate mare, punct de topire ridicat etc. Unii compui
intermetalici (InSb, AlSb etc.) sunt semiconductori.Amestecurilemecanicese obin din metale solubile unul n altul (Pb n Fe,
W n Cu, Pb n Ag etc.) n stare solid i prezint o structur de natur eutectic :cristale mari ale uneia dintre componente, necate ntr-un amestec de cristalefoarte fine aparinnd ambelor componente (numit eutectic). Cele dou metale seamestec mecanic, componentele pstrndu-i caracteristicile proprii. Drepturmare, rezistivitatea electric a acestor aliaje are o variaie liniar cu coninutulcomponentelor (fig.6), curbele respective utilizndu-se, de foarte multe ori, ladeterminarea structurii fizico-chimice a aliajelor.
Fig. 4. Reele cristaline ale soluiilor solide: a) Reea de substituie; b) Reeainterstiial.
Fig. 5. Variaia rezistivitii i a coeficientului de temperatural rezistivitii t() cu gradul de aliere pentru soluii solid
100 % A 50 %A 0 %A0 %B 50 %B 100 % B
t()
t(A)
A
t(B)
B
A A
B B
a) b)
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
9/34
86
Fig. 6. Variaia rezistivitii i a coeficientului de temperatur al rezistivitiit() cu concentraia componentelor, pentru amestecuri eutectice.
Influena strii de agregare Prin topirea unui metal se distruge reeaua sa cristalin. Micarea
electronilor este astfel puternic frnat, conductivitatea scznd pe msur cemasa metalului topit crete. Din acest motiv, diagramele de variaie a rezistivitiicu temperatura prezint creteri brute pentru valori ale acesteia egale cu
temperaturile de topire ale metalelor (fig.7). n unele cazuri ns (de exemplu,pentru Ga, Bi etc.), rezistivitatea scade odat cu schimbarea strii de agregare(tabelul 4).Tabelul 4.Variaia rezistivitii metalelor cu schimbarea strii de agregare
Metalul Hg Au Sn Zn Cu Ag Al Ga Bilichidsolid
3,2 2,28 2,10 2,09 2,07 1,9 1,64 0,58 0,43
Influena solicitrilor mecanice
Proprietile materialelor conductoare se modific numai sub aciuneaacelor solicitri mecanice care provoac deformri ale reelelor cristaline. Astfel,
n cazul deformrilor elastice, variaia amplitudinii de oscilaie a ionilor dinreeaua cristalin determin o cretere a rezistivitii corpului n cazul solicitrilorde ntindere i o reducere a acesteia n cazul solicitrilor de comprimare. ngeneral, rezistivitatea unui material supus unei solicitri mecanice specifice este = 0(1 a), 0 fiind rezistivitatea materialului nesolicitat mecanic, iar acoeficientul mecanic de variaie a rezistivitii.
t(A)
A
t(B)
B
t()
100 %A 0 %A 0 %B 100 %B
1
2
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
10/34
87
Fig. 7. Variaia rezistivitii metalelor cu temperatura Ti starea de agregare.Deformrile plastice (prin laminare, forjare, trefilare etc.) modific
structura granular a corpurilor. Grunii cristalini ale cror direcii de alunecarefac unghiuri mai mari cu direcia de deformare se sparg, ngreunnd procesul dedeformare. Corpul i mrete rezistena mecanic la deformare, respectiv sedurific. Materialulse ecruiseaz, are o structur tare, fibroas (fig. 8).
Fig. 8. Modificarea structurii materialelor cu solicitrile mecanice i termice: a) structur de gruni mari (stare moale);
b) structur tare, fibroas (dup deformri plast ice); c) structur cu gruni mici (stare moale, dup tratare termic).
a) b) c)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0,28
0,26
0,24
0,22
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0
Au
AuCu
Ag
Sn
Al
Fe
Mg
Al
Cu
Ag
Au
T[C]
[m]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
11/34
88
Gradul de ecruisaj Gese definete prin relaia G
e= (S 'S )/S, n care Si
'S reprezint aria seciunii iniiale, respectiv finale, a corpului metalic supusdeformrii plastice (rcrete de 1,52 ori pentru Ge = 80%, fig. 9). Deformareametalelor constituie o surs important de defecte de reea, determinnd oreducere a conductivitii lor electrice.
Fig. 9. Variaia rezistenei la rupere prin traciune r(1) i a alungiriila rupere r (2) cu gradul de ecruisare Ge pentru cupru [76].
Influena tratamentelor termice Prin creterea temperaturii corpurilor se produce o rearanjare a atomilor n
reea, adic se desfoar un p roces de refacere a cristalelor, de recristalizare.Temperatura de recristalizare depinde de natura metalului (220C pentru Cu), degradul de deformare plastic (fiind cu att mai mare, cu ct gradul de deformareeste mai redus) etc. Ca urmare a recristalizrii, rezistena mecanic scade, iaralungirea la rupere i conductivitatea electric cresc (fig.10). n decursul
proceselor tehnologice de prelucrare a metalelor (de exemplu, n cazul trefilrii)se efectueaz tratamente termicede recoacere (pentru refacerea caracteristicilormaterialelor ecruisate) la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare (la
400700C pentru cupru). Se produc, astfel, creteri importante ale grunilorcristalini, rezistena mecanic a corpurilor reducndu-se considerabil. Situaiisimilare pot aprea i n cazul unor scurtcircuite ale instalaiilor electrice, cnd,local, temperatura conductoarelor depete temperatura de recristalizare ametalelor din care sunt confecionate.
0 20 40 60 80
Ge [%]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
r
[GN/m
3]
1
2
50
40
30
20
10
r[%]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
12/34
89
Fig. 10. Variaia rezistenei la rupere prin traciune r() i aalungirii la rupere r() cu temperatura Tpentru cupru i aluminiu
Coroziunea metalelor
Coroziunea reprezint aciunea chimic sau electrochimic exercitat lasuprafaa corpurilor dectre aer, umezeal sau unele substane chimice.
Coroziunea chimic apare n gaze uscate sau n lichide neconductoare. natmosfera obinuit agentul corodant cel mai important este oxigenul careformeaz la suprafaa metalelor pelicule de oxizi. Dac pe liculele formate sunt
poroase, oxigenul ptrunde prin ele i atac, n continuare, metalul pn ladistrugerea complet a acestuia (cum este cazul wolframului la temperaturiridicate). Dac ns pelicula este compact, fr fisuri i cu coeficient de dilataieliniar apropiat de cel al metalului corodat, aceasta mpiedic ptrundereaoxigenului n metal i, deci, desfurarea procesului de coroziune. Asemeneatipuri de pelicule formeaz Cd, Al, Pb, Sn, Cu, etc. la temperatura camerei, Cr, Ni
la temperaturi ridicate etc.Apa cu care metalele vin n contact conine, de obicei, impuriti (acizi,
sruri etc.) i constituie un electrolit a crui concentraie poate diferi de la unpunct al suprafeei corpului la altul. Se pot forma, astfel, pile electrice
macroscopice (dac n contact cu electrolitul se afl dou metale) saumicroscopice (cnd concentraia electrolitului este neuniform sau dac suprafaametalului conine impuriti). n primul caz se distruge metalul cu potenial deelectrod standardVe,stmai sczut (tabelul 5 ), iar n cel de-al doilea caz se distrugemetalul n cauz.n cazul contactului Cu-Al, prin coroziune electrochimic, sedistruge piesa de aluminiu.
Cu
Al
Al
Cu
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
T[C]
80
60
40
20r
107[N/m2]
50
40
30
20
10
r
[%]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
13/34
90
Tabelul 5 .Valori ale potenialului standard de electrod Ve,st(t= 25 C,p = 105
Pa)
Elementul
Ve,st[V] Elementul
Ve,st[V] Elementul
Ve,st[V]
Li+Cs+K+
Ba2+Ca2+Na+
Mg2+ Be2+
Al3+
- 3,05- 2,92- 2,92- 2,90- 2,87
- 2,712
- 2,34- 1,85- 1,67
Mn2+ Zn2+Cr3+Fe2+Cd2+Co2+
Ni2+Sn2+Pb2+
- 1,18- 0,83- 0,74- 0,44
- 0,402- 0,277
- 0,250- 0,136- 0,126
H+Cu2+Hg2+Ag+BrCl
Au3+Co3+F
0,00+ 0,345+ 0,779+ 0,800+ 1,065+ 1,358
+ 1,50+ 1,84+ 2,65
Potenialul de electrod normalreprezint diferena de potenial care aparentre un metal i o soluie apoas a unei sri a acestuia care cuprinde un echivalentgram de ioni activi la litru. Valoarea potenialului de electrod normal depinde denatura materialului i a electrolitului, de coninutul de impuriti din metal, destarea suprafeelor etc.Dac se msoar valoarea potenialului de electrod normalfa de potenialul de electrod normal al hidrogenului se obine potenialul de
electrod standard. Potenialul de electrod standard al aliajelor depinde decompoziia i natura metalelor componente. Un numr relativ redus de elementechimice sunt necorodabile (Au, Pt, Ag etc.).
Mrirea rezistenei metalelor la coroziune, se realizeaz prin acoperireaacestora cu materiale necorodabile. Acoperirile nemetalice se realizeaz cumateriale anorganice (oxizi, silicai), lacuri nehigroscopice (bitumuri etc.),
pelicule de email sticlos (care conin amestecuri de silicai, borai etc.).Acoperirile metalice se realizeaz cu Sn, Zn, Cu, Cr, etc. pentru materiale feroasei cu Ni, Ag, Au, etc. pentru materiale neferoase i pot avea caracter catodic (cnd, la apariia coroziunii, se distruge elementul de protejat) sau anodic (cndeste atacat stratul protector) (fig. 11). Executarea acoperirilor metalice se face
prin cufundarea pieselor de protejat n bi care conin metalul de acoperire n staretopit (Zn, Al, Cd, Pb etc.), prin galvanizare (Al, Ag, Au, Cd, Cr, N i, Pb, W etc.),prin difuzia metalului de protecie la temperaturi ridicate (B, Cr, Zn etc.), prinpulverizarea metalului de protecie (Al, Zn, Cu, Pb etc.), prin placare (prinlaminare, sudare, presare) etc.
Dac corpurile metalice se utilizeaz la temperaturi nalte, atunci se facacoperiri cu Al2O3, ZnO2, SiO2, compui metalo-ceramici etc. Se efectueazacoperiri pe baz de ciment, prin nitrurri sau fosfatri, electrostatice i prinelectroforez etc.
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
14/34
91
Fig.11. Acoperiri metalice cu caracter catodic (a) i anodic (b)
8.2. Test de evaluare1.Deformarea reelei cristaline i legarea electronilor liberi de atomiiimpuritate provoac:a. o reducere a conductivitii e lectrice b. o cretere a conductivitii electrice c. o mbuntire a proprietilor mecanice R: a,c
2.Se obin soluii solide cu reea interstiial dac :a. diferena dintre diametrele atomice ale metalelor de aliere depete 15%b. alierea se face pn la ocuparea interstiiilor reelei cristalinec. alierea se face n orice proporie R: a,b
3.Prin topirea unui metal:a. se distruge reeaua cristalinb. micarea electronilor este puternic frnat c. conductivitatea crete pe msur ce masa metalului topit crete
R: a,b
8.3.Lucrare de verificare
1. Explicai influena naturii i a coninutului de impuriti din reeauacristalin a unui metal.
2. Cum se realizeaz coroziunea metalelor? 3. Explicai abaterile de la reeaua cristalin ideal a metalelor datorit
temperaturii.
Sn
Zn
Fe
Fe
Sn: - 0,14 V
Fe: - 0,44 V
Fe: - 0,44 V
Zn: - 0,83 V
a)
b)
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
15/34
92
Unitatea de nvare 9.
Materiale de mare conductivitate i rezistivitate. Materiale pentrucontacte electrice. Materiale pentru termobimetale i termocuple
Cuprins:
9.1. Obiective9.2. Test de autoevaluare9.3. Lucrare de verificare
9.1 Obiective
-s enumere materialele cu mare conductivitate i rezistivitate electric -s caracterizeze materialele pentru contacte electrice-s caracterizeze materialele pentru termobimetale i termocuple -s explice caracteristicile materialelor folosite n electrotehnic
Materiale de mare conductivitate i rezistivitate. Materiale pentrucontacte electrice. Materiale pentru termobimetale i termocuple.
Fiind materiale cu conductivitate electric i rezisten mecanic mare,rezistente la coroziune, maleabile i ductile, sudabile etc., cuprul i aliajeleacestuia prezint numeroase utilizri n industria electrotehnic. Cuprul electrotehnic se obine prin rafinare electrolitic i are puritatea de peste99,9%. Impuritile i pot modifica considerabil proprietile. Astfel, oxigenulreacioneaz n timpul procesului de prelucrare a cuprului cu gazele dinmediul ambiant , dnd natere unor produse insolubile n cupru (ap, CO2 etc.),care, ieind din material, provoac fisuri n structura acestuia. Oxigenul afecteaz,de asemenea, conductivitatea cuprului: aceasta scade cu aproape 4% pentru unconinut de oxigen de 0,15%. Cea mai duntoare impuritate o constituie ns
bismutul. Insolubil n cupru, bismutul formeaz pelicule foarte fragile i uorfuzibile n jurul grunilor cristalini ai acestuia, mrindu-i fragilitatea. Alteimpuriti, cum sunt fosforul, fierul, siliciul, cromul etc. determin o reducereimportant a conductivitii electrice a cuprului, n timp ce argintul, aurul,cadmiul, nichelul etc. au o influen mult mai redus.
Proprietile cuprului depind de structura sa (tabelul 1), precum i desolicitrile mecanice i termice din exploatare. Astfel, rezistivitatea se determincu relaia (T) = 0,01724 + 0,0000681 (T293) m, adic un conductor din
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
16/34
93
cupru i mrete rezistivitatea cu 0,0000681 m dac temperatura sa crete cu
un grad.Deoarece are potenialul de e lectrod standard pozitiv ( + 0,345 V), cuprul
este protejat fa de metalele uzuale cu care vine n contact ( Al, Fe, Zn etc.), careau, n general, potenial de electrod standard negativ. Cuprul este atacat de oxigen,de oxizii de azot, de acidul azotic i acidul sulfuric, de clor, amoniac, de sulful dincauciucul vulcanizat etc.Tabelul 1.Caracteristicile principale ale cuprului electrolitic
Caracteristica Unitatea demsur
Cupru recopt(moale)
Cupru trasla rece(tare)
Densitatea kg/dm3
pn la 8,95Rezistena la rupere (la ntindere) MN/m2 200250 400490
Alungirea relativ % 5030 42
Duritatea Brinell MN/m2 400500 8001200
Modulul de elasticitate GN/m2 122 126
Rezistivitaea electric, la 20C m 0,017241 0,0177Coeficientul de temperatur alrezistivitii, la 20C K
-1 3,3910-3
Temperatura de topire C 1083
Temperatura de recoacere C 400700
Temperatura de recristalizare C 220300Coeficientul de dilataie liniar (dela 25 la 300C) K
-1 1,7710-6
Conductivitatea termic, la 20C W/mK 3,9398
Cldura specific J/kgK 385
Introducerea unui coninut foarte redus de Ag, Cd, Zn, Cr, Be etc. confercuprului proprieti termice i mecanice superioare. Astfel, un adaos mic de argint(0,030,1%) imprim aliajului stabilitate termic bun dup ecruisare, cadmiul
(0,061%) i mrete rezistena la solicitri dinamice, zincul (2%) i cromul(0,50,9%) i mresc rezistena la rupere prin traciune, beriliul (0,52%) imrete duritatea etc
Alamele sunt aliaje ale cuprului cu zincul. Se reprezint prin simbolulCuZnXY, numrulXreprezentnd coninutul de cupru (peste 50%) n procente iYconinutul de zinc, exprimat, de asemenea, n procente (de exemplu, CuZn 85-15 reprezint o alam cu 85% Cu i 15% Zn). Proprietile alamelor depind, attde compoziia chimic (tabelul 2), ct i de tratamentele mecanice i termice lacare au fost supuse n procesul de fabricaie. Alamele sunt rezistente la coroziune,
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
17/34
94
se pot lamina i tana uor, dar au conductivitatea electric mai redus dect
aceea a cuprului pur. Adugndu-se i alte elemente, se confer alamelorrezisten mrit la coroziune i oxidare (de exemplu, n cazul adugrii de Si),
proprieti mecanice superioare, la temperaturi uzuale (n cazul adugrii de Al,Sn, Fe, Mn etc.) i/sau la temperaturi nalte (n cazul adugrii de Ni),
prelucrabilitate uoar (n cazul adugrii de Pb) etc. Sub denumirea de bronzuri sunt cunoscute aliajele cuprului cu staniu,
precum i cele cu Al, Si, Cd, Be, P, Cr, Ti, Ag etc. Acestea au duritate mare(dependent de gradul de deformare plastic) i sunt rezistente la coroziune, iarunele dintre ele (de exemplu, acelea care conin i Cd) au rezistivitatea destul deapropiat de rezistivitatea cuprului (tabelul 3).
Tabelul 2Caracteristici ale unor alame utilizate n electrotehnic
Caracteristica Unitatea demsur
CuZn90..80-10..20
(Tombac rou)
CuZn72..70-28..30
(Tombacgalben)
CuZn 63-37
Densitatea Kg/dm3 8,88,67 8,53 8,47Temperaturade recoacere C 4
25700 425750 425700
Rezistena la
ruperemoaletare
MN/m2 250300350700 250500680 290350400700
Alungirea larupere
moaletare
%4835253
35105
406052
Conductivitatea termic W/mK
188138 121 117
Coeficientulde dilataie
liniart(l)10
7(25-300 C)
K1 182191 199 203
Rezistivitateala 20 C
m 0,039-0,054 0,062 0,064
Utilizri.Observaii
Table, firesubiri; se
prelucreaz la
Table, fire,tuburi,resorturi
Seprelucreazuor la rece
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
18/34
95
rece
Tabelul 3..Caracteristici ale unor bronzuri utilizate n electrotehnic
Caracteristici Unitateade msur
Bronz cu1,25%
Sn
Bronz cu6% Sn
Bronz deturnare14% Sn
Bronz cu2% Be
Bronz cu2% Be i
0,25% Co
Densitatea Kg/dm3 8,89 8,80 8,83 8,20 8,23Rezistena larupere
recopttare
MN/m2 280-320390-450380-500600-900
>200
495>900
490
Alungirea larupere
recopttare
%48
16-870-506-1,5
>3-
421
-50
Duritatea Brinellmoaletare
GN/m2 0,75-0,91,7-2,1
0,85
0,823,65
-3,8-4
Conductivitateatermic la 20C W/mK 205 50 84 105
Coeficientul dedilataie liniart(l)10
7 K1 178 175-180 166
Rezistivitateaelectric
m 0,036 0,15-0,17 0,075 0,068-0,098
Aluminiul este, dup cupru, materialul conductor cel mai utilizat nelectrotehnic. Este mai uor i mai ieftin dect cuprul, dar inferior acestuia nceea ce privete conductivitatea electric, rezistena mecanic i la coroz iuneelectrochimic (tabelul 4).
Aluminiul cristalizeaz n sistemul cubic cu fee centrate (fig. 1).
Conductivitatea sa electric scade cu creterea coninutului de impuriti,ndeosebi n cazul vanadiului i titanului (fig. 1). De aceea, aluminiul pentruconductoare conine cel mult 0,5% adaosuri (n general, fier i siliciu).Proprietile mecanice ale aluminiului sunt destul de reduse i variaz subaciunea solicitrilor mecanice (fig. 2) i termice (fig. 3). Temperatura derecristalizare este de 150C, dar o recristalizare complet se realizeaz numai la250400C (n funcie de gradul de deformare i de durata tratamentului).
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
19/34
96
Fig. 1. Reea cristalin cub cu fee centrate (Cu, Al).
Tabelul 4.Principalele caracteristici ale aluminiului (gradul de puritate: 99,6%)
CaracteristicaUnitatea
demsur
Aluminiurecopt
(moale)
Aluminiutras la rece
(tare)
Aluminiuturnat
Densitatea kg/dm3 2,7 2,7 2,56
Rezistena la rupere (lantindere)
MN/m2 70110 150250 90120
Alungirea relativ la rupere % 3045 28 1325
Duritatea Brinell MN/m2 150250 350700 240320
Modulul de elast icitate GN/m2 5866 72
Cldura specific (0 100C)
J/kgK 895 944
Conductivitatea termic W/mK La 20C: 217La 200C: 199
Coeficientul de dilataieliniar(0100C)
K1 23,9106
Temperatura de recoacere C 200450
Temperatura de recristalizare C 150
Rezistivitatea electric, la20C m 0,028Coeficientul de temperatural rezistivitii, la 20C
K1 4,0103
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
20/34
97
NiSi
Zn
FeCu
Ag
Mg
Ti
V
1
2
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 20 40 60 80 100
300
250
200
150
100
50
0
38
37
36
35
34
30
25
20
15
10
5
0
Coninut impuriti [%]
[
MS/m]
Grad de deformare [%]
r
[MN/m2]
Fig. 2.Variaia conductivitii Fig. 3. Variaia rezistenei la rupere
electrice a a luminiului n funcie la traciune r(1) i a alungirii lade coninutul de impuriti rupere r(2) a aluminiului n
funcie de deformare plastic.
Dac aluminiul este solicitat la 70 80C timp ndelungat, rezistena sa mecanicscade mult mai puin dect cea a cuprului (fig. 4). Prezint ns rezisten redusla aciunea vibraiilor i este atacat de oxigen (formnd o pelicul protectoare deAl2O3), clor, sruri ale halogenilor, acizi organici, ap de mare etc.
Fig. 4.Variaia, n timp a rezistenei la rupere la traciune ra conductoarelorde cupru (1), Aldrey (2) i aluminiu (3), supui unei nclziri la 77 C.
1
2
3
0 30 60 90 120 150 180
44
40
36
32
28
24
20
16
12
r107[N/m2]
t[zile]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
21/34
98
Avnd potenialul de electrod negativ i mare ( 1,66 V), aluminiul se
distruge n contact cu metalele tehnice obinuite. Aluminiul se utilizeaz la fabricarea electrozilor condensatoarelor cu
hrtie i a celor electrolitice, a mantalelor i ecranelor cablurilor de energie, anfurrilor mainilor i transformatoarelor electrice, a liniilor de transport i dedistribuie a energiei electrice, a cablurilor subterane etc., precum i a unui numrfoarte mare de produse care, prin caracteristicile lor neelectrice (greutate mic,rezisten mecanic mare etc.) au nlocuit materialele uzuale n construcii,transporturi, aparatur electrocasnic etc(fig 5).
Fig. 5. Seciune printr-un conductor bimetalic oel-aluminiu.
Prin adugarea unor mici cantiti de Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Ni, Be etc. seobin aliaje ale aluminiului cu proprieti mecanice superioare i conductivitateelectric apropiat de cee a aluminiului pur. Astfel, Aldreyul (98,45 Al; 0,6 Si;0,7 Mg; 0,2 Fe) are rezistivitatea mai mic de 32 nm, rezistena la traciune maimare de 320 MN/m2i temperatura de recristalizare cuprins ntre 180 i 200 C(tab. 21.10). Siluminiul (1113,5 % Si), n stare topit, are fluiditate mare i seutilizeaz la fabricarea prin turnarea pieselor de grosimi reduse sau cu formecomplicate. Tot ca aliaje de turnare se utilizeaz i aliajele Al-Mn (pentru coliviilemotoarelor asincrone), Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Mn-Mg etc.
Utilizarea fierului ca material conductor se datoreaz ndeosebi costuluisczut i rezistenei mecanice mari pe care acesta le are. Fierul prezint, deasemenea, rezistivitate electric mare (0,1 m), rezisten slab la coroziunechimic i efect pelicular pronunat. Deoarece efectul de refulare a curentului estecu att mai pronunat cu ct conductorul are diametrul mai mare i rezist ivitateamai redus, n curent alternativ se utilizeaz conductoare de oel cu rezistivitate
Al
Funiede oel
d
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
22/34
99
mai mare i diametre care nu depesc 2,5 mm. n curent continuu se folosetefierul armcocu cel mult 0,2 % impuriti (carbon sub 0,003%, n rest Si, Mn, S,P).
Argintulnu se oxideaz dect la temperaturi ridicate, stratul de oxid formatfiind bun conductor electric. Se utilizeaz pentru confecionarea contactelor, aarmturilor pentru condensatoare, a siguranelor fuzibile etc.Platina este foarterezistent la coroziune i arc electric i se utilizeaz la fabricarea contactelorelectrice, a termocuplelor etc.Wolframul este fragil, are temperatur de topireridicat i rezisten mare la arc electric i se utilizeaz la fabricarea lmpilorelectrice (fr oxigen), a contactelor de rupere etc.
Materiale cu mare rezistivitate electric
Materialele utilizate pentru obinerea rezistoarelor de precizie i etalon aucoeficientul de temperatur al rezistivitii (T) i tensiunea termoelectromotoarefa de cupru Utem reduse, sunt maleabile i ductile etc. Cele mai utilizate suntmanganinele (aliaje din cupru, mangan, nichel sau aluminiu i, eventual, fier),aliajele de tip manganin (tab. 5) i aliajele pe baz de metale preioase curezistivitate r idicat (tab. 6)i invariabil n timp.
Tabelul 5.Caracteristici ale aliajelor tip manganin
Compoziia [%]Rezistivitateaelectric, la
20 C [m]
(T)106
[K-1]Utem
[V/K]
Cu Mn Ni Fe Al86 12 2 - - 0,43 56 0,684 13 - - 3 0,50 0,2
82,5 12 - 1,5 4 0,45 0,385 9,5 - - 5,5 0,45 0,333 67 - - - 1,88 0 1
16,5 67 16,5 - - 2,03 120 0,510 60 30 - - 2,05 100 05 67 28 - - 2,20 30 0,12
Tabelul 6.Caracteristici ale unor aliaje din metale preioase
CaracteristicaUnitatea
de msurAliaj Au-Cu(98 Au; 2Cu)
Aliaj Ag-Mn-Sn(82 Ag; 10 Mn; 8 Sn)
Rezistivitatea electric, la 20C Coeficientul de temperatur al rezistivitiiTensiunea electromotoare fa de cupru
mK1
V/K
0,3310-6
78
0,500
0,50
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
23/34
100
Materiale pentru reostate
Materialele pentru reostate trebuie s suporte nclziri pn la 250C frs-i modifice proprietile sau s devin prin rcire casante, s aibcoeficientul de temperatur al rezistivitii mic, pre de cost redus, etc. Materialelecare ndeplinesc aceste condiii sunt constantanul (CuNi 60-40) utilizat lafabricarea termocuplelor i a reostatelor cu cursor, nichelina utilizat laconstrucia reostatelor de pornire i reglaj, neusilberul (mai ieftin, deoarececonine Zn) utilizat pn la 2000C, fonta (v= 1,41,5 m) utilizat laconfecionarea reostatelor de sarcin etc. (tabelul 7).Tabelul 7.Caracteristici ale unor aliaje pentru reostate
AliajulCom-
poziia[%]
Rezistivitateala
20C
Coeficientul
detemperatur
alrezistivitii
Tensiuneatermoelec-tromotoarefa de Cu
Coefi-
cientul dedilataieliniar
l(l)106
Rezistenala rupereprin
traciune
[m] [K1] [V/K] [K1] [MN/m2]
Constan-tan
60 Cu40 Ni 0,50 10
6 42 14 400750
Nichelin54 Cu26 Ni20 Zn
0,43 23105 25 16 680-850
Nichelinfr Zn iFe
67 Cu30 Ni3 Mn
0,40 11105 16 44
Nichelin-neusilber
58 Cu22 Ni20 Zn
0,36 31105 16,8 510830
Neusilber60 Cu17 Ni23 Zn
0,30 35105 15 18 40
Materiale utilizate n electrotermieMaterialele utilizate n electrotermie prezint rezis ten mare la oxidare ila temperaturi nalte au rezistivitatea mare, coeficientul de temperatur alrezistivitii redus, caracteristici tehnologice bune i cost redus. Din aceast grupfac parte metalele pure, aliajele pe baz de nichel, fierul etc.
Wolframuleste un material dur, casant, greu prelucrabil i se oxideaz la500C, dac nu se afl n atmosfera protectoare (vid, gaze inerte). Se utilizeaz la
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
24/34
101
fabricarea lmpilor cu incandescen a tuburilor electronice, a rezistoarelor de
nclzire a cuptoarelor electrice pentru topire i tratamente termice etc. Molibdenul are caracteristici asemntoare cu cele ale wolframului
(tabelul 8), este rezistent la acizi i se oxideaz la T > 600C. Se utilizeaz lafabricarea lmpilor cu incandescen, a tuburilor electronice, a electrozilor desudur etc. Tabelul 8.Caracteristici ale unor metale tehnic pure, utilizate la electrotermie
MetalulDensitatea
Temperaturade topire
Temperaturamaxim de
serviciu
Rezistivitateala 20C
[kg/dm3] [C] [C] [m]
Wolfram 19,3 3410 2500 5,51Molibden 10,2 2620 2000 5,70
Tantal 16,5 2000 2000 12,4Niobiu 8,56 2470 1800 14,2
Tantalul are rezisten la coroziune foarte ridicat i se utilizeaz nconstrucia cuptoarelor pentru temperaturi ridicate, a tuburilor electronice etc.
Niobiul are rezistivitate mare (14,2 m) si se utilizeaz n construciacuptoarelor, a filamentelor, a tuburilor electronice etc.
Aliajele pe baz de nichel numite nicromi sunt soluii solide ale
nichelului cu cromul (acesta contribuind la creterea rezistivitii, la micorareacoeficientului de temperatur al rezistivitii etc. (tabelul 9).Tabelul 9.Caracteristici ale unor aliaje pe baz de nichel utilizate n electrotermie
CaracteristicaCromel
CCromel
AHeraeus
DHeraeus
A
Compoziie
Ni 60-63 79-80 60-62 50-52
Cr 12-15 18-21 23-25 30-32
Fe 22-26 1,5 9-10 11-15Mn 0,5-2 0,5-2 2-3 2-3
Rezistivitatea, la 20 C [m] 1,09 1,05 1,10 1,08
106 [K-1]ntre 20400 C ntre 201000 C
0,200,15
0,90,4
0,30,8
0,500,23
Coeficientul de dilataie liniar l(l)106
[K-1]13 14,5 14,8 15
Temperatura maxim de funcionare [C] 1000 1150 1100 1250Rezistena la rupere prin traciune[MN/m2]
680 750 800 1000
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
25/34
102
Aliajele pe baz de fier sunt mai ieftine dect cele pe baz de nichel.
Adugarea unor cantiti de Cr, Ni, Al i Si le mrete rezistivitatea, iar adaosurile deCu, Mn sau Co le reduc coeficientul de temperatur al rezistivitii. n general, acestealiaje au variaii mari ale rezistivitii cu temperatura (fig. 6), iar la temperaturiridicate prezint o tendin de cretere a grunilor cristalini. Cele cu coninut redus decrom (feronichelul: 0,5 Cr; fecralul: 15 Cr) au temperaturi de utilizare mai reduse(800C), dar se potprelucra cu uurin (tabelul 10).
Fig. 6. Variaia rezistivitii cu temperatura pentruCromal (1), Fecral (2) i Feronicrom (3)
Tabelul 10.Caracteristici ale aliajelor pe baz de fier utilizate n electrotermie Caracteristici
Feronichel Fecral Kanthal Cromal
Compoziie Fe 65-75 80 74 65,5
Cr 0,5-5 15 21 30
Al - 5 5 4,5
Ni 25-35 - - -Rezistivitatea la 20 C [m] 0,91 1,2-1,4 1,3-1,4 0,35Coeficientul de temperatur alrezistivitii 10
6 [K-1] 100 180 80 4Temperatura maxim defuncionare [C] 600 875 1250 1300Rezistena la rupere prin traciune[MN/m2] - 700 850 800
0 200 400 600 800 1000
1,45
1,40
1,35
1,30
1,25
1,20
1,15
1,10
T[C]
[
]
1
2
3
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
26/34
103
Pentru nclzirea cuptoarelor electrice (n metalurgie, chimie etc.) se utilizeaz isilitele. Acestea sunt produse din carbur de siliciu (SiC) care suport sarcini mairidicate dect aliajele amintite, dar a cror rezistivitate variaz sensibil cutemperatura (fig. 7). Pe de alt parte, silitele prezint fenomene de mbtrnire,rezistivitatea lor crescnd n decursulexploatrii (fig. 8).
Fig. 7. Variaia rezistivitii s ilitelor Fig.8. Creterea rezistivitiicu temperatura . silitelor n funcie de durata de exploatare
Materiale pentru contacte electrice
Alegerea materialelor pentru fabricarea contactelor electrice este foartedificil, dac se iau n consideraie toi factorii care intervin n procesul defuncionare a acestora: natura circuitului, frecvena curentului, tipul i frecvenaacionrilor, viteza de acionare, mediul ambiant, existena solicitrilor mecanicei termice, sigurana n funcionare etc. n orice caz, materialele utilizate trebuie s
prezinte conductivitate electric i termic ridicate, rezisten mare la coroziune,eroziune i sudare, uzur mecanic redus, greutate mic, durat de via mare,
siguran n funcionare etc. Rezistena electric de contact depinde de mrimea presiunii n contact p (n
general, se consider o dependen de tipul R = kp-n), precum i de conductivitateaelectric i de rezistena specific la compresiune a materialelor care formeazcontactul. Cum materialele moi se deformeaz mai uor, piesele de contact din metaledure se acoper cu astfel de materiale, respectiv cu staniu, cadmiu, etc. Contacteletrebuie s aib, de asemenea, valori apropiate ale coeficienilor de dilataie termic, n
0 250 500 750 1000 1250 1500 0 1000 2000 3000
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
500
400
300
200
100
0
T[C] t[h]
10-3[m]
[%]
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
27/34
104
vederea evitrii (n cazul existenei unor cureni electrici foarte inteni) apariiei unor
eforturi mecanice suplimentare care le-ar putea deteriora.Coroziunea contactelor se manifest prin oxidarea contactelor (cu
formarea unor pelicule de oxid de rezistivitate mare) sau prin reacii chimice aleacestora cu impuritile din mediul ambiant (activate de temperaturile ridicate pecare le produce arcul electric).
Eroziunea sau uzura electricse manifest, ndeosebi, n curent continuui const ntr-un transport de material topit dinspre o pies de contact sprecealalt.
Uzura mecanic se datoreaz frecrilor dintre piesele de contact iprovoaco cretere a rezistenei de contact.
Sudarea contactelor apare, ndeosebi, la contactele de c.c. (formate din
metale nobile pure), care rmn lipite dac intensitatea curentului electricdepete o valoare limit. Cum aceste fenomene nu sunt ntotdeauna prezente ntotalitate, n timpul funcionrii contactelor, n alegerea materialelor necesare
pentru realizarea contactelor se ine seama de condiiile reale n care contactelefuncioneaz.
Materiale pentru contacte fixePentru realizarea contactelor de strngere se utilizeaz, ndeosebi, cuprul iargintul. Argintul se acoper cu un strat de oxid foarte subire, neizolant, protectormpotriva coroziunii. Oxidul de cupru este ns izolant, iar grosimea sa crete ntimp. Din acest motiv, contactele din cupru se acoper cu argint sau staniu. n
afar de cupru i argint se mai utilizeaz aluminiul, molibdenul etc. Pentru a leproteja mpotriva coroziunii, contactele de strngere se acoper cu lacuri,emailuri, vaseline etc. sau se nglobeaz n compounduri (de obicei epoxidice).
Contactele masive se realizeaz din cupru sau aluminiu prin lipire sausudare; rezistena de contact depinde de natura aliajului de lipit i de tehnologia delipire sau sudare i nu de presiunea de contact, ca n cazul contactelor d estrngere.
Materiale pentru contacte de ruperePentru aceast categorie de contacte se utilizeaz materiale cu proprieti
speciale, elementele contactelor fiind supuse, n timpul funcionrii, unor solicitri
importante (de eroziune, coroziune i uzurmecanic. Contactele electrice de mic putere (din relee, aparate de laborator etc.) se
realizeaz din aliaje ale metalelor nobile (Au-Ag, Pd-Ag, Pt-Ir etc.), aliaje alemetalelor nobile cu alte metale (Cu-Au, Ni-Pt etc.), aliaje de tip eutectic (Ag-Cu)
precum i aliaje pe baz de W, Mo etc. (tabelul11 i tabelul 12).
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
28/34
105
Tabelul 11.Caracteristici ale unor metale pentru contacte
Caracteristica Ag Au Cu Pd Pt Ir
Densitatea[kg/dm3]
10,5 19,32 8,92 12,0 21,45 22,5
DuritateaVickers[MN/m2]-moale-tare
2941030
196658
3531130
4321180
392981
20904445
Rezistivitatea
[nm]
16 22 17 110 98 53
Coeficientuldetemperaturalrezistivitii,10
3 [K1]
4,10 3,91 4,0 3,7 3,92 3,9
Tensiuneatermoelectromo-toare fade Cu [V/K]
0,4 0,6 0 13,5 7,8 1,3
Tensiuneatermoelectromo-toare fade platin[V/K]
7,4 7,2 7,8 -5,7 0 6,5
Temperaturade topire [C]
961 1063 1083 1552 1770 2454
Metalele nobile pure, dei au rezistivitatea electric redus i rezistena lacoroziune ridicat, nu se pot utiliza ca atare, deoarece prezint pericolul de lipire
sau sudare a contactelor, au rezisten mai redus la eroziune i uzur mecanicmare etc.Pentru realizarea contactelor electrice de medie putere (care funcioneaz
la tensiuni cuprinse ntre120 i 500 V) se utilizeaz Cu, Ag, Pd, W etc., precum iunele combinaii ale acestora (bronzuri, alame, Cu-Ag, Ag-Cd etc.) obinute prin
procedee clasice de aliere sau prin sinterizare. Se utilizeaz, de asemenea,bimetaleleCu sau Al cu Ag, Pd, Pt etc., laminate mpreun i termobimetalele.
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
29/34
106
Tabelul 12 Caracteristici ale unor aliaje pentru contacte electrice
Aliajul
Rezistivitatea la 20 C
DuritateaVickers
Rezistenala traciune
Modululde
elasticitate[m] [GN/m2] [MN/m2] [GN/m2]
AgCu;97/3
0,02 0,44-1,38 236-491 80,5
AgPd;96/4
0,037 0,3-1,04 196-423 80,5
AgCd;85/15 0,05 0,57-1,53 305-550 65,5
AuAg;80/20
0,10 0,34-1,03 177-400 87,3
AuAgCu;70/20/10
0,14 1,18-2,33 460-930 100
PtAg;70/30
0,30 0,9-1,47 422-765 181
PtIr; 80/20 0,31 1,85-2,94 943-1375 226PdCu;85/15
0,36 0,88-2,06 373-880 172
PdW;90/10
0,38 1,81-2,55 500-981 177
PdAg;60/40
0,42 1-2,75 422-880 143
n cazul contactelor electrice de mare putere(de rupere) de joas tensiune(pentru tensiuni cuprinse ntre 120 i 500 V) i cureni relativ inteni (deintensiti cuprinse ntre 100 i 3000 A) sau al acelora de nalt tensiune (cutensiuni nominale cuprinse ntre 6kV i 1 MV) se utilizeaz mai ales materiale
sinterizate. Acestea se obin din pulberi de materiale (care nu se aliaz) supuse lapresiuni mari i temperaturi ridicate (65 70% din temperatura de topire ametalului cel mai greu fuzibil) i se aplic, sub form de plcue, pe piesele decontact. Cele mai utilizate sunt combinaiile Cu-W, Cu-Ni, Cu-Cr, Ag-Cd,Ag-CdO etc. (tabelul 13).
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
30/34
107
Tabelul 13 .Caracteristici ale unor compui sinterizai
Materiale Rezistivitatea electric,la 20C [m]
Duritatea Vickers[MN/m2]
Moale TareAgNi; 90/10 0,02 253 1060AgCdO; 85/15 0,025 638 1080Aggrafit; 10% C 0,03 294 396AgCuW; 6/34/60 0,03 1470 2060WAg; 30/70 0,023 590 1080
WCu; 60/40 0,04 1570 1865WAg; 80/20 0,045 1765 2160
Combinaiile Ag-Cd i Ag-CdO au conductivitate termic i electricridicate i rezisten de contact redus, chiar la presiuni mici. La temperaturaarcului electric (900C), oxidul de cadmiu se descompune, gazele rezultate(oxigen i vapori de cadmiu) mpiedicnd dezvoltarea arcului electric.
Combinaiile Cu-W prezint rezistivitate electric redus, duritate itemperatur de topire ridicate i se utilizeaz pentru contacte cu presiuni mari decontact i care funcioneaz n ulei.
Materiale pentru contacte alunectoare
Contactele alunectoare (glisante) apar ntre periile i colectoarele sauinelele mainilor electrice, ntre troleu i firul de troleu n traciunea electric, laanumite tipuri de ntreruptoare electrice etc., piesele de contact fiind solicitate,att mecanic, ct i la coroziune i arc electric.
Lamelele de colector se realizeaz din argint, cupru electrolitic tare,bronzuri cu cadmiu i beriliu etc., inelele de contact din bronzuri, alame, oeletc., iarfirele de troleudin bronzuri cu cadmiu i beriliu.
Periile mainilor electrice se realizeaz din crbune grafitat sau dinamestecuri de grafit cu cupru sau bronz. n funcie de structura lor fizico-chimic,
periile se mpart n trei grupe (tabelul 14): tari(din pulbere de cocs sau crbune deretort), moi (din grafit natural sau electrografit) i metalografitice (din grafit cupulbere de bronz sau cupru).
Tabelul 14.Caracteristici generale ale periilor pentru maini electrice
Caracteristica Perii moi Perii tariPerii
metal-grafit
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
31/34
108
Presiunea de contact pe colector
[MN/m2]
15 20 30
Rezistivitatea electric [m] 1040 60 0,0530
Densitatea de curent [A/cm2] 10 68 1520
Viteza periferic [m/s] 4060 1015 2030
Grafitulcristalizeaz n sistemul hexagonal (fig. 9), distanele ntre douplane reticulare [A] i [B] fiind de 3,40 , iar ntre doi atomi coninui n acelaiplan reticular de 1,42 . Din acest motiv forele de legtur dintre atomii careaparin la dou plane diferite sunt mai reduse dect cele dintre atomii care aparin
aceluiai plan. Ca urmare, n timpul funcionrii contactelor, se desprind, din perii,poriuni mici sub form de solzi care se deplaseaz paralel cu planele [A] i [B] icare umplu microgolurile suprafeelor de contact (ale colectoarelor i inelelor),dnd natere unor suprafee de alunecare netede. Aceste suprafee secaracterizeaz prin valori reduse i constante ale rezistenei electrice de contact i
prin uzur mecanic redus. Grafitul nu se oxideaz, are temperatur de topireridicat (3000C), tensiune minim de apariie a arcului electric s uperioar aceloraale metalelor i eroziune redus.
Fig. 9. Sistemul de cristalizare a grafitului.
Materiale pentru termobimetale Termobimetalele se realizeaz din benzi subiri de metale sau aliaje cu
coeficieni de dilataie liniar diferii, sudate pe n treaga lungime a lor (fig. 10).
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
32/34
109
Drept urmare, sub aciunea cldurii, ansamblul realizat prezint deformaii dinspre
banda (1) cu coeficient de dilataie liniar mai mare (respectiv, 1) spre banda (2)cu coeficient de dilataie mai redus (respectiv, 2).
Sensibilitatea termobimetalelor (respectiv, variaia lungimii sgeii f la ocretere a temperaturii cu 1 K) este cu att mai mare, cu ct diferena dintrevalorile coeficienilor de dilataie liniar = 1 2 i lungimeatermobimetalului lsunt mai mari i grosimea heste mai redus.
Ca materiale cu coeficient de dilataie mic se utilizeaz aliajele Ni Fe,cum este invarul(63,1% Fe; 36,1% Ni; 0,4% Mn; 0,4% Cu), care are = 1,510-6K1. Cealalt component se realizeaz din fier, nichel, cupru, constantan, alametc., pentru care coeficientul de dilataie liniar ia valori cuprinse ntre 105 i
210
5
K
1
.Termobimetalele se utilizeaz n construcia termometrelor pentru lichidei gaze, a termocompensatoarelor, pentru protecia instalaiilor electrice mpotrivasuprasarcinilor etc.
Fig. 10.Deformarea b imetalului sub aciunea cldurii.
Materiale pentru termocuple Fenomenul termoelectric (Seebeck) const n apariia unui curent electric ntr-uncircuit nchis format din dou metale diferite, ale cror jonciuni se afl latemperaturi diferite. Astfel, considernd dou metale Ai B, cu concentraiile de
electroniNAiNB, ce formeaz un circuit nchis (fig. 11), iar cele dou jonciuni 1i 2 se afl la temperaturile T1 i T2 (T1 > T2), atunci ntre zonele 1 i 2 apare odiferen de potenial electric UT, numit tensiune termoelectromotoare, a creivaloare este dat de relaia:
21210
ln TTkTTN
N
q
kU T
B
AT , (9.1)
unde k reprezint constanta lui Boltzmann. Prin urmare, dac se cunoatetemperatura T2 i tensiunea termoelectromotoare UT i se determin printr-o
1
2
1
2
f
l
h
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
33/34
110
etalonare constanta kT, se poate determina temperatura T1corespunztoare, de
obicei, zonei calde.Din legile efectului termoelectric rezult c, dac ntre dou puncte Pi Q
ale unui circuit temperatura este uniform, atunci suma tensiunilortermoelectromotoare corespunztoare ntregului circuit este independent de
poriunea PQ, fiind identic, valoric, cu tensiunea obinut n cazul n care Pi Qar fi puse n contact. De aici rezult c, ntre punctele Pi Q, se poate conecta unaparat de msur, fr ca t.t.e.ms fie afectat.
Fig. 11. Schema simplificat a unui termocuplu:T1punct cald; T2punct rece; mV- milivoltmetru.
Fig. 12. Variaia tensiunii termoelectromotoare UTcu temperatura pentru diferitetermocuple: 1copel-cupru (350C); 2copel-fier (650C);3cromel-alumel (1000C); 4PtPt+Rh (1600 C) [76].
Pentru construcia termocuplelor se folosesc astfel de materiale, nct UTs aib valori mari (tabelul 15), iar caracteristicile UTf(T1) s fie liniare (fig.12). Dintre metale se utilizeaz Cu, Fe, Pt, iar dintre aliaje constantanul, copelu l(56 Cu, 44 N i), alumelul (95 Ni; 2 Al; 2 Mn; 1 Si), cromelul (90 Ni, 10 Cr), aliaje
0 200 400 600 800 1000 1200
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
T[C]
UT[m
V]
mV
A
B
P Q
T2 T1 > T2
7/31/2019 Modulul 6- U-8-9
34/34
111
Pt-Rh (90 Pt, 10 Rh) etc. Temperaturile de utilizare a termocuplelor depind de
natura componentelor: copel-cupru ntre250 i + 600C, copel-fier ntre - 200 i+1000C, cromel-alumel ntre 0 i 1100C, Pt-Pt + Rh pn la 1600 C etc. Tabelul 15.Valori ale tensiunii termoelectromotoare fa de platin UT,Pt
(la o diferen de temperatur de 100 C), pentru diferite materiale Materialul UT,Pt
[mV]Materialul UT,Pt
[mV]ConstantanNichelPaladiu
PlatinPt(90 %) + Rh(10 %)Cupru
-3,47-1,94-0,28
0,00+0,65+0,67
ArgintAurManganin
WolframFierNichelCrom
+0,79+0,80+0,82
+0,90+1,89+2,20
9.2.Test de autoevaluare1. Alegerea materialelor pentru fabricarea contactelor electrice se face inndseama de urmtorii factori:a. natura circuitului, frecvena curentului, tipul i frecvena acionrilor;b. viteza de acionare i mediul ambiant;c. existena solicitrilor mecanice i termice, sigurana n funcionare.
R: a,b2. Materialele conductoare trebuie s prezinte :a. conductivitate electric i termic ridicate;b. rezisten mare la coroziune, eroziune i sudare; c. uzur mecanic redus i greutate mic;
d. durat de via mare i siguran n funcionare. R: a,b,c,d3.Coroziunea contactelor se manifest: a. prin oxidarea contactelor (cu formarea unor pelicule de oxid de rezistivitatemare);b.prin reacii chimice a le acestora cu impuritile din mediul ambiant (activate de
temperaturile ridicate pe care le produce arcul electric);c. prin procesul de sinterizare.R: a,b
9.3.Lucrare de verificare
1. Analizai proprietile cuprului i ale aliajelor sale. 2. Care sunt caracteristicile materialelor utilizate n electrotermie?3. Explicai alegerea materialelor pentru fabricarea contactelor electrice.
