Какие металлы нельзя соединять
Обновлено: 13.05.2024
Вопрос определения совместимости разных металлов может возникнуть в нескольких случаях. В их числе стоит упомянуть следующие варианты непосредственного контакта:
· совместная работа деталей из разных сплавов в химически агрессивной среде, морской или пресной воде;
· соединение электрических проводников из разных металлов;
· в результате пайки элементов электронных схем и приборов;
· при изготовлении печатных плат и сборке микросхем.
При касании разнородных несовместимых металлов обычно образоваться гальванические пары, вызывающие усиленную коррозию, а воздух, влага и агрессивные среды значительно ускоряют процесс.
Самой известной гальванической парой являются соединения алюминия и меди. Место контакта начинает нагреваться, ускоряя окисление. При этом, чем выше влажность воздуха, тем быстрее произойдет образование окислов. И даже если полного разрушения не произойдет, то окисные пленки, в зависимости от толщины, очень плохо проводят электрический ток или вообще станут изоляторами.
Образовавшиеся в результате контакта окислы несовместимых металлов и сплавов имеют способность к диссоциации. Так называют процесс распада вещества на заряженные ионы. Процесс диссоциации значительно ускоряется при наличии влаги, которая практически всегда присутствует в воздухе. При этом ионы окислов несовместимых металлов создают течение тока, и образуется электролиз. В результате этого процесса ионы не только переносят электрические заряды, но и перемещаются сами. Начинается разрушение самого металла, и в нем образуются раковины и пустоты. В таком состоянии невозможно обеспечить надежный электрический контакт или целостность детали. Мало того, плохой контакт начинает нагреваться. В итоге ситуация еще больше ухудшается, вплоть до момента возгорания в месте контакта.
Информация о стандартах и нормативах
Несовместимые пары металлов не ограничиваются только медью и алюминием. В производстве и монтаже широко используются разные стали, олово, никель, хром, цинк и их сплавы. И некоторые из них так же не могут работать совместно даже при нормальных условиях, не говоря уже о высоких температурах, влажности, морской воде и химически агрессивных средах.
Полная информация о совместимости пар металлов и сплавов приведена в ГОСТ 9.005-72. Однако его таблицы содержать более 1000 вариантов и ориентироваться там довольно сложно. Стандарт содержит три основных таблицы несовместимости металлов в зависимости от условий эксплуатации:
1. для нормальных атмосферных условий;
2. для жестких и очень жестких условий;
3. для работы соединений в морской воде.
Кроме однозначно недопустимых контактов норматив отмечает моменты ограниченно допустимые при средних атмосферных условиях. Что это означает не совсем понятно.
Более простое решение
Чтобы упростить понимание совместимости металла, здесь приведена таблица наиболее часто встречающихся сочетаний, работающих при нормальных (комнатных) атмосферных условиях.
В нее вошли самые распространенные в производстве, монтаже и строительстве материалы.
Совместимость металлов или как избежать гальванической коррозии?
Контактная коррозия происходит при непосредственном контакте двух разнородных металлов. Нельзя, к примеру, соединять алюминиевые листы медной заклепкой, так как при определенных условиях они образуют сильную гальваническую пару.
Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод).
Почти все пары разнородных металлов, находящиеся в контакте между собой, подвержены коррозии, так как даже влага из воздуха может выступить в роли электролита и активировать их электродный потенциал. Но одни пары уязвимы в большей степени, а другие – в меньшей.
Например, алюминий отлично контактирует с оцинкованной сталью, хромом и цинком, а латунь совершенно не «дружит» со сталью, алюминием и цинком. Чтобы узнать, какие металлы совместимы, а какие нет, обратимся к основам химии.
В ряду электрохимической активности металлы стоят в следующей последовательности:
Электрохимический ряд напряжения металлов
Для примера рассмотрим пару алюминий – медь. Алюминий стоит в ряду слева от водорода и имеет электроотрицательный потенциал равный -1.7В, а медь находится справа и имеет положительный потенциал +0.4В. Большая разница потенциалов приводит к разрушению более активного алюминия. Медь сильнее всех, впереди стоящих элементов, поэтому в паре с любым из них она выйдет победителем. Чем дальше друг от друга в ряду стоят элементы, тем выше их несовместимость и вероятность протекания гальванической коррозии.
Данные о совместимости некоторых металлов представлены в таблице:
| Алюминий | Латунь | Бронза | Медь | Оцинкованная сталь | Железо | Свинец | Нержавеющая сталь | Цинк | |
| Алюминий | Д | Н | Н | Н | Д | О | О | Д | Д |
| Медь | Н | О | О | Д | О | Н | О | Н | Н |
| Оцинкованная сталь | Д | О | О | О | Д | О | Д | О | Д |
| Свинец | О | О | О | О | Д | Д | Д | О | Д |
| Нержавеющая сталь | Д | Н | Н | Н | О | О | О | Д | Н |
| Цинк | Д | Н | Н | Н | Д | Н | Д | Н | Д |
Д – абсолютно допустимые контакты (низкий риск ГК);
О – ограничено допустимые контакты (средний риск ГК);
Н – недопустимые контакты (высокий риск ГК).
Приведенная таблица может служить кратким справочником для определения совместимости некоторых конструкционных металлов. Допустимость и недопустимость контактов разнородных в электрохимическом отношении металлов устанавливает ГОСТ 9.005-72.
Пример недопустимых гальванических пар:
Гальваническое действие может возникнуть, если строительную конструкцию из нержавеющей стали скреплять оцинкованными болтами. В этой нежелательной паре пострадает высоко анодный крепеж, поскольку его электроны будут перемещаться в направлении катодной нержавеющей стали. Поэтому, крепежные детали должны быть изготовлены из менее гальванически активного металла, чем материал металлоконструкции.
На скорость течения гальванокоррозии оказывает влияние площадь поверхности анода и катода. Если большой по размеру анод соединить с маленьким катодом, то анод будет ржаветь медленно, а если сделать наоборот, то быстро. Например, используйте болты из нержавеющей стали для крепления алюминия, но не наоборот.
Степень интенсивности протекания контактной коррозии зависит и от условий эксплуатации соединения. В обычных атмосферных условиях процесс будет протекать менее быстро и возрастает в агрессивной электропроводной среде, например, растворах кислот и щелочей. Присутствие в воде других веществ увеличивает проводимость электролита и скорость коррозии. Поэтому при проектировании конструкций важна оценка окружающей среды.
Как защитить конструкцию или узел от контактной коррозии?
Если по конструктивным соображениям невозможно избежать нежелательного контакта разнородных металлов, то можно попытаться уменьшить гальваническую коррозию с помощью следующих методов:
- окраска поверхностей в районе их стыка;
- нанесение совместимых металлических покрытий;
- изоляция соединения от внешней среды;
- электрическая изоляция;
- установка неметаллических прокладок, вставок, шайб в болтовых соединениях.
Практика показывает, что в тех случаях, когда пренебрегают требованиями к допустимости контактов разных металлов, приходится дорого за это расплачиваться. Неправильная компоновка контактных пар выводит из строя узлы крепления, металлоконструкции и может стоять человеческой жизни.
Нержавеющая сталь, это сплав с хромом и никелем в основном, кстати которых в приведенном ряду нет. Хром стоит между цинком и железом (ближе к цинку), никель - после железа. Собственно поэтому непросто говорить про поведение нержавеющих сталей, многое зависит от соотношения содержания этих элементов. Хрома существенно больше, но не знаю, как это влияет на электрохимическую активность (возможно зависимость совсем не линейна, да и разница потенциалов там разная, не симметрично эти металлы относительно железа стоят). Всё ещё пишут про зависимость от количества углерода. Высокоуглеродистые стали и чугуны менее коррозионностойкие.
Алюминий и нержавейка на яхте вместе не живут. Может из за влаги и соли в воздухе, может еще по какой причине но это факт.
Дмитрий, нержавейка-алюминий нежелательный контакт - это ваши догадки?
Нержавейка-алюминий нежелательный контакт, а в таблице стоит ДА .
Очень нужная статья. Только бы побольше вариантов крепления с алюминием в трущейся паре
Болты из алюминия - свежо!
Нержавеющая сталь - это в основном железо. Оно рядом с цинком. Кто там пару создаёт?
В целом очень поверхностная заметка.
Допустимые и недопустимые контакты металлов. Популярные метрические и дюймовые резьбы
Электронику часто называют наукой о контактах. Многие знают, что нельзя скручивать между собой медный и алюминиевый провода. Медная шина заземления или латунная стойка для платы плохо сочетаются с оцинкованными винтиками, купленными в ближайшем строительном супермаркете. Почему? Коррозия может уничтожить электрический контакт, и прибор перестанет работать. Если это защитное заземление корпуса, то прибор продолжит работу, но будет небезопасен. Голая алюминиевая деталь вообще может постепенно превратиться в прах, если к ней приложить даже низковольтное напряжение.
Доступные нам металлы не ограничиваются только медью и алюминием, существуют различные стали, олово, цинк, никель, хром, а также их сплавы. И далеко не все они сочетаются между собой даже в комнатных условиях, не говоря уже о жёстких атмосферных или морской воде.
В советских ГОСТах было написано почти всё о допустимых контактах металлов, но если изучение чёрно-белых таблиц из 1000 ячеек мелким шрифтом утомляет, то правильный ответ на «медный» вопрос — нержавейка, либо никелированная сталь, из которой, кстати, и сделан почти весь «компьютерный» крепёж. В эпоху чёрно-белого телевидения были другие понятия об удобстве интерфейса, поэтому для уважаемых читателей (и для себя заодно) автор приготовил цветную шпаргалку.
И, раз уж зашла речь о металлообработке, заодно автор привёл таблицу с популярными в электронике резьбами и соответствующими свёрлами, отобрав из объёмных источников наиболее релевантное по тематике портала. Не все же здесь слесари и металлурги, экономьте своё время.
Преамбула
Да, в век 3D-печати популярность напильника с лобзиком несколько потускнела. Но клетка Фарадея для РЭА по-прежнему является преимуществом, не забываем и про защитное заземление. Да, для печати корпусов РЭА уже доступен электропроводный (conductive) ABS-пластик, но судя по источнику, его удельное сопротивление примерно в миллион раз больше меди. Дескать, пыль уже не липнет, но для заземления всё равно многовато. Напечатать же стальные детали корпуса ПК в домашних условиях пока никак невозможно, да мы и алюминий-то с оловом никак не освоим…
UPD
Для моддеров, кстати, рынок предлагает новые, удобные инструменты арсенала домашней мастерской, и про один из них (осциллорез) я рассказываю в отдельной публикации. Арсенал принадлежностей прекрасно дополнит более привычные циркулярные мини-пилы (aka «дремели»), а отсутствие эффекта «запрессовки зубьев» упростит обработку вязких металлов типа меди и алюминия. Инструмент лёгкий, не такой неуклюжий и опасный, как «болгарка». Можно пилить металл практически на уровне носа и без риска получить рубящий удар от заклинившего или осколок от «взорвавшегося» диска. А так бывает в красочно описанных уважаемыми читателями случаях с УШМ: 300-граммовый блин «болгарки» делает 200 оборотов в секунду, потребляя до 2кВт электричества, и требует чуть ли не костюм сапёра. Работающий же осциллорез травматологи упирают себе пильной стороной прямо в ладонь, чтобы успокоить пришедшего на снятие гипсовой повязки пациента… Впрочем, вернёмся к нашим металлам.
Допустимые и недопустимые контакты металлов по ГОСТ 9.005-72
DISCLAIMER: Предоставляется «как есть». Если уважаемый читатель занимается моделизмом, автомобилизмом или робототехникой, в ГОСТе также приведены: Таблица №2 для жестких и очень жестких атмосферных условий, Таблица №3 для контактов, находящихся в морской воде. Ниже я предлагаю выдержку из Таблицы №1 для средних атмосферных (т.е. комнатных) условий. Буква «А» означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях», подробности в самом ГОСТе.
Кликабельно (спасибо, НЛО):
Пара слов о металлах
Металлурги, поправляйте, если что не так. Коррозия очень объёмная и сложная тема, и я не претендую на полноту её освещения. Я лишь даю выборочные зарисовки, чтобы сформировать у читателя нужные ассоциативные ряды.
Оцинкованная сталь — основная рабочая лошадка народного хозяйства. В виде различных метизов «оцинковка» встречается в магазинах стройматериалов гораздо больше, чем, например, «премиумная» нержавейка. Фабричные корпуса ПК, технологические ящички и шкафчики для оборудования чаще всего выполнены из оцинкованной холоднокатанной стали толщиной порядка 1мм (чем дешевле корпус, тем тоньше лист). «Оцинковка» достаточно прочна и хорошо проводит ток, в промышленности требуется заземление. Если разрезать корпус, то под слоем краски какого-нибудь унылого RAL7035 будет тончайшее цинковое покрытие, а под ним, скорее всего, та самая углеродистая холоднокатанная сталь. Лично у меня нет причин не доверять ГОСТ 9.005-72, поэтому после колхозинга фабричных изделий вообще не рекомендую делать электрический контакт на месте среза стали, лучше постарайтесь сберечь цинковое покрытие. А порезы и шрамы можно закрасить из балончика того же унылого RAL7035 (только заплати €10 и попробуй его найти ещё). Я пользовался автомобильной эмалью нейтрального белого или чёрного цвета (флакончик с кисточной, €2 в любом автомагазине).
Алюминий и его сплавы бывают анодированные (с защитным слоем) и обычные (неанодированные). Алюминий легко обрабатывать в домашних условиях, но помните о коррозии. Не используйте голый алюминий в качестве проводника даже с низковольтным напряжением, иначе ток медленно обратит деталь в прах. Обработанным в мастерской алюминиевым и дюралюминиевым деталям показана полная эквипотенциальность (наведённые полями токи вроде бы по фиг, заземлять тоже можно). Алюминий совместим с цинковым покрытием, но для контакта с медью, «голой» или никелированной сталью требуется оловянная «прокладка». Ограниченно допустим контакт алюминия с нержавейкой в атмосферных условиях. Для простоты можно принять, что при контакте с другими металлами и покрытиями алюминий будет корродировать сам по себе, без помощи внешнего электричества.
Витая пара из омедненного алюминия (Copper Clad/Coated Aluminium, CCA) — это отдельная история, в домашних условиях кабель всё равно не производится.
Медь мягкая и довольно неаппетитно окисляется на воздухе, поэтому изделия из меди заключают в герметичную оболочку или лакируют. Латунные бляхи солдатских ремней и стойки для электронных печатных плат лучше сопротивляются окислению и выглядят аппетитнее позеленевшей меди, особенно если их периодически полировать (я про бляхи, конечно). При этом ни медь, ни её сплав с цинком (латунь) «не дружат» с чистым цинком и его покрытиями. Зато медь совмещается с хромом, никелем и нержавейкой. А если вы держите в руках какую-нибудь клемму, то она наверняка из лужёной (покрытой оловом) меди.
Олово мягкое, но зато стойкое к коррозии (в комнатных условиях) и электрически совместимое почти со всеми, кроме чугуна, низколегированных и углеродистых сталей, магния. Не стоит паять оловом и бериллий, будьте внимательны при сборке домашнего ядерного реактора. Олово используют, чтобы из недопустимого электрического контакта получить допустимый, т.е. в качестве «прокладки». Клеммы из лужёной меди — отличный пример.
UPD:
На холод изделие выносить нельзя, а при минусовых температурах лучше не эксплуатировать вообще.
Никелем покрыты блестящие «компьютерные» винтики. Такое покрытие совместимо с медью и бронзой, латунью, оловом, хромом и нержавеющей сталью. Никель несовместим с цинком и алюминием (для алюминия лучше контакт с нержавеющей сталью, см. ниже).
Нержавеющая сталь — королева металлов сталей: прочная, пластичная, стойкая к коррозии, электропроводная, круто выглядит. Слишком тугая, чтобы резать и гнуть её дома в промышленных масштабах. Хромистые и хромисто-никелевые нержавейки электрически плохо совместимы с цинком и «голой» сталью, зато дают надёжный контакт с медью без помощи олова. Алюминий, а также азотированная, оксидированная и фосфатированная низколегированная сталь ограниченно совместимы при стандартных атмосферных условиях. Нержавейка марки А2 не «магнитится», но существуют и нержавеющие стали с магнитными свойствами. Магнитные свойства не влияют на коррозионную стойкость нержавеющей стали.
Пара слов про case modding
Популярые виды резьбы, используемой в компьютерной технике
ГОСТ 19257-73 рекомендует использовать следующие диаметры свёрл для металлов. Наверное, стоит учитывать и количество метчиков в наборе: чем твёрже материал, тем больше необходимость в «предварительных» метчиках. У меня их по три штуки, два «грубых» и один «финишный». А как правильно, кстати?
UPD
А как правильно — читайте комментарии, на публикацию-таки зашли мастера слесарного дела, только я не успел отсортировать всю информацию. Пользователь golf2109 любезно принёс сюда прямо из мастерской два правых столбца таблицы для обозначения того, как мягкость (вязкость) металла влияет на диаметр отверстия под резьбу, благодарю за поддержку.
UPD
Если сверлите что-то толще миллиметрового листа, читайте спойлер про СОЖ .
Довольно большое значение и при сверлении, и при нарезании резьб имеет смазка и охлаждение обрабатываемых деталей и инструмента. Настоятельно рекомендую при подаче сверла не спешить и пользоваться техническими жидкостями. Режущая кромка сверла легко перегревается от сухой детали, и получается металлический отпуск. Поверьте, такой отпуск не нужен: он вызывает необратимые изменения в структуре металла и деградацию его прочностных свойств (сверло тупится гораздо быстрее, чем должно). Что делать? Вот несколько советов, которые автор встречал в разных местах.
Не сверлите большим сверлом сразу, разбейте операции примерно по 3мм: т.е. отверстие 10мм сперва проходим 3мм, потом 6мм.
Хорошенько отметьте отверстие керном. Одолжите у ребёнка пластилин, сделайте бортик вокруг планируемого отверстия так, чтобы получился мини-бассейн размером с монету. Если под рукой нет *вообще ничего*, хорошенько смешайте ложку подсолнечного масла с ложкой жидкого мыла и налейте в этот мини-бассейн, хуже не будет. Но если нужно просверлить насквозь, скажем, гирю 16кг, погуглите книгу народных рецептов «сож своими руками». Желаю всем начинающим удачной пенетрации: как говорится, берегите ваши свёрла-метчики смолоду, ведь их ждут новые идеи и интересные изобретения!
Источники
» ГОСТ 9.005-72. Единая система защиты от коррозии и старения. Машины, приборы и другие технические изделия. Допустимые и недопустимые контакты металлов. Общие требования.
» ГОСТ 19257-73. Отверстия под нарезание метрической резьбы. Диаметры.
» Unified Coarse Thread ANSI B1.1 (резьбы UNC ANSI B1.1).
Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 12. Финальная
Последняя часть руководства. Внутри бонусные главы, немного новых фотографий, и главное — pdf с руководством которое можно скачать и поделиться с другом.
Доработки (доступны в pdf версии):
— Добавлены фото деструкции оптического поликарбоната, добавлены фото кварцевого стекла, фото проводящих углеродных композиций в конструкции ПДУ.
— Доработан раздел с изолентами, пришлось подождать посылок, но оно того стоило — теперь это самое полное описание изоляционных лент (добавлена полиэфирная, мастичная, тканевая и другие виды лент).
— Добавлена глава про электрические соединения — с ответом на вопрос почему нельзя.
— Ну и много мелких правок согласно комментариям.
Название я сменил, просто из соображений «легко запомнить-легко гуглить».
Электрические соединения
Популярная шутка говорит о том, что электротехника — это наука о контактах. И две основные неисправности — нет контакта там где он должен быть, и есть контакт там где его быть не должно.
На обложке этого руководства изображена скрутка двух проводов — медного и алюминиевого. Некоторых читателей такое зрелище возмутило, и не без оснований — так делать нельзя. Если попытаться разобраться в причинах этого «нельзя», то можно найти множество дискуссий на эту тему, практически в каждой из которых можно найти довод «всегда так делал, на даче такая скрутка работает уже 100500 лет». К сожалению, понимания причин запрета такой подход не привносит.
В чем же проблема соединить в контакт два произвольных металла? Дело в том, что в силу некоторых причин (о которых ниже) некоторые металлы образуют надежный контакт и работают практически безотказно, а некоторые образуют контакт, который тоже работает, но менее надежен и чаще приносит проблемы. Нужно понимать, что «чаще» не означает, что если вы сделали такое соединение, то оно откажет завтра с вероятностью 100%. Нет, вероятность отказа станет не 0,0001%, а к примеру 0,01%. Все такая же малая, но вас бы не устроила в 100 раз большая вероятность пожара?
Опыт эксплуатации различной техники привел инженеров к выводу, что определенные комбинации металлов обеспечивают приемлемую надежность контакта, а некоторые слишком низкую. Еще раз стоит отметить, что на надежность контакта сильно влияют условия эксплуатации, если соединение находится при постоянной температуре в сухом месте, то оно может быть вполне надежным, даже если пара металлов нежелательная.
Ряд электрохимической активности металлов
Первая причина нарушения контакта которую мы рассмотрим — электрохимическая коррозия. Некоторые из вас помнят со школы ряд активности металлов (неполный):
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Cr Zn Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au
| Металл | Электрохимический потенциал, Вольт |
|---|---|
| Литий (Li) | -3,0401 |
| Калий (K) | -2,931 |
| Барий (Ba) | -2,905 |
| Стронций (Sr) | -2,899 |
| Кальций (Ca) | -2,868 |
| Натрий (Na) | -2,71 |
| Магний (Mg) | -2,372 |
| Алюминий (Al) | -1,700 |
| Марганец (Mn) | -1,185 |
| Хром (Cr) | -0,852 |
| Цинк (Zn) | -0,763 |
| Железо (Fe) | -0,441 |
| Кадмий (Cd) | -0,404 |
| Кобальт (Co) | -0,28 |
| Никель (Ni) | -0,234 |
| Олово (Sn) | -0,141 |
| Свинец (Pb) | -0,126 |
| Водород (H) | 0 |
| Сурьма (Sb) | +0,240 |
| Висмут (Bi) | +0,317 |
| Медь (Cu) | +0,338 |
| Ртуть (Hg) | +0,7973 |
| Серебро (Ag) | +0,799 |
| Палладий (Pd) | +0,98 |
| Платина (Pt) | +0,963 |
| Золото (Au) | +1,691 |
Для инженера этот ряд говорит следующее: В присутствии электролита (вода, влажность воздуха) в паре металлов будет разрушаться тот металл, что в ряду напряженности левее. Чем дальше друг от друга металлы в ряду, тем интенсивнее будет протекать коррозия. На базе
этого явления построена электрохимическая защита металлов, например оцинковка стали. При наличии воды, первым делом разрушается цинковое покрытие, и только после того как оно разрушилось начинается коррозия стали.
В случае электрических контактов, нам важнее не то, какой металл разрушится в паре, они нужны оба, а то, насколько интенсивно будет протекать процесс коррозии. И в этом плане потенциал создаваемый парой алюминий-медь 2,038 В очень большой, его достаточно чтобы разорвать молекулу воды в процессе электролиза! Но если разделить эти два металла стальной оцинкованной пластинкой, то образуется две пары: цинк-алюминий с потенциалом 0,937 В, и цинк-медь, с потенциалом 1,101 В. Это уже не такие большие потенциалы, поэтому процесс коррозии будет протекать медленнее.
Принимая во внимание, что основными металлами для изготовления проводников являются медь и алюминий, то заучивать таблицу и считать потенциалы не требуется, важно только помнить, что непосредственно соединять медь и алюминий в электрический контакт работающий на воздухе нельзя.
Тепловое расширение
Все тела при нагревании расширяются, и металлы не исключение. Для любого материала есть характеристика, такая как «коэффициент теплового расширения тел», который показывает, во сколько раз увеличится размер тела, при нагреве на 1 градус Цельсия. (В различных диапазонах температур значение теплового коэффициента расширения может различаться, кроме того для некоторых анизотропных материалов коэффициент может различаться в разных плоскостях. Для упрощения не будем учитывать эту разницу, воспользовавшись усредненными значениями) Вот небольшая табличка:
| Материал | Тепловой коэффициент расширения α, (1/К) |
|---|---|
| Алюминий | |
| Медь | |
| Сталь | |
| Стекло | |
| Стекло термостойкое (боросиликатное) | |
| Стекло кварцевое | |
| Инвар (сплав) | |
| Платина |
Из этой таблички видно, что соединение из двух материалов при нагревании будет расширяться по разному, провоцируя внутренние напряжения и деформации. Иногда это полезное свойство — оно используется в биметаллических пластинках в терморегуляторах, такие пластинки при нагреве изгибаются и разрывают контакт. Но в деле создания надежного электрического соединения такая разница в величине теплового расширения может ослабить контакт. Если соединение не обладает упругими свойствами, то спустя нескольких циклов нагрева и охлаждения, можно обнаружить что вместо плотного тугого контакта проводник болтается.
Если соединения разных материалов не избежать, то нужно помнить, что такое соединение потенциально может ослабнуть при изменениях температуры, и должно быть обслуживаемым и контролируемым. Замуровать соединение медного и алюминиевого проводника в стенке под слоем штукатурки — плохая идея.
Ползучесть
Некоторые материалы склонны проявлять явление «ползучести», когда к примеру проводник под небольшой механической нагрузкой, не достаточной для пластической деформации, тем не менее деформируется со временем. Величина этого явления зависит от нагрузки и от температуры, характеризуясь очень малой величиной. Пройдут тысячи часов, прежде чем размер тела изменится на доли процента. Тем не менее это явление достаточно важно в обеспечении надежного контакта. Ползучесть, наряду с тепловым расширением вносит вклад в то, что затянутая клемма спустя годы ослабевает и провод в ней болтается.
К сожалению алюминий (чистый) обладает значительно более интенсивной ползучестью, чем медь, что делает электрические контакты с его участием менее надежными и требующими регулярного обслуживания. Это стоит помнить при ремонте и обслуживании проводки из алюминиевого кабеля времен СССР. Производители современных алюминиевых кабелей легируют алюминий в токопроводящей жиле, добиваясь уменьшения ползучести до значений, сопоставимых с медью, пускай и ценой небольшого снижения электропроводности.
Так как же все-таки соединять провода?
Вопрос сложный тем, что ответ зависит от условий работы соединения и однозначно универсального способа нет.
Но про пару алюминий-медь было сказано столько плохого, что я просто обязан дать ответ на вопрос «как их соединять?».
Первый вариант — классический, при помощи стальной пластинки исключая непосредственный контакт меди и алюминия. Стальная пластинка предотвратит интенсивную электрохимическую коррозию (но не избавит от нее совсем), обеспечит приемлемое усилие на площади контакта проводников. Но такое соединение требует регламентных работ по обслуживанию: 1–2 раза в год необходимо проверять усилие затяжки проводников.
Второй вариант. Специализированные пружинные клеммы для алюминиевого проводника. (например клеммники WAGO серии 2273 с пастой). В такой клемме зачищенный проводник всё время прижимается пружинным контактом, предотвращая его ослабление вследствие ползучести.
Паста внутри клеммника предотвращает доступ влаги и воздуха к поверхности алюминия, препятствуя окислению проводника. (Важно отметить, клеммы должны быть качественные, а сечение проводника номинальным. Самолично наблюдал сгоревшие соединения выполненные клеммами, купленными в ближайшем киоске (вероятно поддельными).)
Третий вариант — Медно-алюминиевые гильзы. Этот вид соединения актуален для силовых линий на большие токи с сечением от 10 кв. мм. Медно-алюминиевые гильзы предназначены под опрессовку специальным инструментом. Соединенные в толще металлы обеспечивают надежный контакт большой площади, влага и электрохимическая коррозия могут лишь повредить нежную поверхность гильзы, не нарушив контакт в толще.
И помните, любое силовое электрическое соединение (тем более из разных металлов) должно быть доступно для обслуживания! Замурованная в стену скрутка — залог того, что вас будет вспоминать ремонтная бригада в различных матерных выражениях.
Заключение
Так как установка при написании данного пособия была на минимум брехни, я писал о том, что сам пощупал, использовал, с чем работал. Некоторые темы я не раскрыл, в силу малого опыта (или малого количества собранного материала) в этих областях, но их стоило бы раскрыть. Переписывать бездумно то, что описано в специализированной литературе я не стал, зачем искажать источник? Поэтому, если вы можете что-то рассказать по теме — я буду рад включить ваш текст в руководство.
Данное руководство распространяется свободно, вы можете скачать самую последнюю вер-
сию у меня в блоге совершенно бесплатно. Если вам понравилась моя работа, я буду рад услышать от вас пожелания и предложения, а также замечания и указания на допущенные ошибки.
Где скачать?
→ Руководство на GitHub вместе с исходником текста и фотографиями. Там же pdf с книгой.
→ Домашняя страничка руководства на моем сайте.
Если вы захотите бумажный экземпляр к себе на полку, то его можно приобрести (технология печати по требованию). Это не реклама — я выставил руководство по себестоимости — не заработаю ни копейки. К сожалению в бумажном виде иллюстрации будут черно-белые.
Благодарности
Выражаю признательность Алексею Gall Галахову за ценные дополнения руководства и помощь в верстке руководства.
Talion_amur за предоставленный образец ртутного счетчика времени наработки.
Спасибо всем кто написал комментарии, они дали ценную обратную связь.
Пользуясь случаем хочу передать привет Meklon DIHALT Milfgard lozga superhimik tnenergy BarsMonster — я с удовольствием читаю ваши посты и старался держать планку не ниже.
Ссылки на части руководства:
1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
Так получилось, что у меня параллельно собирается материалы по нескольким темам, какая тема интереснее?
Какие металлы нельзя соединять
20 Ноября 2016
Согласно знаменитой поговорке, "электротехника - наука о контактах".
Любому электромонтажнику известно, что нельзя скручивать между собой медный и алюминиевый провода. Медная шина заземления или латунная стойка для платы плохо сочетаются с оцинкованными винтиками, купленными в ближайшем строительном супермаркете - коррозия может уничтожить электрический контакт. Голая алюминиевая деталь вообще может постепенно превратиться в прах, если к ней приложить даже низковольтное напряжение.
В советских ГОСТах было написано почти всё о допустимых контактах металлов, однако сейчас может быть весьма неудобно искать в старых документах информацию о соединениях. Хабраюзер @teleghost собрал все данные в одной таблице.
Далее приведена выдержка из ГОСТ 9.005-72 для средних атмосферных (т.е. комнатных) условий. Кликабельно.
Буква «А» означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях». Определение данного понятия из ГОСТ под спойлером.
Данные контакты могут применяться в изделиях, конструкционные особенности и эксплуатационные условия которых позволяют периодически возобновлять защиту контактных поверхностей нанесением рабочих или консервационных смазок, лакокрасочных покрытий или при условии допустимости коррозионного поражения контактирующих материалов для назначенного срока службы изделия.
Несколько слов о металлах.
Оцинкованная сталь — основная рабочая лошадка народного хозяйства. В виде различных метизов «оцинковка» встречается в магазинах стройматериалов гораздо чаще, чем, например, нержавейка. Фабричные корпуса ПК, технологические ящички и шкафчики для оборудования чаще всего выполнены из оцинкованной холоднокатанной стали толщиной порядка 1мм.
Нержавеющая сталь — королева сталей: прочная, пластичная, стойкая к коррозии, электропроводная, круто выглядит. Слишком тугая, чтобы резать и гнуть её дома в промышленных масштабах. Хромистые и хромисто-никелевые нержавейки электрически плохо совместимы с цинком и «голой» сталью, зато дают надёжный контакт с медью без помощи олова. Алюминий, а также азотированная, оксидированная и фосфатированная низколегированная сталь ограниченно совместимы при стандартных атмосферных условиях. Нержавейка марки А2 не «магнитится», но существуют и нержавеющие стали с магнитными свойствами. Магнитные свойства не влияют на коррозионную стойкость нержавеющей стали.
Алюминий и его сплавы бывают анодированные (с защитным слоем) и обычные (неанодированные). Алюминий легко обрабатывать в домашних условиях, но необходимо помнить о коррозии. Не используйте голый алюминий в качестве проводника даже с низковольтным напряжением, иначе ток медленно обратит деталь в прах. Обработанным в мастерской алюминиевым и дюралюминиевым деталям показана полная эквипотенциальность (наведённые полями токи вроде бы по фиг, заземлять тоже можно). Алюминий совместим с цинковым покрытием, но для контакта с медью, «голой» или никелированной сталью требуется оловянная «прокладка». Ограниченно допустим контакт алюминия с нержавейкой в атмосферных условиях. Для простоты можно принять, что при контакте с другими металлами и покрытиями алюминий будет корродировать сам по себе, без помощи внешнего электричества.
Олово относительно стойко к коррозии (в комнатных условиях) и электрически совместимое почти со всем, кроме чугуна, низколегированных и углеродистых сталей и магния. Не стоит паять оловом и бериллий, будьте внимательны при сборке домашнего ядерного реактора. Олово используют, чтобы из недопустимого электрического контакта получить допустимый, т.е. в качестве «прокладки». Клеммы из лужёной меди — отличный пример.
Не следует использовать олово при низких температурах - с прошлого века известна т.н. «оловянная чума» - полиморфное превращение т. н. "белого олова" в "серое" (b-Sn → a-Sn), при котором металл рассыпается в серый порошок. Причина разрушения состоит в резком увеличении удельного объёма металла (плотность b-Sn больше, чем a-Sn). Переход облегчается при контакте олова с частицами a-Sn и распространяется подобно "болезни". Наибольшую скорость распространения оловянная чума имеет при температуре —33°С; свинец и многие др. примеси её задерживают. В результате разрушения "чумой" паянных оловом сосудов с жидким топливом в 1912 погибла экспедиция Р. Скотта к Южному полюсу.
Оловянная чума (распад олова при низких температурах).
Особенности коррозионной агрессивности неметаллов. Приложение 3б к ГОСТ 9.005-72:
Читайте также: