İletken Bakır Alaşımlarının Elektrik Makinalarında Kullanıldığı Yerler
Elektrik motorları ve jeneratörler bakırı üç farklı rolde tüketir. Sargı teli ana akımı taşır ve normalde iletken sınıfına kadar elektrolitik sert bakırdan yapılır; sargılı rotorlu makinelerin toplayıcı halkaları ve DC makinelerinin komütatörleri, kayan bir kontak aracılığıyla akımı taşır; ve kaynak ekipmanının elektrot tutucuları, elektrot kolları ve akım-taşıyan halkaları, basınç altında ağır akımı işin içine iletir. Son iki grup, iletken bakır alaşımlarının var olmasının nedenidir, çünkü yüksek iletkenliği yüksek mukavemetle, aşınma direnciyle ve sıcaklıkta yumuşamaya karşı dirençle birleştiren bir bileşen saf tavlanmış bakırdan yapılamaz.
Mühendislik çatışması temeldir. Bakırın - soğuk işlenmenin veya alaşımlamanın - mukavemetini artıran herhangi bir şey iletkenliğini azaltır ve aşırı ısınan herhangi bir temas bileşeni yumuşar, hızla aşınır ve boyutsal stabilitesini kaybeder. Bu nedenle iletken bakır alaşımı seçimi, her makine türü için farklı şekilde çözülen iletkenlik, sıcaklıktaki dayanıklılık, aşınma direnci ve temas davranışı arasında bir dengedir.
Kolektör Halkaları ve Komütatör Segmentleri için Gereksinimler
Kolektör halkaları ve komütatör segmentleri, karbon fırçalar aracılığıyla akımı taşır ve makinenin tüm hizmet ömrü boyunca şeklini ve yüzey kaplamasını korumalıdır. Isı eşanjörü ve motor tasarımcılarının üzerinde çalıştığı özellik seti:
Yaklaşık %85 IACS'ye karşılık gelen en az yaklaşık 49 MS/m elektrik iletkenliği, böylece temas kayıpları ve ısınma düşük kalır.
Çekme mukavemeti en az yaklaşık 294 MPa olup, uzama %2'nin üzerindedir, böylece segment veya halka presleme, yuvarlama veya büzerek takma sırasında çatlamaz.
Malzemenin sürekli fırça sürtünmesine dayanması gerektiğinden iyi aşınma direnciyle birlikte en az yaklaşık 90 HV sertlik.
Düşük ve stabil temas direnciyle güvenilir temas davranışı.
Normal elektrik yükü altında temas yüzeyinde ölçülen, bileşenin gerçek çalışma sıcaklığının üzerinde bir yumuşama sıcaklığı.
Son nokta, malzeme seçimine diğerlerinden daha sık karar verir. Soğuk işlenmiş saf bakır tipik olarak yalnızca 80 derecelik sıcaklıklara kadar uygulanır, çünkü yaklaşık 150 dereceden yukarı doğru soğuk işlenmiş yapı yeniden kristalleşir ve bileşen, tasarımın dayandığı sertliği ve gücü giderek kaybeder. Çalışma sıcaklığının daha yüksek olduğu durumlarda, kararlı ikinci faza sahip bir alaşım veya gümüş katkılı bir alaşım kullanılmalıdır.
Alaşım Aileleri ve Sıcaklık Sınırları
| Malzeme ailesi | Tipik tanımlar | Yararlı çalışma sıcaklığı | Özellikler |
|---|---|---|---|
| Soğuk işlenmiş saf bakır | C11000, T2 | Yaklaşık 80 dereceye kadar | En yüksek iletkenlik, ancak 150 dereceden itibaren yumuşar ve gücünü kaybeder |
| Gümüş-içeren bakır | C11300 ila C11600 aralığı | Yaklaşık 250 dereceye kadar | Gümüş, yumuşama sıcaklığını yalnızca küçük bir iletkenlik kaybıyla yükseltir |
| Kadmiyum-içeren bakır | C16200 | Yaklaşık 250 dereceye kadar | Yüksek mukavemet ve iyi iletkenlik, ancak çeşitli pazarlarda tehlikeli madde yönetmeliğiyle sınırlandırılmıştır |
| Nadir toprak bakır | Küçük nadir toprak ilaveli bakır | Yaklaşık 250 dereceye kadar | Geliştirilmiş yumuşama direnci ve sıcak işlenebilirlik; gümüş bakırın bulunmadığı yerlerde kullanılır |
| Zirkonyum bakır | C15000 | Yaklaşık 350 dereceye kadar | Çöktürme işlemi, çok daha iyi yumuşama direnciyle birlikte iyi iletkenlik sağlar |
| Krom-zirkonyum bakır | C18150 | Yaklaşık 350 ila 500 derece | Yüksek sıcak sertliğe sahip %80 civarında IACS; yüksek güçlü komütatörler ve kaynak elektrotları için standart seçim |
| Berilyum bakır | C17200, C17510 | Öfkeye ve duruma bağlı | Yaylar ve kontaklar için çok yüksek mukavemet; işlemede daha düşük iletkenlik ve spesifik toz kontrolü gerekir |
Komütatör bölümleri için pratik sıra bu nedenle basittir: düşük yüzey sıcaklığına sahip hafif yüklü makineler için soğuk işlenmiş bakır, yaklaşık 250 dereceye kadar komütatörler için gümüş, nadir toprak veya kadmiyum taşıyan bakır, yaklaşık 350 dereceye kadar makineler için zirkonyum bakır ve 350 ila 500 derece bandında çalışan yüksek güçlü makineler için krom-zirkonyum bakır. Toplayıcı halkalar, aşınma direncine ek bir vurgu yaparak aynı mantığı takip eder, çünkü kayan kontak malzemeyi sürekli olarak uzaklaştırır.
Gümüş, Zirkonyum ve Krom-Zirkonyum Bakırın Karşılaştırılması
Gümüş-içeren bakır, yeniden kristalleşme sıcaklığını yükselterek çalışır: küçük gümüş ilavesi kaba bir ikinci faz oluşturmaz, dolayısıyla iletkenlik saf bakırınkine çok yakın kalırken, malzeme soğuk işlenme mukavemetini belirgin şekilde daha yüksek bir sıcaklığa kadar korur. Büyük komütatörler, akım taşıma halkaları ve sıcak çalışan yüksek akım bara bağlantıları gibi maksimum iletkenlik ve orta düzeyde termal stabilitenin gerekli olduğu her yerde doğal seçimdir.
Zirkonyum bakır ve krom-zirkonyum bakır, çökeltme sertleştirmesi yoluyla çalışır. Kontrollü bir çözelti işlemi ve yaşlandırma, yapıyı sabitleyen ve soğuk işlenmiş bakırın halihazırda yumuşadığı sıcaklıklarda mukavemeti koruyan ince parçacıkları çökeltir. Krom-zirkonyum bakır, onu dirençli kaynak elektrotları ve en ağır yüklü komütatörler için uygun hale getiren sertlik ve sıcak mukavemet ile kabaca %80 IACS tutar ve iletkenliği, dirençli ısıtmayı kabul edilebilir sınırlar içinde tutacak kadar yüksek kalır.
Kadmiyum-içeren bakır giderek daralan bir niş kaplıyor. Mukavemet ve iletkenlik kombinasyonu mükemmeldir, ancak kadmiyum bazı önemli ihracat pazarlarında tehlikeli madde kuralları kapsamında sınırlandırılmıştır, bu nedenle birçok alıcı artık bunun yerine gümüş veya zirkonyum kalitelerini tercih etmektedir. Eski bir çizim kadmiyum bakırı gerektirdiğinde, değişim yalnızca kalite adı yerine iletkenlik, dayanıklılık ve yumuşama sıcaklığı gerekliliklerine göre onaylanmalı ve değişim teknik dosyada belgelenmelidir.
Kaynak Elektrotları, Elektrot Kolları ve Kollektör Halkaları
Direnç kaynak elektrotları kaynak akımını iletir ve kaynak kuvvetini iletir, bu nedenle malzemenin aynı anda dört gereksinimi karşılaması gerekir: kaynak yapılan iş parçasından daha yüksek iletkenlik ve termal iletkenlik, özellikle yüksek sıcaklıkta yüksek sertlik, alaşım reaksiyonu veya iş parçasına yapışma olmaması ve kullanım sırasında yalıtkan oksit tabakası oluşmaması için iyi oksidasyon direnci.
Seçim kaynak yapılacak malzemeyi takip eder. Alüminyum, magnezyum alaşımları ve bakır alaşımları, gümüş bakır, zirkonyum bakır veya dispersiyonla güçlendirilmiş bakırdan yapılmış elektrotlarla kaynaklanır; burada alümina dispersiyonu çok yüksek bir sıcak mukavemet sağlar. Yumuşak çelik, nikel alaşımları ve düşük alaşımlı çelikler, zirkonyum bakır, krom bakır ve krom-zirkonyum bakır elektrotlarla kaynaklanır. Paslanmaz çelikler ve ısıya dirençli alaşımlar, ilgili yüksek elektrot sıcaklıklarına direnç gösteren yüksek iletkenliğe sahip berilyum bakır ve krom-zirkonyum bakır gerektirir. İş parçasının bakırla kirlenmesinin kabul edilemez olduğu durumlarda, örneğin ince platin, altın veya filaman işlerinde, bunun yerine refrakter metal elektrotlar ve bakır-tungsten kompozitler kullanılır ve kirletici olmayan bir-kontak karşılığında bunların daha düşük iletkenlikleri kabul edilir.
Elektrot destekleri, elektrot kolları ve akım taşıyan kolektör halkaları biraz daha farklı bir göreve sahiptir. Yüksek iletkenliği bir bükülme yükü altında mekanik sertlikle birleştirmeleri gerekir; bu nedenle genellikle çökeltmeyle sertleştirilmiş durumdaki krom bakır veya krom-zirkonyum bakırdan yapılırlar, işlenir ve daha sonra eskitilir, soğutma geçitleri elektrot tutucuyu yumuşama aralığının altında tutacak şekilde düzenlenir. Bir elektrot tutucudaki sertlik kaybı, parça mekanik olarak arızalanmadan çok önce elektrotun yanlış hizalanması ve tutarsız kaynak parçacıkları olarak kendini gösterir.
İletkenler, Kontak Telleri ve Esnek Bağlantılar
Aynı özellik mantığı, izin verilen maksimum sıcaklık artışının seçilen malzemenin yumuşama sıcaklığını asla aşmaması gereken havai ve kontak iletkenleri için de geçerlidir. Gümüş bakır, nadir toprak bakır, kadmiyum bakır ve krom-kadmiyum bakır, her uygulamanın mekanik görevine göre seçilen kablolar, havai iletkenler, iletişim hatları ve kontak telleri için kullanılır: esnek kablolar için iyi esneklik ve kolay birleştirme, havai iletkenler için titreşim ve yorulma direnci ve pantograf veya toplayıcı pabuç altında çalışan kontak telleri için aşınma direnci. İletkenlik ile çok yüksek çekme mukavemetinin bir kombinasyonuna ihtiyaç duyulduğunda, katı bakır alaşımı yerine bakır-kaplı çelik gibi kompozit iletkenler kullanılır.
Cihazlarda, iletişim ekipmanlarında ve elektronik düzeneklerde yön değiştirme anahtarları, yaylar ve konektörler yüksek mukavemet, yüksek elastiklik sınırı ve aşınma, korozyon ve yorulmaya karşı direnç gerektirir. Berilyum bakır, titanyum bakır ve kalay fosfor bronz bu konumların çoğunu kapsar ve bunlar arasındaki seçim gerekli iletkenlik, yay kuvveti ve izin verilen temas direnci düzeyine göre yapılır. Baralar ve güçlü akım bağlantıları ise düz, çekilmiş veya ekstrüde edilmiş durumda yüksek iletkenliğe sahip bakırdan yapılır, direnç açısından test edilir ve sertifikalı bir kimyasal analizle birlikte sunulur.
SSS
S: Motor komütatörleri için neden saf bakır kullanılamaz?
Çünkü komütatörün temas yüzeyi soğuk işlenmiş bakırı yeniden kristalleştirecek kadar sıcaktır. Bu gerçekleştiğinde sertlik ve aşınma direnci düşer, segment kenarı zamanından önce aşınır ve temas alanı değişir, dolayısıyla bunun yerine gümüş bakır, zirkonyum bakır veya krom-zirkonyum bakır gibi daha yüksek yumuşama sıcaklığına sahip bir alaşım kullanılır.
S: Kolektör halkası malzemesi için hangi iletkenlik ve güç gereklidir?
Tipik kabul değerleri, kabaca %85 IACS'ye eşdeğer olan en az yaklaşık 49 MS/m'lik bir iletkenlik, %2'den fazla uzama ile en az yaklaşık 294 MPa'lık bir gerilme mukavemeti ve bileşenin çalışma sıcaklığının üzerinde bir yumuşama sıcaklığı ile birlikte en az yaklaşık 90 HV'lik bir sertliktir.
S: Direnç kaynak elektrotları için hangi bakır alaşımı kullanılır?
Yaklaşık %80 IACS ve yüksek sıcak sertliğe sahip krom bakır ve krom-zirkonyum bakır, çelik ve paslanmaz çelik kaynaklarının çoğunluğunu kapsar. Alüminyum ve magnezyum kaynağında gümüş bakır, zirkonyum bakır veya dispersiyonla güçlendirilmiş bakır kullanılırken,-kirletici olmayan görevde refrakter metal veya bakır-tungsten elektrotlar kullanılır.
S: Kadmiyum bakır neden değiştiriliyor?
Kadmiyum, birçok büyük pazarda tehlikeli madde düzenlemeleri kapsamında kısıtlanmıştır, bu nedenle kadmiyum-içeren bakırın ihracat ürünlerine yerleştirilmesi zor hale gelmiştir. Gümüş içeren ve zirkonyum taşıyan bakırlar, daha iyi düzenleyici kabul ile karşılaştırılabilir iletkenlik sağlar ve ikamenin gerekli yumuşama sıcaklığına göre doğrulanması gerekir.
S: Bakır iletken için yumuşama sıcaklığı ne anlama gelir?
Soğuk işlenmiş veya çökeltmeyle sertleştirilmiş bir bakır alaşımının yeniden kristalleşme veya aşırı yaşlanma nedeniyle gücünü kalıcı olarak kaybetmeye başladığı sıcaklıktır. Bir baranın, kontak kablosunun veya komütatörün izin verilen sıcaklık artışı bu değerin altında kalmalıdır; bu nedenle alaşım seçiminde kalite fiyatı yerine ölçülen çalışma sıcaklığına göre seçim yapılır.
S: Teslim edilen bakır alaşımlı bileşenin iletkenliği nasıl doğrulanır?
ASTM B193 gibi tanınmış bir test yöntemine göre direnç ölçümüyle, normalde kimyasal analiz ve sertlik testiyle birleştirilir. Elektriksel iletkenlik, uluslararası tavlanmış bakır standardının yüzdesi olarak ifade edilir; böylece ölçülen değer, satın alma spesifikasyonundaki kabul limitiyle doğrudan karşılaştırılabilir.
