Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Сведения по изучаемым вопросам

Лабораторная работа № 5

Изучение свойств биметаллов

(Продолжительность лабораторной работы 2 ч;

домашняя подготовка ─ 4 ч)

ВВЕДЕНИЕ

Биметалл (от 6и... и металл) — материал, состоящий из двух прочно соединённых слоев разнородных металлов или сплавов (напр., сталь и алюминий, титан и молибден). Биметалл применяют с целью экономии дорогостоящих и дефицитных металлов или для получения материала, обладающего сочетанием свойств исходных металлов. Изготовляют одновременной прокаткой или прессованием двух металлов, заливкой легкоплавкого металла по тугоплавкому или погружением тугоплавкого металла в расплавленный легкоплавкий металл, гальваническим способом, наплавкой путём электрического или плазменного нагрева, а также сваркой взрывом.

I. КРАТКИЕ ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

СВЕДЕНИЯ ПО ИЗУЧАЕМЫМ ВОПРОСАМ

Широкое применение биметаллы находят в биметаллических тепловых реле, действие которыхосновано на разности линейного удлинения (рис. 1, а) двух пластин из металлов с различными коэффициентами линейного расширения α₂> α₁. Если пластины из двух таких разных металлов жестко соединить друг с другом и нагреть, то это приведет к тому, что составная пластина изогнется в сторону материала с меньшим температурным коэффициентом α₁. Механическое усилие, развиваемое пластиной при изгибании, используется для приведения в действие исполнительного элемента реле – контактов.

Конструктивные формы биметаллических пластин разнообразны. Нагрев может осуществляться непосредственно током цепи, проходящим по пластине 1 (рис. 1, б); при косвенном нагреве ток цепи проходит по нагревательному элементу 2, теплота от нагревательного элемента передается пластине; при комбинированном способе нагрева ток цепи проходит по пластине и нагревательному элементу.

Некоторые схемы устройства биметаллических тепловых реле приведены на рис. 2. Простейшая схема представлена на рис. 2, а: при нагреве пластина 1 изогнется и, воздействуя через изоляционный штифт 3 на пружинный контактный рычаг 2, разомкнет контакты 4. Уставка (по времени, по току) срабатывания регулируется высотой неподвижного контакта. Возврат реле происходит автоматически при снижении нагрева. Недостатками конструкции являются медленное размыкание контактов, незначительная скорость их движения и непостоянство контактного нажатия при замкнутых контактах. Все это приводит к быстрому износу контактов.

Система по рис. 2, б лишена указанных недостатков. В замкнутом положении контакта контактное нажатие создается небольшим магнитом 5, притягивающим связанный с биметаллической пластинкой якорь б. При нагревании биметаллическая пластинка стремится оторвать якорь от магнита. Когда температура- пластины достигнет некоторого значения, соответствующего уставке срабатывания, усилие пластины преодолеет притяжение магнита и пластина скачком перейдет в нижнее положение, размыкая одни контакты и замыкая другие. Возврат реле происходит автоматически после остывания пластины.

В системе по рис. 2, в биметаллическая пластина служит защелкой. Она же создает контактное нажатие за счет пружинящих свойств контактного рычага. При нагреве конец пластинки изогнется и освободит контактный рычаг. Под действием пружины 7 контакты разомкнутся. Движение контакта ограничивается упором 8. Эта система не имеет самовозврата, так как после остывания пластина не может вернуть контакты в исходное положение. Возврат реле здесь принудительный — обычно ручной.

В системе по рис. 2, г пластинчатая пружина 9 препятствует размыканию контактов до тех пор, пока усилие P ₁, развиваемое пластиной, не станет больше усилия P ₃ (P ₂ ^— сила, развиваемая пружиной, P ₃^— составляющая этой силы, препятствующая размыканию контактов). При температуре, когда P ₁ станет больше Р ₃, пластина скачком выгнется и разомкнет контакты. Возврат системы произойдет автоматически после остывания.

В системе по рис. 2, д биметаллическая пластина, ранее выгнутая в сторону, противоположную той, в которую она выгибается при нагреве, удерживается в этом положении при помощи пружины 7 и подвижного рычага 10. При нагреве пластина скачком перегнется в другую сторону и переключит контакты. Эта система не имеет самовозврата.

В системе по рис. 2, е происходит одновременное скачкообразное перегибание биметаллической пластины и переключение контактов. Система имеет также скачкообразный самовозврат.

Недостатком всех тепловых реле является изменение уставки срабатывания в зависимости от окружающей температуры. Для того чтобы уменьшить влияние окружающей температуры на ток срабатывания, следует рабочую температуру биметалла выбирать как можно более высокой. Для этих же целей применяют вторую компенсационную биметаллическую пластину, достигая при ее помощи либо компенсации прогиба (рис. 2, ж), либо компенсации усилия (рис. 2, з).

Биметаллические тепловые реле получили очень широкое распространение как реле защиты электродвигателей (главным образом переменного тока) от недопустимого перегрева при длительных перегрузках. Надежность и эффективность этой защиты достигаются при совпадении временных характеристик по нагреву у реле и у двигателя. Биметаллическая пластина должна при данном токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель может выдерживать данную перегрузку. Поэтому одной из основных характеристик теплового реле является время-токовая характеристика (рис. 3, а), выражающая зависимость времени срабатывания реле от тока, протекающего через него.

На рис. 3, б в качестве примера устройства приведен общий вид одного из реле серии ТРП. В холодном состоянии биметаллический элемент 1 удерживается у одного из отгибов упора 2 пружиной 3, которая одновременно прижимает подвижные контакты 4, закрепленные на колодке 5, к неподвижным контактам 6 и создает контактное, нажатие.

При нагревании биметаллический элемент стремится изогнуться, этому препятствует пружина 3, удерживающая элемент в исходном положении. Если в цепи, защищаемой реле, возникнет недопустимо большой ток, температура биметалла увеличится и изгибающее усилие в элементе станет достаточным для преодоления усилия пружины. Элемент скачкообразно перемещается к противоположной стороне упора и мгновенно перебрасывает колодку 5 с подвижными контактами в другое коммутационное положение.

После срабатывания элемент удерживается на упоре усилием пружины 3 до тех пор, пока по мере его остывания возвращающее усилие не станет больше удерживающего усилия пружины. Возвращаясь в исходное положение, элемент также скачкообразно переходит от одной стороны упора к другой. При этом мгновенно перебрасывается контактная пружина.

Переключение контактной группы обеспечивает неизменность контактного нажатия до момента срабатывания реле, благодаря чему создается большая надежность работы механизма. Момент перебрасывания биметаллического элемента регулируется изменением числа прокладок 7 между корпусом 8 и скобкой 9, на которой качается колодка с контактами. Время возврата регулируется подгибкой конца упора 2, на который опирается биметаллический элемент при срабатывании. Контакты реле выполняются мостикового типа с серебряными напайками.

Гарантированное отсутствие самовозврата для реле с замыкающими контактами может быть обеспечено в условиях эксплуатации путем перевертывания упора 10 и закрепления его винтом 11 в таком положении, при котором колодка 5 после срабатывания реле не упрется в него, а запрокинется настолько, что возврат биметаллического элемента в исходное положение не вызовет возврата контактной группы.

При ручном возврате реле в исходное положение нажимают на кнопку. 13, которая перебрасывает колодку с контактами, и одновременно рычагом 12 возвращает биметаллический элемент. Калибровка реле на заданный номинальный ток производится поворотом эксцентрика. Регулировка уставки по номинальному току может производиться в процессе эксплуатации изменением» силы предварительного натяга биметалла при помощи перевода пружинного поводка 14 по фиксирующему его положение зубчатому сектору. При этом на любой уставке кинематика механизма не изменяется.

Реле монтируется в коробчатом пластмассовом кожухе.

Широко примененяются биметаллы в стартерах тлеющего разряда. Стартер представляет собой (рис. 4) небольшую газоразрядную лампу тлеющего разряда в стеклянной колбе, наполненной смесью инертных газов (обычно 60% Ar, 28,8% Ne и 11,2% He, однако возможно применение и другого наполнения). Стеклянная колба помещается в пластмассовый или металлический корпус цилиндрической формы (рис. 4, г). Стартер имеет два электрода. Различают ассимметричную (рис. 4, б) и симметричную (рис. 4, а) конструкции электродов. При ассимметричной конструкции один электрод - неподвижный, изготовляется из никеля, второй - подвижный, изготовляется из биметалла. В симметричной конструкции оба электрода - подвижные, изготовляются из биметалла. Параллельно электродам стартера включен конденсатор С_Ст (рис. 4, в), выполняющий две функции: снижение уровня радиопомех, возникающих при контактировании электродов стартера, а также генерируемых лампой; кроме того, этот конденсатор оказывает влияние на параметры импульса напряжения. Так пик напряжения на лампе при отсутствии конденсатора в стартере может составить 8-12 кВ, а при наличии конденсатора он снижается до 1-1,5 кВ, но длительность импульса в первом случае равна 1-2 мкс, а во втором - 1300-1500 мкс. Включение конденсатора параллельно электродам стартера уменьшает также вероятность возникновения дуги в момент размыкания электродов и оказывает влияние на срок службы самого стартера.

В нормальном состоянии электроды стартера разомкнуты и находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При подаче напряжения на схему (рис. 5), из-за отсутствия тока в цепи, все напряжение прикладывается к стартеру и между его электродами возникает тлеющий разряд, нагревающий биметаллическую пластинку (или пластинки), которая в результате этого изгибается и замыкает цепь нагрева электродов лампы (ЛЛ). С этого момента через электроды лампы идет ток короткого замыкания дросселя (L), нагревающий их до высокой температуры. Как только электроды стартера замыкаются, тлеющий разряд в стартере прекращается, биметаллическая пластинка постепенно остывает и возвращается в первоначальное состояние. При этом происходит размыкание электрической цепи подогрева и возникает импульс напряжения, зажигающий в лампе дуговой разряд. При этом стартер делается с таким расчетом, чтобы напряжение, при котором происходит разогрев пластин, достаточный для их замыкания, было выше рабочего напряжения на лампе и ниже минимального напряжения сети. Поэтому при горящей лампе разряд в стартере не возникает, биметаллические пластинки остаются холодными и цепь стартера - разомкнутой. Если лампа не зажглась после первого размыкания, то стартер начинает повторять процесс снова до тех пор, пока лампа не загорится.

Длительности стадии тлеющего разряда и стадии контактирования определяются расстоянием между биметаллическими электродами и скоростью их нагрева и остывания, которая в свою очередь зависит от их конструкции, а также от состава и давления наполняющего газа.

Кроме стартеров тлеющего разряда существуют тепловые, электромагнитные с биметаллическим замедлителем, термомагнитные и полупроводниковые стартеры.

В электровакуумном производстве широко применяется биметалл платинит, который создает вакуумно-плотное соединение вводов со стеклом.

Вводы служат для подведения напряжения от цоколя к телу накала. Они состоят из нескольких отрезков различных проволок, последовательно соединенных газовой или электрической сваркой. Большинство ламп изготовляют с двумя вводами, сваренными из трех звеньев: внутреннего, помещаемого внутри откачиваемого объема лампы; внешнего, помещаемого вне откачиваемого объема лампы, и промежуточного, помещаемого в лопатке ножки (рис. 6). Свободные концы внутренних звеньев соединяют с концами тела накала, а свободные концы внешних звеньев—с металлическими деталями цоколя.

Чтобы в лампу не проникал атмосферный воздух, вводы должны быть герметично впаяны в стекло. Промежуточное звено ввода должно хорошо смачиваться стеклом и иметь близкий стеклу коэффициент расширения. Этому требованию удовлетворяет платиновая проволока, хорошо смачивающаяся расплавленным стеклом и обладающая линейным коэффициентом расширения 90·10^-7, т. е. таким же, как у мягкого стекла для ножек. До 1924 г. в СССР применяли платину для впаивания в стекло ножек. Но платина—дорогой металл, поэтому ее заменили более дешевым материалом — платинитом, не содержащим платины. Ему дали такое название потому, что он имеет коэффициент расширения такой, как у платины, и применяется как ее заменитель. Коэффициент расширения платинита в поперечном направлении в интервале температур от 25° С до 300° С лежит в таких же пределах, что и коэффициент расширения мягкого стекла для ножек, а именно 88·10^-7—92·10^-7.

В производстве ламп применяют платинитовую проволоку диаметром от 0,25 до 0,8 мм. Более, тонкая проволока имеет малую механическую прочность и легко окисляется при изготовлении ножек, а более толстая—не дает требуемой герметичности в спае со стеклом. Лампы, потребляющие ток более 13 а, изготовляют с молибденовым впаем.

Платинит представляет собой круглые стержни или проволоку из биметалла, сердечник которого состоит из никелевой стали, а оболочка из меди (рис. 7). Сплавы стали с никелем имеют низкий коэффициент расширения (меньший, чем у мягкого, стекла), а медь—высокий коэффициент расширения (больший, чем у мягкого стекла), поэтому готовый платинит в зависимости от содержания никеля и меди может иметь в поперечном направлении различный коэффициент расширения. Чем больше никеля содержится в сердечнике (в интервале от 40 до 50%) и чем больше меди наращено на сердечник, тем выше коэффициент расширения платинита в поперечном направлении (рис. 8). При определенном соотношении между диаметром сердечника и толщиной медной оболочки получают платинит с требуемым коэффициентом расширения. Медная оболочка, кроме повышения коэффициента расширения платинита, уменьшает его электрическое сопротивление.

Исходным материалом для приготовления платинитовой проволоки служат круглые стержни длиной 1,65 м, диаметром около 8 мм из специальной никелевой стали марки Н-42. По ГОСТ 5572-88 такие стержни содержат 42—44% никеля и не более 0,03% серы, 0,03% фосфора, 0,8% марганца, 0,4% кремния, 0,1% хрома и 0,3% углерода. Стержни не должны иметь раковин, черновик, трещин и сильно выраженных царапин и должны быть хорошо отшлифованы и выпрямлены. Перед изготовлением платинита стержни отжигают в водороде при 1200—1250° С с выдержкой 2,5 ч для улучшения обрабатываемости, восстановления окислов железа, удаления поверхностных загрязнений и обезгаживания.

Отожженные стержни подвергаются электролитическому травлению в 30%-ном растворе серной кислоты и промывке холодной проточной водой. После такой подготовки стержни наращивают медью, то есть осуществляют меднение.

Эту операцию выполняют электролитическим осаждением меди в ваннах, футерованных свинцом или винипластом. Ванны наполняют электролитом, приготовленным из водного раствора медного купороса, подкисленного серной кислотой. К электролиту подводят постоянный ток от двигатель генератора или выпрямителя. В качестве одного подводящего электрода (анода) служат погруженные в ванну толстые пластины из электролитической меди, в качестве другого электрода (катода)—подвешенные на шинах стержни, подлежащие меднению. Под действием протекающего тока на поверхность стержней оседают атомы меди, группирующиеся в кристаллы. Последние, наращиваясь в большом количестве, образуют сплошное медное покрытие.

Для равномерного осаждения меди электролит энергично перемешивают очищенным от масла и других загрязнений сжатым воздухом, поступающим в нижнюю часть ванны через трубу с большим числом отверстий. С этой же целью ванны иногда оборудуют механизмом, вращающим стержни вокруг своей оси.

Стержни, подготовленные к меднению, должны быть совершенно чистыми, так как медь плохо пристает к нечистой поверхности и при последующей механической обработке отслаивается. В готовых лампах отслаивание меди вызывает трудно обнаруживаемое натекание через капиллярный канал между сердечником и.медной оболочкой.

Средний вес стержня до наращивания меди равен около 640 г. Вес наращенного слоя меди толщиной около 1 мм равен около 220 г (25—30% общего веса стержня).

Медненые стержни обрезают с концов и отжигают в водороде или препарировочном газе (очищенная от кислорода и других вредных примесей смесь азота и водорода, в которой водорода содержится, по объему, от 25 до 75 %) при 900 °С, после чего производиться механическая обработка.

Механическая обработка платинита состоит в протягивании его через последовательно уменьшающиеся волоки из твердых сплавов. На грубых волочильных станках проволоку смазывают животным техническим салом, а на многократной тонкой тяге обливают мыльной эмульсией. Каждые несколько прутков, прошедшие грубое волочение, приваривают друг к другу в один длинный пруток, чтобы при дальнейшем волочении не требовалось много раз продевать проволоку в волоки.

Платинит протягивают в холодном состоянии, так как он не обладает такой высокой твердостью, как вольфрам или молибден. При волочении он наклепывается, поэтому его несколько раз в промежутках между волочением отжигают.

Перед поступлением на следующую операцию (борирование) проволоку перематывают через вату с чистым спиртом. При нетщательной очистке платинит получается с черновинами.

Некоторые заводы изготовляют платинит трубочным методом. На обточенные и отшлифованные стержни из никелевой стали длиной 1 м наматывают топкую латунную ленту толщиной 0,25 мм, и надевают медную трубку толщиной 2 мм. Стержни с медной трубкой заковывают с.одного конца на конус и протягивают на цепном стане. Затем стержни нагревают в вертикальной печи до температуры, при которой латунная лента плавится и плотно спаивает медную трубку с сердечником (латунь плавится при температуре, более низкой, чем медь и никелевая сталь). Далее стержни куют на ковочной машине и протягивают на волочильных станках.

Непременным условием получения газонепроницаемого впая металла в стекло является хорошая смачиваемость поверхности металла расплавленным стеклом. Для соблюдения такого условия очищенную медную поверхность платинитовой проволоки окисляют до закиси меди, растворяющейся в самой меди и стекле. Окисленную медную поверхность затем покрывают тонким слоем безводного тетраборнокислого калия K₂B₄O₇ или тетраборнокислого натрия Na₂B₄O₇ (буры). Борирование содействует лучшему сцеплению поверхности платинита со стеклом и защищает платинит от излишнего окисления медной оболочки при изготовлении ножек.

При производстве ламп накаливания в качестве поддержек используют биметалл – алюминированную молибденовую проволоку. Для нанесения алюминия подогретую током молибденовую проволоку перематывают сквозь расплавленную каплю металлического алюминия. Чтобы при высокой температуре молибден не окислялся, алюминий наносят под стеклянным колпаком в атмосфере водорода или препарировочного газа. Слой алюминия на поверхности молибденовой проволоки играет роль газопоглотителя. При нагреве до 660–800 °C окисная пленка на поверхности алюминия разрывается и через разрывы испаряется чистый алюминий, пары которого поглощают свободный кислород и связанный кислород из паров воды. Алюминиевый газопоглотитель применяется лишь в тех лампах, у которых температура поддержек во время работы превышает 660 °C.

12 Следующая ⇒