Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Transkript

1 Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc., Doc. Ing. Karel Liedermann, CSc. Doc. Ing. Josef Jirák, CSc., Ing. Svatopluk Havlíček, CSc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D., Ing. Zdenka Rozsívalová Elektrotechnické materiály a výrobní procesy Vysoké učení technické v Brně 2011

2 Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/ s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

3 2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obsah 1 ÚVOD VODIVÉ A ODPOROVÉ MATERIÁLY STRUKTURA A VLASTNOSTI KOVŮ KOVOVÉ MATERIÁLY PRO ELEKTROTECHNIKU AMORFNÍ KOVOVÉ MATERIÁLY ZPRACOVÁNÍ KOVŮ Tváření kovů Svařování Pájení Výroba drátů POVRCHOVÉ ÚPRAVY KOVOVÝCH MATERIÁLŮ MAGNETICKÉ MATERIÁLY STRUKTURA A VLASTNOSTI FERO- A FERIMAGNETIK FERO- A FERIMAGNETICKÉ MATERIÁLY SPECIÁLNÍ MAGNETICKÉ MATERIÁLY POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY NEROVNOVÁŽNÉ STAVY KONCENTRACE NOSIČŮ PROUDU Doba života minoritních nosičů Povrchová rekombinace Mechanismus rekombinace PŘECHOD PN Elektrostatické řešení přechodu PN Ideální voltampérová charakteristika PN přechodu MIS (MOS) STRUKTURA C-V charakteristika struktury MIS (MOS) Vliv frekvence na charakteristiku C-V VÝROBA INTEGROVANÝCH OBVODŮ Czochralského (CZ) metoda přípravy monokrystalu Příprava polovodičových desek Zpracování polovodičových desek výroba integrovaných obvodů DIELEKTRICKÉ MATERIÁLY STRUKTURA A VLASTNOSTI IZOLANTŮ Fyzikální jevy v izolantech Zvláštní polarizační jevy Struktura křemičitanů Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek KLASIFIKACE IZOLANTŮ PŘÍRODNÍ ANORGANICKÉ IZOLANTY Azbestové izolanty Slídové izolanty ANORGANICKÁ SKLA Křemičitá skla Halogenidová a chalkogenidová skla Speciální skla

4 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy Skelně krystalické materiály KERAMICKÉ MATERIÁLY Klasifikace keramiky Křemičitá keramika Jednokomponentní keramika Kondenzátorová keramika Speciální keramika PLASTY Klasifikace plastů Termoplasty Reaktoplasty Teplovzdorné plasty Speciální úpravy plastů Aplikační kategorie plastů Plastikářské technologie Likvidace odpadů plastů ELASTOMERY Elastomery na přírodní bázi Syntetické elastomery Termoplastické eleastomery PŘÍRODNÍ ORGANICKÉ TUHÉ IZOLANTY Asfalty, bitumeny Vosky Přírodní pryskyřice Izolanty na bázi celulózy KOMPOZITY Klasifikace kompozitů Kompozity v elektrotechnice Kompozity v silovém poli LAKY A KOMPAUNDY Elektroizolační laky Kompaundy KAPALNÉ A PLYNNÉ IZOLANTY Kapalné izolanty Plyny v elektrotechnice SPECIÁLNÍ VÝROBNÍ PROCESY ELEKTRONOVÉ PROCESY Úvod Přeměna energie v místě působení svazku Zdroje e1ektronového svazku Využití e1ektronových svazků v technologii Kontrolní otázky a příklady k podkapitole I0NT0VÉ PR0CESY Zdroje iontů Iontová imp1antace Iontové naprašování Iontové 1eptání Kontrolní otázky a příklady k podkapitole RENTGENOVÉ PROCESY

5 4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Vznik a vlastnosti rentgenového záření Radiační technologie Rentgenová litografie Kontrolní otázky a příklady k podkapitole JADERNÉ PROCESY Kontrolní otázky a příklady k podkapitole LASEROVÉ PROCESY Úvod Teoretické základy činnosti laserů Některé aplikace laserů Kontrolní otázky a příklady k podkapitole ULTRAAKUSTICKÉ PROCESY Úvod Fyzikální základy ultraakustiky Zdroje ultrazvuku Využití účinků ultrazvuku Kontrolní otázky a příklady k podkapitole ELEKTROEROZÍVNÍ PROCESY Úvod Proces elektroeroze Metody generování elektrických impulsů Použití elektroerozivních procesů SHRNUTÍ KAPITOLY DODATKY VÝSLEDKY PŘÍKLADŮ A TESTŮ Kapitola SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

6 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 5 Seznam obrázků OBRÁZEK 2.1 PLAMENNÁ PEC OBRÁZEK 2.2 KONTINUÁLNÍ PEC OBRÁZEK 2.3 VYSOKOFREKVENČNÍ OHŘEV OBRÁZEK 2.4 VÁLCE OBRÁZEK 2.5 POSTUP PŘI KOVÁNÍ V ZÁPUSTCE OBRÁZEK 2.6 LISOVACÍ NÁSTROJE OBRÁZEK 2.7 JEDNODUCHÉ STŘIHADLO OBRÁZEK 2.8 POSTUPOVÉ STŘIHADLO OBRÁZEK 2.9 POSTUPOVÉ PROSTŘIHOVÁNÍ TRANSFORMÁTOROVÝCH PLECHŮ OBRÁZEK 2.12 TAŽENÍ OBRÁZEK 2.13 ZPŮSOBY SVAŘOVÁNÍ OBRÁZEK 2.14 SVAŘOVÁNÍ V OCHRANNÉ ATMOSFÉŘE OXIDU UHLIČITÉHO METODA MAG24 OBRÁZEK SVAŘOVÁNÍ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM OBALENOU ELEKTRODOU OBRÁZEK ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ OBRÁZEK BODOVÉ SVAŘOVÁNÍ OBRÁZEK SVAŘOVÁNÍ TLAKEM ZA STUDENA OBRÁZEK 2.19 PODSTATA ELEKTROCHEMICKÉHO PROCESU OBRÁZEK 2.20 M ECHANISMY KOROZE OBRÁZEK 4.1 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM OBRÁZEK 4.2 POKLES KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PRO RŮZNÉ DOBY ŽIVOTA MENŠINOVÝCH NOSIČŮ Τ P OBRÁZEK 4.3 OBRÁZEK 4.4 OBRÁZEK 4.5 OBRÁZEK 4.6 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI NA PLOŠE X = KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI NA PLOŠE PRO X = 0 S RŮZNOU POVRCHOVOU REKOMBINAČNÍ RYCHLOSTÍ S P KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI S VYSOKOU POVRCHOVOU REKOMBINAČNÍ RYCHLOSTÍ S P NA PLOŠE PRO X = 0 PRO TŘI RŮZNÉ DIFÚZNÍ DÉLKY NOSIČŮ L P KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI GENERACI NA POVRCHU PRO X = 0 A OBJEMOVÉ REKOMBINACI PRO RŮZNÉ DIFÚZNÍ DÉLKY MINORITNÍCH NOSIČŮ L P OBRÁZEK 4.7 JEDNOROZMĚRNÝ MODEL PŘECHODU PN S PRŮBĚHEM KONCENTRACÍ DONORŮ, AKCEPTORŮ, VĚTŠINOVÝCH A MENŠINOVÝCH NOSIČŮ OBRÁZEK 4.8 ELEKTROSTATICKÉ ŘEŠENÍ STRMÉHO PŘECHODU PN OBRÁZEK 4.9 KVALITATIVNÍ VYSVĚTLENÍ USMĚRŇOVACÍHO JEVU NA PŘECHODU PN OBRÁZEK 4.10 IDEÁLNÍ VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA PŘECHODU PN OBRÁZEK 4.11 ŘEZ STRUKTUROU MIS (MOS) OBRÁZEK 4.12 OBRÁZEK 4.13 OBRÁZEK 4.14 PÁSOVÉ DIAGRAMY, ROZLOŽENÍ NÁBOJE A NÁHRADNÍ SCHÉMA STRUKTURY MIS ZÁVISLOST ŠÍŘKY OCHUZENÉ OBLASTI NA KONCENTRACI PŘÍMĚSÍ V POLOVODIČI C-V CHARAKTERISTIKA STRUKTURY MIS S POLOVODIČEM P TYPU A VLIV FREKVENCE MĚŘICÍHO SIGNÁLU NA C-V CHARAKTERISTIKU... 53

7 6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně OBRÁZEK 4.15 C ZOCHRALSKÉHO METODA TAŽENÍ MONOKRYSTALU KŘEMÍKU OBRÁZEK 4.16 POLOVODIČOVÉ DESKY S FAZETOU URČUJÍCÍ KRYSTALOGRAFICKOU ORIENTACI A TYP VODIVOSTI OBRÁZEK 4.17 VÝROBA NPN BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU OBRÁZEK 4.18 PROCES PŘENOSU OBRAZCŮ NA POVRCH DESKY OBRÁZEK 4.19 IZOTROPNÍ A ANIZOTROPNÍ LEPTACÍ PROCES OBRÁZEK 4.20 KONCENTRAČNÍ PROFIL PŘÍMĚSI OBRÁZEK 4.21 KONCENTRAČNÍ PROFIL PŘÍMĚSI PŘI IONTOVÉ IMPLANTACI OBRÁZEK 4.22 VLEPENÝ A KONTAKTOVANÝ ČIP V PODLOŽCE POUZDRA OBRÁZEK 5.1 NABÍJENÍ VAKUOVÉHO A TECHNICKÉHO KONDENZÁTORU OBRÁZEK 5.2 MODEL LORENTZOVY KOULE OBRÁZEK 5.3 MODEL DVOJITÉ POTENCIÁLOVÉ JÁMY OBRÁZEK 5.4 ZÁVISLOST ε = F(ε ) PODLE HAVRILIAKA A NEGAMIHO OBRÁZEK 5.5 OSTRŮVKOVÉ A SKUPINOVÉ STRUKTURY KŘEMIČITANŮ OBRÁZEK 5.6 ZMĚNA OBJEMU PŘI TUHNUTÍ KAPALINY S KRYSTALIZACÍ (F) A PŘI TVORBĚ SKLA (B) OBRÁZEK 5.7 NUKLEAČNÍ A KRYSTALIZAČNÍ PROCES SKLOTVORNÉ LÁTKY OBRÁZEK 5.8 STRUKTURA KŘEMENNÉHO A KŘEMIČITÉHO SKLA (ROVINNÝ ŘEZ) OBRÁZEK 5.9 KMITOČTOVÁ ZÁVISLOST TG δ OBRÁZEK 5.10 MATRIČNÍ (A) A STATISTICKÁ (B) SLOŽENÁ SOUSTAVA (V ŘEZU) OBRÁZEK 5.11 KOMPOZITY S ANIZOTROPNÍMI VLASTNOSTMI OBRÁZEK 6.1 JEVY V OBLASTI DOPADU ELEKTRONOVÉHO SVAZKU NA OBJEKT OBRÁZEK 6.2 ZÁVISLOST POMĚRU VÝKONU ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ K VÝKONU DOPADAJÍCÍHO SVAZKU ELEKTRONŮ NA ATOMOVÉM ČÍSLE PŘI KOLMÉM DOPADU SVAZKU NA POVRCH OBJEKTU OBRÁZEK 6.3 NEJDŮLEŽITĚJŠÍ PROCESY ELEKTRONOVÉ TECHNOLOGIE A JEJICH ZÁKLADNÍ PARAMETRY OBRÁZEK 6.4 ZÁKLADNÍ KONSTRUKCE KATOD OBRÁZEK 6.5 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA ZDROJE ELEKTRONOVÉHO SVAZKU SE STUDENOU KATODOU OBRÁZEK 6.6 USPOŘÁDÁNÍ ELEKTRONOVÉ TRYSKY S TERMICKOU KATODOU OBRÁZEK 6.7 PRINCIP ODPAŘOVACÍHO ZAŘÍZENÍ ELEKTRONOVÝM SVAZKEM OBRÁZEK 6.8 ODPAŘOVACÍ SYSTÉMY OBRÁZEK 6.9 USPOŘÁDÁNÍ PRO NAPAŘOVÁNÍ OBRÁZEK 6.10 PRINCIP ZAŘÍZENÍ PRO TAVENÍ POMOCÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU OBRÁZEK 6.11 PROTAVOVÁNÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU DO MATERIÁLU PŘI RŮZNÝCH HODNOTÁCH PLOŠNÉ HUSTOTY VÝKONU OBRÁZEK 6.12 SIDENIŮV ZDROJ IONTŮ OBRÁZEK 6.13 FREEMANŮV ZDROJ IONTŮ OBRÁZEK 6.14 KAUFMANŮV ZDROJ IONTŮ OBRÁZEK 6.15 ZÁKLADNÍ TYPY SUCHÉHO LEPTÁNÍ OBRÁZEK 6.16 TYPICKÁ ZÁVISLOST INTENZITY RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ NA VLNOVÉ DÉLCE OBRÁZEK 6.17 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA RENTGENOVÉHO LITOGRAFU OBRÁZEK 6.18 TYPICKÁ KONSTRUKCE MASKY PRO RENTGENOVOU LITOGRAFII OBRÁZEK 6.19 REZISTY PRO RENTGENOVOU A ELEKTRONOVOU LITOGRAFII OBRÁZEK 6.20 TŘÍHLADINOVÝ LASEROVÝ SYSTÉM OBRÁZEK 6.21 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V TUHÉ FÁZI OBRÁZEK 6.22 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V PLYNNÉ FÁZI OBRÁZEK 6.23 REZONANČNÍ SYSTÉM LASERU

8 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 7 OBRÁZEK 6.24 SYSTÉM GTL LASERU S PŘEDIONIZACÍ - METODA SAGE OBRÁZEK 6.25 METODA SKLÁDÁNÍ SVAZKŮ TŘÍ LASERŮ K DOSAŽENÍ VELKÉHO VÝKONU OBRÁZEK 6.26 POUŽÍVANÉ SYSTÉMY ZRCADEL V REZONÁTORU VÝKONOVÝCH LASERŮ OBRÁZEK 6.27 LASEROVÁ HLAVICE OBRÁZEK 6.28 ODRAZ A LOM AKUSTICKÉ VLNY NA ROZHRANÍ RŮZNÝCH LÁTEK OBRÁZEK 6.29 KOLMÝ DOPAD ULTRAZVUKOVÉ VLNY NA ROZHRANÍ DVOU PROSTŘEDÍ OBRÁZEK 6.30 OKÉNKOVÝ MAGNETOSTRIKČNÍ MĚNIČ OBRÁZEK 6.31 PRŮBĚH DEFORMACE V MAGNETOSTRIKČNÍM MĚNIČI OBRÁZEK 6.32 ZÁVISLOST DEFORMACE LÁTKY NA INTENZITĚ ELEKTRICKÉHO POLE OBRÁZEK 6.33 PIEZOELEKTRICKÉ ULTRAZVUKOVÉ MĚNIČE OBRÁZEK 6.34 OBOUSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ OBRÁZEK 6.35 JEDNOSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ OBRÁZEK 6.36 MĚNIČ TYPU "SANDWICHE" OBRÁZEK 6.37 PRŮBĚH DEFORMACE V KERAMICE NAMÁHANÉ STŘÍDAVÝM ELASTICKÝM NAPĚTÍM A) BEZ PŘEDPĚTÍ B) S TLAKOVÝM PŘEDPĚTÍM OBRÁZEK 6.38 NEJJEDNODUŠŠÍ PROVEDENÍ AKUSTICKÉHO TRANSFORMÁTORU OBRÁZEK 6.39 PRINCIP ULTRAZVUKOVÉHO VRTÁNÍ OBRÁZEK 6.40 PRINCIP SVAŘOVÁNÍ PLASTŮ OBRÁZEK 6.42 ULTRAZVUKOVÉ KONTAKTOVÁNÍ OBRÁZEK 6.43 CHARAKTERISTIKA ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ OBRÁZEK 6.44 TVARY ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ OBRÁZEK 6.45 BLOKOVÉ SCHÉMA NEZÁVISLÉHO GENERÁTORU IMPULSŮ OBRÁZEK 6.46 NĚKTERÉ TYPY IMPULSNÍCH GENERÁTORŮ OBRÁZEK 6.47 PRINCIP METODY ELEKTROJISKROVÉHO ŘEZÁNI MATERIÁLU POMOCÍ DRÁTOVÉ ELEKTRODY OBRÁZEK 6.48 PŘÍKLADY ELEKTROEROZÍVNÍHO OPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ

9 8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Seznam tabulek TABULKA 2.1 POROVNÁNÍ VYBRANÝCH APROTICKÝCH ROZPOUŠTĚDEL A VODY TABULKA 4.1 PARAMETRY TYPICKÉ POLOVODIČOVÉ DESKY TABULKA 5.1 KOMBINACE VLASTNOSTÍ SKELNĚ KRYSTALICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH APLIKACE TABULKA 5.2 VYBRANÉ VLASTNOSTI JEDNOKOMPONENTNÍCH KERAMIK TABULKA 5.3 VELIČINY V ELEKTRICKÝCH, MAGNETICKÝCH, TEPELNÝCH A DIFÚZNÍCH POLÍCH TABULKA 6.1 PŘÍKLADY VYUŽITÍ TERMIC KÉHO OBRÁBĚNÍ TABULKA 6.2 LASEROVÉ LEPTACÍ TECHNOLOGIE TABULKA 6.3 PŘEHLED ULTRAZVUKOVÝCH MĚNIČŮ TABULKA 6.4 POMĚRNÁ OBROBITELNOST KOVŮ

10 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 9 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Studijní program: Studium: Studijní obor: Název předmětu: Garantující ústav: Garant: Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika Bakalářské Mikroelektronika a technologie Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (BEMV) Elektrotechnologie Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. Rozsah předmětu: 4/3 (91 hod), z toho: přednášky 52 hod Kredity: 8 cvičení 39 hod P N L C O hod kredit garant UETE Anotace: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (BEMV) 2B1 P 7/8 zk - UETE Materiály v elektrotechnice; složení, struktura, výroba a použití. Plasty, sklo, keramika a sklokeramika; druhy, vlastnosti, zpracovatelské technologie. Kompozity. Kovy; klasifikace a vlastnosti. Zpracování kovů, výroba vodičů a fólií. Polovodičové materiály; klasifikace, vlastnosti, aplikační oblasti. Příprava polovodičových materiálů a základních polovodičových struktur. Povrchové úpravy, laky a spojování materiálů. Svazkové, radiační, elektroerozivní, ultraakustické a další významné výrobní procesy. Osnova přednášek: 1. Materiály v elektrotechnice - složení, struktura, klasifikace, použití. Řízení vlastností materiálů. Kompozity. 2. Organické a anorganické izolanty, dielektrika. Plasty, elastomery, slídové výrobky, sklo, keramika (silikátová, oxidová, bezkyslíkatá), sklokeramika, tvrdé materiály. 3. Plastikářské technologie. Výroba a opracování anorganických nekovových materiálů. 4. Kovové materiály. Klasifikace, vlastnosti, použití. Materiály s fero- a ferimagnetickými vlastnostmi. Slinuté materiály. 5. Zpracování kovů. Výroba drátů a fólií. Výroba kabelů a vodičů. Výroba materiálů pro plošné spoje. 6. Polovodičové materiály - klasifikace, struktura, složení, vlastnosti. 7. Polovodičové materiály - vlastnosti a aplikační možnosti. Příprava polovodičových materiálů. 8. Výroba základních polovodičových struktur. 9. Povrchové úpravy, laky, spojování materiálů. 10. Elektronové procesy, účinky elektronového svazku a jeho využití. Iontové procesy. 11. Rentgenové procesy. Radiační technologie. Jaderné procesy. 12. Laserové procesy, rozdělení laserů, vlastnosti a některé aplikace laserů. 13. Ultraakustické procesy, zdroje ultrazvuku, využití účinků ultrazvuku. Elektroerozivní procesy a jejich použití.

11 10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 1 Úvod Skripta Elektrotechnické materiály a výrobní procesy jsou určena především studentům 2. ročníku oboru Mikroelektronika a technologie bakalářského studijního programu Elektrotechnika, elektronika a komunikační technika Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, ale i všem, kdo chtějí získat základní poznatkynejen o materiálech, jejich složení, vlastnostech, aplikacích, ale také o technologích jejich přípravy a zpracování. Jsou zpracována jako učební text podporující a doplňující výuku přednášené látky povinného předmětu Elektrotechnické materiály a výrobní procesy. V částech popisujících Elektrotechnické materiály navazuje učební text na poznatky získané v části Materiály v elektrotechnice povinného předmětu Materiály a technická dokumentace, zařazeného v 1. ročníku bakalářského studijního programu. Jednotlivé skupiny materiálů jsou studentům přiblíženy, jak co se týče složení, struktury a vlastností, tak i přehledem a rozdělením materiálů v jednotlivých skupinách a jejich praktickými aplikacemi. V částech týkajících se oblasti Výrobní procesy, se kterou se studenti setkávajíve výuce poprvé, je učební text, zaměřen na nezytný teoretický rozbor, zejména však na praktické aplikace důležitých fyzikálních a fyzikálně-chemických procesů. Každá kapitola je doplněna souborem kontrolních otázek, řešených a neřešených příkladů ověřujících získané znalosti studentů. Učební text je doplněn seznamem literatury, z níž bylo čerpáno při psaní tohoto studijního textu, případně pomocí níž může čtenář dále prohlubovat a rozšiřovat znalosti v té části, která jej zajímá nebo kde informace uvedené ve skriptu jsou pouze přehledové.

12 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 11 2 Vodivé a odporové materiály 2.1 Struktura a vlastnosti kovů Odkaz Elektronické texty Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 1.1 Základní údaje o stavbě látky 1.3 Stavba molekul 1.4 Krystalické a amorfní tuhé látky 2.1 Kovy v elektrickém a magnetickém poli 2.2 Kovové materiály pro elektrotechniku Odkaz Elektronické texty Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 2.2 Kovy a jejich slitiny 2.3 Odporové kovové materiály 2.4 Kovy v elektrických obvodech 2.5 Elektrotechnický uhlík 2.3 Amorfní kovové materiály Amorfní kovy (kovová skla) - skupina slitin kovového charakteru s vnitřní reálně nekrystalickou (reálně amorfní, skelnou) strukturou. Rentgenograficky lze prokázat pravidelné uspořádání atomů kovů na krátké vzdálenosti, pravidelnost na dlouhé vzdálenosti však chybí. Zpravidla se považují za přechlazené kapaliny, obdobně jako v případě křemičitých (silikátových) skel. Mezi oběma skupinami látek však existují podstatné rozdíly: v druhu chemické vazby (u amorfních kovů - vazba kovová, u křemičitých skel - přechodná vazba mezi kovalentní a iontovou), v rozdílu hustoty v krystalickém a skelném stavu (hustota taveného křemene je o 20 % menší než u krystalického křemene, amorfní kovy mají hustotu pouze o 1-2 % menší než u stejné látky po rekrystalizaci). Důsledkem kovové vazby je dobrá elektrická vodivost a tvárnost. Rezistivita je na úrovni známých odporových slitin, např. chromniklu. Řada amorfních kovů vykazuje feromagnetické vlastnosti (malá koercitivní síla, pravoúhlá hysterezní smyčka, nízké ztráty, velká permeabilita, značná magnetostrikce). Významnou je také odolnost vůči korozi. Připravují se většinou ochlazováním taveniny velmi vysokými rychlostmi (řádově 10 6 K s -1 ) ve tvaru tenkého pásku, lze je však získat i napařováním, naprašováním, resp. elektrolytickým nanášením.

13 12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Slitiny určené pro technologii ochlazování kapaliny jsou tvořeny nejméně jedním druhem přechodového, resp. vzácného kovu (Fe, Ni, Co, Mn, Zr, La, Pt, Pd) a jednoho polokovu (C, N, B, Si, P). Častěji se připravují tří-, čtyř- či pětisložkové slitiny, přičemž obsah kovových prvků představuje % hm. Použití v elektrotechnice: distribuční transformátory, točivé stroje, pulzní transformátory, magnetické zesilovače, záznamové a čtecí hlavy pro magnetický záznam, laditelné zpožďovací linky, ohebné stínicí tkaniny a rohože, stínění kabelů, čidla teploty, tlaku, deformace, polohy, zrychlení. 2.4 Zpracování kovů Tváření kovů Neustálý pokrok ve strojírenství přináší stále nové, přesnější, výkonnější a hospodárnější způsoby výroby polotovarů. Objem obráběných polotovarů se stále zmenšuje a obrábění není někdy ani nutné. Mezi tyto způsoby patří především tváření, kterého se dnes používá stále častěji, neboť patří k nejproduktivnějším oborům technologie zpracování kovů a nekovů. Dnes si již neumíme představit sériovou a hromadnou výrobu automobilů, letadel, elektrických strojů a přístrojů apod. bez použití součástí vyrobených tvářením. Je to metoda s vysokou produktivitou a hospodárností, a tedy s velkou perspektivou. Výrobky jsou přesné, pevné a lehké. Využití materiálu je velmi hospodárné, s nejmenším odpadem. Při obrábění odpadá průměrně 50 %, při tváření jen asi 5 až 10 % materiálu. Výkonnost strojního zařízení je velká. Výrobní pochody se mohou velmi dobře mechanizovat, takže se podstatně snižují výrobní náklady Základní pojmy Při tváření se působením vnějších sil mění tvar, aniž by se porušila celistvost materiálu, tzn., že částice materiálu se pouze trvale přemísťují. Toto přemístění je umožněno kovovou vazbou atomů, která zůstává zachována, probíhá-li tváření za optimálních podmínek (teplota a deformace materiálu). K tváření se proto hodí materiál s nízkou mezí pružnosti (aby nebylo zapotřebí velké síly) a vysokou pevností, tj. materiál tvárný (plastický). Kromě ocelí se tváří i neželezné kovy, popř. některé nekovové materiály. Tváření se děje buď působením klidných sil (válcováním, lisováním apod.), nebo rázy (kováním, nýtováním apod.), a to za studena nebo za tepla. Tvářením za studena se kovy zpevňují. Čím větší je stupeň přetváření, tím větší je zpevnění. Tvářením za studena se zvyšuje mez průtažnosti, pevnost v tahu a tvrdost, ale zmenšuje se houževnatost. Zpracování není v celém průřezu zcela rovnoměrné, vznikají nebezpečná vnitřní napětí, která mohou porušit materiál. Při tváření za tepla se ohřevem zmenšuje pevnost a houževnatost materiálu, a tím se zlepšuje jeho tvárnost. Struktura je jemnější a rovnoměrnější. Ocel se ohřívá na teplotu 250 až 300 C pod solidem. Této teplotě se říká teplota tváření. Nejnižší teplota, při níž je ještě možno tvářet, je u podeutektoidních ocelí teplota Ac 3, u nadeutektoidních teplota Ac 1. Rozhodující pro vlastnosti tvářené oceli je hlavně teplota konečná, čili teplota, při níž se tváření ukončilo. Tváření má být dokončováno při teplotě asi 50 C nad Ac 3 nebo Ac 1, kdy

14 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 13 má ocel nejjemnější strukturu a největší pevnost při velké houževnatosti. Tváření pod teplotou Ac 3 nebo Ac 1 je vlastně tváření oceli za studena, to znamená, že se ocel zpevňuje. Není-li tváření při této teplotě ještě skončeno, je nutno předmět znovu přiměřeně ohřát, tzv. tváření na jedno, dvě i více ohřátí. Tvářet se má pokud možno s nejmenším počtem ohřátí, protože se každým ohřevem část ohřívaného materiálu přemění v oxid železa. Zoxidovaný povrch materiálu se při tváření odlupuje v šupinách, kterým se říká okuje. Tím vznikají ztráty opalem, které činí při jednom ohřevu asi 3 až 5 %. Materiál určený k tváření se ohřívá v pecích různého provedení a velikosti. Nejčastěji jsou to pece plamenné, průchozí (kontinuální), nebo elektrické indukční. Hutní polotovary Tyto polotovary jsou jedním z nejpoužívanějších druhů polotovarů ve strojírenství. Vyrábějí se přímo v hutích a jsou normalizovány v různých profilech o různé rozměrové a geometrické přesnosti. Válcované polotovary Válcování je tváření kovů rotujícími válci, mezi něž je materiál vtahován a zároveň je stlačován a prodlužován. Válcuje se za studena a za tepla. Válce (hladké nebo ka1ibrované), jsou uloženy ve stojanech a s příslušenstvím tvoří válcovací stolici. Práce se zpravidla nedokončí v jedné válcovací stolici, a proto jsou válcovací stolice uspořádány buď vedle sebe, nebo za sebou a tvoří tak válcovací trať. Podle velikosti předvalků a vývalků, které se na jednotlivých tratích vyrábějí, jsou těžké, hrubé, střední a jemné tratě. Obrázek 2.1 Plamenná pec Obrázek 2.2 Kontinuální pec Obrázek 2.3 Vysokofrekvenční ohřev Obrázek 2.4 Válce

15 14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně a) hladké, b) kalibrované Podle počtu válců a způsobů práce jsou válcovací stolice dvouválcové (dua), tříválcové (tria), univerzální aj. Žádaného průřezu vývalku se dosáhne postupně, buď přibližováním válců, nebo změnou kalibru (tj. díry mezi tvarovými povrchy válců). Kromě těchto základních typů se stavějí ještě další válcovací tratě k různým účelům. Válcováním vznikne z ingotu nejdříve předvalek (polotovar) na předválcovacích stolicích. Z těchto předvalků se pak vyrobí na doválcovacích zařízeních konečný výrobek - vývalek, tj. tyčový a profilový materiál, plechy aj. Tažené polotovary Výchozí polotovar (tyč, drát apod.) se protahuje (kalibruje) průvlakem (kalibrem) z kalené oceli, slinutého karbidu nebo diamantu. Tažené profily jsou velmi přesné (h9, hl1), takže se nemusí dále obrábět. Používají se hlavně v sériové a hromadné výrobě při výrobě součástí na revolverových soustruzích a automatech. Dráty do průměru 5 mm se táhnou nepřetržitě na bubnových tažecích strojích - drátotazích. Žádané tloušťky drátu se dosáhne postupným protahováním stále menšími průvlaky. Několikerým tažením drát ztvrdne a zkřehne a nelze jej dál táhnout. Musí se proto po určitém počtu tahů normalizačně žíhat. Výroba trubek Trubky se vyrábějí z materiálů kovových (ocelí, litin, neželezných kovů) i nekovových (plastů). Litinové trubky se vyrábějí litím na stojato nebo odstředivým litím. Ocelové trubky jsou buď svařované (švové), nebo bezešvé. Svařované trubky se vyrábějí z pásové oceli. Okraje se svaří na tupo, přeplátováním nebo ve šroubovici. Jakost svařovaných trubek se rozvojem výrobní technologie (svařování) zlepšuje. Proto dnes v mnoha odvětvích nahrazují svařované trubky dražší trubky bezešvé. Bezešvé trubky se používají tam, kde nestačí pevnost trubek svařovaných. Nejčastěji se vyrábějí Mannesmannovým způsobem, tj. válcováním vývalku mezi dvěma válci s mimoběžnými osami a se stejným smyslem otáčení; kromě otáčení vzniká ještě šroubovitý posuv. Tím, že na vývalek působí jednosměrný tlak, vzniká v jeho středu velké tahové napětí, které porušuje materiál a ve vývalku tak vzniká dutina. K vytvoření dutiny není tedy zapotřebí trnu. Pokud se používá, tak jen proto, aby se usnadnilo vytvoření hladké dutiny. Tímto způsobem se vytvářejí krátké tlustostěnné trubky, které se pak zpracovávají na potřebnou tloušťku válcováním. Volba a použiti hutních polotovarů Normalizované hutni polotovary patří k nejlevnějším druhům polotovarů. Je to zejména válcovaný i tažený tyčový materiál. Jeho normalizované rozměry jsou odstupňovány v řadě velikostí. Při volbě rozměru polotovaru se volí nejbližší rozměr, který je větší, než je průměr součásti zvětšený o přídavek na obrábění. To vede mnohdy k neúměrnému odpadu třísek (zvlášť nevýhodné u legovaných materiálů). Proto tam, kde vyhovuje přesnost rozměrů a jakost povrchu tažených polotovarů, volí se raději ty. V sériové výrobě bude mnohdy výhodnější volit jako polotovar zápustkový výkovek.

16 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 15 Tváření kovů za tepla Nejvíce používaný způsob tváření za tepla je kování. Kováním se dává materiálu vhodný tvar buď údery (rázy) kladiva či beranů bucharů, nebo klidným tlakem lisů. Dosahuje se tak lepších mechanických vlastností, jemnější a stejnoměrnější struktury. Kování je volné nebo v zápustkách, ková se ručně nebo strojně. Při volném kování může materiál tvářený údery nebo tlakem "volně téci", hlavně ve směru kolmém k působení síly. Při kování v zápustkách je materiál vtlačován údery nebo tlakem do kovové formy (zápustky). Strojní kováni Strojní kování ulehčuje těžkou práci dělníka, zrychluje a zproduktivňuje výrobu malých a středních výkovků a umožňuje výrobu těžkých výkovků, na které lidská síla nestačí. Materiál se ková na různých tvářecích strojích, z nichž nejdůležitější jsou buchary a lisy. Buchary působí na tvářený materiál údery (rázy), ale prokovou jej jen do určité hloubky. Hospodárně lze kovat středně velké výkovky, popř. předkovky. Předkovky se dále kovou v zápustkách na požadovaný tvar výkovku. Při úderech beranu bucharu odpadávají z tvářeného materiálu okuje, a proto je povrch výkovku čistý. Rázy se však přenášejí do základů stroje a působí otřesy i v okolí. Lisy působí na tvářený materiál klidným tlakem a prokovou materiál v celém průřezu. Kovou se na nich i nejtěžší výkovky. Práce na lisech je bezpečnější než na bucharech. Volné strojní kováni. Je v podstatě stejné jako kování ruční. Tímto způsobem se vyrábějí velké hřídele turbogenerátorů, ojnice apod. Předměty se vykovou jen zhruba a hrubé výkovky se pak obrábějí na přesný tvar na obráběcích strojích. Kovářská práce závisí na řemeslné zručnosti a zkušenosti kováře. Je zdlouhavá a drahá. Zápustkové kování. Zápustka je ocelová dvoudílná forma, jejíž obě poloviny vytvářejí dutinu, odpovídající vnějšímu tvaru výkovku. Ohřátý materiál se vloží do zápustky a působí se na něj silou tvářecího stroje. Materiál postupně vyplňuje zápustku, až vyplní celou její dutinu. Při kování na bucharu je zápustková dutina vyplňována postupně během několika úderů beranu bucharu. Při kování na lisech je tvar výkovku zhotoven v průběhu jednoho zdvihu. Přebytečný kov je vytlačen do stran a vytváří výronek, nebo uprostřed blánu, které se Obrázek 2.5 Postup při kování v zápustce

17 16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně odstraní ostřižením. Výkovky ze zápustek jsou velmi jakostní, mají přesný tvar, takže se buď nemusí obrábět, nebo se obrábějí jen zčásti. Průběh vláken materiálu sleduje obrys výkovku. Výroba zápustky je však drahá, a proto se tento způsob hodí jen pro sériovou a hromadnou výrobu. Výkovky nelze vždy vykovat v jedné zápustce. Někdy se musí nejdříve předkovat v předběžné (předkovací) zápustce a dokončí se v zápustce dokončovací. Takovým zápustkám se říká postupové zápustky. Obrázek 2.6 Lisovací nástroje a) jednoduché, b) postupové, c) sloučené

18 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 17 Tváření (lisování) kovů za studena Tvářením za studena (tzv. lisovací technika) se uskutečňuje trvalá změna tvaru výchozího materiálu bez odběru třísek působením vnější síly; podle převládajícího průběhu deformace je tváření plošné a objemové. Plošným tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti (převážně z plechu) bez podstatné změny průřezu nebo tloušťky výchozího materiálu. Mechanické vlastnosti se nemění. Objemovým tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti změnou průřezu nebo tvaru výchozího materiálu. Objem se nemění, ale materiál se zpevňuje a současně klesá jeho tažnost. Tím je omezen počet tvářecích operací. Lisování za studena se rozšířilo pro své mnohé přednosti (velká výkonnost, nízké výrobní náklady, malé ztráty materiálu odpadem a příznivé podmínky pro automatizaci), prokázané praxí v moderní průmyslové výrobě. Základní práce při lisování jsou stříhání (oddělování materiálu) a tvářeni (přemísťování materiálu). Stříhání je postup tváření, při kterém je materiál postupně nebo současně oddělován v celém průřezu. Tváření je mechanické zpracování materiálu přemísťováním jeho částic tahem nebo tlakem bez porušení jeho soudržnosti. Podle potřeby převládá tah nebo tlak. Stříhání Tímto způsobem se vytvářejí rozmanité polotovary nebo výrobky z plechu nebo pásů. Stříhá se nůžkami nebo střihacími nástroji - střihadly. Tyto nástroje se vyrábějí v různém provedení a velikostech, podle druhu výrobků a použité technologie. Ke stříhání plechu rovnými střihy se používají tabulové nůžky. Nestříhá se celá šířka plechu najednou, ale jen určitá část, jejíž velikost je pro daný úhel sklonu a druh nůžek stálá. Střihadla. Hlavní částí střihadla je střižník a střižnice. Materiál se vkládá mezi střižník a střižnici a je veden vodícími lištami. Jeho posuv (krok) mezi jednotlivými zdvihy Obrázek 2.7 Jednoduché střihadlo Obrázek 2.8 Postupové střihadlo

19 18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně zajišťujícími správný chod nástroje, jako např. ústrojí (části) upevňovací, posuvové, vyhazovací aj. Jednoduché střihadlo je určeno pro vystřihování jednoduchých tvarů - výstřižků z pásu plechu. Poloha pásu při stříhání je zajištěna pevným koncovým dorazem. Před dalším vystřižením se pás posune o hodnotu kroku k. Postupové střihad1o zhotovuje výstřižky postupně. V prvním kroku je to děrování, v dalším vystřižení tvaru (obvodu) výstřižku. K vymezení správné polohy pásu pro jeho umístění v nástroji se pro děrování použije tzv. načínací doraz. V dalším průběhu práce je Obrázek 2.9 Postupové prostřihování transformátorových plechů poloha pásu zajištěna pevným koncovým dorazem. Sloučené střihad1o. Při jednom pracovním zdvihu nástroje je ve stejné poloze pásu děrován a vystřihován hotový výstřižek. Sdružené střihad1o sdružuje ve dvou krocích různé pracovní úkony, jako např. děrování, stříhání a ohýbání. Ohýbání Ohýbání je způsob tváření materiálu, při němž se vytváří ostré nebo oblé hrany. Je to proces pružně plastické deformace, která má různý průběh od povrchu materiálu k neutrální ose. Při ohybu jsou napětí v krajních vláknech materiálu opačného smyslu (tah, tlak). Kolem střední části průřezu ohýbaného materiálu jsou tahová napětí malá, v přechodu mezi tímto pásmem jsou vlákna bez napětí a bez deformace. Jejich spojnice tvoří tzv. neutrální osu (plochu), v níž není napětí a která se při ohýbání ani neprodlouží, ani nezkrátí. Neutrální osa (vlákno) je v ohýbané části materiálu posunuta k vnitřní straně ohybu. Není tedy totožná s těžištní osou ohýbaného materiálu (profilu). U tenkých plechů není tento rozdíl patrný. Při ohýbání tlustých plechů se však musí s touto okolností počítat. Z délky neutrální osy v ohýbaných částech a z délky rovných úseků se určuje rozvinutá délka polotovaru před ohybem. Vypočítaná délka se ověřuje praktickou zkouškou.

20 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 19 Obrázek 2.10 Přetváření materiálu při ohybu Zpětné odpružení ohýbaných součástí (výlisků) je způsobeno zejména vlivem pružné deformace materiálu. Velikost úhlu odpružení závisí na tvárnosti materiálu, na poloměru ohybu a způsobu ohýbání (bývá 3 až 15 ). Proto se materiál ohýbá navíc o úhel odpružení. Ka1ibrací nebo prolisy výlisků se vliv odpružení téměř odstraní. Nástroj pro ohýbání je ohýbadlo, výrobkem je výlisek. Hlavní částí ohýbadla je ohybník a ohybnice (pohyblivá a pevná čelist). Podle druhu ohybu dělíme ohýbadla na ohýbání do tvaru V, U apod. Osa ohybu má být kolmá na směr vláken materiálu vzniklých při válcování plechu (tzv. ohyb napříč vláken, obr. 109). Odpružení materiálu je sice větší, ale není nebezpečí vzniku trhlin na vnější straně ohybu. Poloměr ohybu se volí se zřetelem na odpružení materiálu co nejmenší, se zřetelem na tvárnost a tloušťku ohýbaného materiálu co největší. Zakružování a lemování Zakružování se používá při výrobě válcových nebo kuželových plášťů nádob, kotlů apod., a to i z tlustších plechů (kolem 30 mm). Stroje používané pro tuto tvářecí operaci se nazývají zakružovad1a. Jsou buď tříválcová nebo víceválcová. Jejich konstrukce provedení je závislá na tloušťce zpracovávaného plechu. Lemování je vytváření podélných žlábků uprostřed nebo na okraji plechu, aby se zvětšila tuhost plechových výlisků. Tažení Při tažení je rovný plech (přístřih, výstřižek) tvářen v dutou polozavřenou nádobu rotačních i nerotačních tvarů. Výtažky se většinou již neupravují. Proto má tažení velký

21 20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obrázek 2.11 Sdružený postupový nástroj na tažení z pásu Obrázek 2.12 Tažení a) bez přidržovače, b) s přidržovačem význam, zvláště v sériové a hromadné výrobě. Tvářený plech musí mít dostatečnou tažnost. Rozměry přístřihu se určují z podmínky stálosti objemu (početně, graficky nebo přibližně, zkusmo). Objem výtažku je roven objemu přístřihu (platí všeobecně). Nástrojem pro tažení je tažid1o, výrobkem výtažek. Hlavní části tažidla jsou tažník, (pohyblivá část) a tažnice (pevná část), popř. přidržovač (přidržuje plech k tažnici). Má-li se z přístřihu vytáhnout např. válcová nádoba, musí se přebytečný materiál přemístit, tzn. vytáhnout ve směru poloměru a zároveň ve směru obvodu stlačit. Jinak by se zvětšovala tloušťka nebo by se materiál zv1nil. To se při tažení tenkého plechu stává, tvoří se přehyby materiálu a při zvětšení odporu se utrhne dno. Tomu se zabrání přidržením materiálu zvláštní deskou - přidržovačem. Mezi přidržovačem a horní plochou tažnice se vytvoří mezera, v níž může přístřih klouzat, ale nemůže se vlnit. Při zpětném pohybu tažníku má přidržovač funkci stírače. Tažení mělkých nádob z tlustších plechů se může provádět bez přidržovače. Hlubší a složitější nádoby se nemohou vyrobit na jeden tah, ale postupným tažením. K tažení se používají většinou mechanické lisy, které jsou vybaveny zařízením k ovládání přidržovače a k vyvození tažné síly na tažníku. Jsou to tzv. dvojčinné lisy (lis s beranem přidržovače a beranem tažníku). Sdružené tažidlo sdružuje operace stříhání a tažení. Protlačování Při protlačování za studena je výchozí polotovar podroben tlaku průtlačníku a průtlačnice. V polotovaru vzniká tlak (až 3000 MPa), který dosáhne hodnoty přetvárného

22 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 21 odporu (materiál se chová jako by byl tekutý). Tvářený materiál se přemísťuje a směr jeho pohybu je určen konstrukcí nástroje - protlačovadla. Získaný výrobek se nazývá protlaček. Podle směru pohybu tvářeného materiálu vzhledem k pohybu průtlačníku je protlačování dopředné, zpětné a sdružené. Vzhledem k velikosti přetvárných odporů jsou k protlačování vhodné materiály s tažností větší než 50%, např. oceli s obsahem uhlíku do 0,2%. Tímto způsobem se zpracovává také olovo, cín, měď, hliník a jejich slitiny. Polotovary k protlačování mohou mít tvar plných i dutých špalíků, prstenců apod. Jejich objem a objem protlačku je stejný. Většinou se žíhají na měkko a vniklé okuje se odstraňují omíláním nebo otryskáváním. Povrch ocelových polotovarů se fosfátuje, aby se snížilo tření a přetvárný odpor při protlačování. Protlačování ocelí i neželezných kovů se používá zejména v elektrotechnice, elektronice a v automobilovém průmyslu. Protlačky jsou duté a trubkovité součásti s tenkými stěnami různého průřezu. Jejich rozměry jsou přesné s minimálními přídavky na obrábění. Dosažitelná (hospodárná) přesnost protlačků je v rozmezí IT 8 až IT 10, což vyžaduje lisy s velkou tuhostí a přesností. Jednotlivé způsoby protlačování mají podle možných tvarů protlačků své optimální oblasti použití. Hluboké nádoby z hliníku lze vyrábět protlačováním i tažením. Výroba protlačováním je hospodárnější Svařování Svařováním se vytváří pevné a nerozebíratelné spojení kovových částí do jednoho dílu, který se nazývá svařenec. Tyto části jsou většinou z hutních polotovarů (tyče, pásy, plechy aj.), někdy také z výkovků a odlitků. Výhodou tohoto spojení je těsnost, trvanlivost a velká pevnost. Svařování zvyšuje produktivitu práce, zmenšuje spotřebu materiálu, zjednodušuje konstrukci, podstatně zkracuje výrobní časy a umožňuje rychlou realizaci konstrukčních návrhů. Nevýhodou je nerozebíratelnost spojů, potřeba kvalifikovaných dělníků, změna struktury i mechanických vlastností svarového spoje, vznik vnitřních pnutí a deformací. Svařování se používá téměř ve všech výrobních oborech při výrobě nových strojů a konstrukcí i při opravách. Svařované součásti často nahrazují odlitky a výkovky zejména velkých a složitých součástí (jsou až o 50 % lehčí). Také zavádění moderních způsobů svařování má mimořádný význam pro zvyšování produktivity práce. Svařování působením tepla (tavné) Při tomto způsobu svařování vzniká spoj místním natavením svarových ploch základního materiálu, aniž by se použilo tlaku nebo rázů. Obvykle se ještě používá přídavného materiálu stejného nebo podobného složení, jako má základní materiál. Svařování plamenem Zdrojem tepla je plamen, který vzniká spalováním směsi hořlavého plynu, většinou acetylénu s kyslíkem. Místo acetylénu se používá i jiných plynů, jako vodíku, propanu aj. Svařovací plamen se nejčastěji posuzuje podle poměru mísení plynů. Svařovací souprava se skládá z lahví s lahvovými a redukčními ventily, hadic, hořáků a příslušenství. Všechna tato zařízení mohou být různé konstrukce, vždy však schválené inspektorátem bezpečnosti práce. Pro materiály tloušťky větší než 1,5 mm se používá k vyplnění spáry, tj. k vytvoření housenky přídavný materiál - svařovací drát. Jeho tloušťka je od 1 do 8 mm. Pouze litinové tyčinky mají tloušťku až 15 mm.

23 22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Oxidaci roztaveného kovu zabraňují tavidla. Tvoří s roztaveným kovem vrstvu ochranné strusky, která brání přístupu vzdušného kyslíku, a tím i vzniku těžko tavitelných oxidů (při svařování některých neželezných kovů). Příprava materiálu pro svařování plamenem Svarové plochy se zbaví nečistot, barvy, rzi aj. Svarové plochy se upravují podle tloušťky materiálu tak, aby bylo zajištěno dokonalé provaření. Správná poloha součástí během svařování se zajistí nastehováním, mechanickým upnutím nebo jiným způsobem. Obrázek 2.13 Způsoby svařování a) doleva (dopředu), b) doprava (dozadu) Způsoby svařování Podle polohy hořáku, svařovacího drátu a postupu při svařování se rozeznává levosměrný způsob (doleva, dopředu) a pravosměrný způsob (doprava, dozadu) svařování. Svařovat se může v poloze vodorovné, svislé nebo nad hlavou. Pro snazší svařování (v nejvhodnější poloze) se používá různých svařovacích přípravků (polohovadel). Svařování plamenem se používá v kusové a malosériové výrobě, v opravárenství pro svařování ocelí do tloušťky 5 mm, litiny a pro navařování. Pro velkou pracnost je u větších tlouštěk nahrazeno svařováním elektrickým obloukem, zejména svařováním v CO 2. Tenké plechy se často svařují elektricky odporově (svařování bodové, švové). Svařování elektrickým obloukem V dnešní době je to nejpoužívanější způsob tavného svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který vznikne mezi elektrodou a svařovaným materiálem (nebo mezi dvěma elektrodami), jestliže je zapojíme na vhodný zdroj elektrického proudu. Teplem elektrického oblouku dojde k místnímu natavení a ke spojení (svaření) svařovaných součástí. Při svařování se používá stejnosměrného nebo střídavého proudu o napětí 10 až 70 V a intenzitě 30 až 500 A, popř. i více. Proto se proud ke svařování nemůže odebírat přímo ze sítě (230 nebo 400 V). Zdrojem stejnosměrného proudu jsou točivé svařovací agregáty (např. Triodyn K 220, K 230) a usměrňovače (např. SM 200, 502, KM 350, WTS 500), zdrojem střídavého proudu jsou svařovací transformátory (např. TR 260, 350). Elektrody mohou být netavné nebo tavné. Netavné elektrody (uhlíkové, wolframové) slouží jen jako prostředek k vytvoření oblouku a neposkytují svarový kov. Tavné elektrody mají zpravidla stejné nebo podobné složení jako svařovaný materiál, teplem oblouku se odtavují a dodávají do svaru přídavný (svarový) kov. Mohou být holé nebo obalené.

24 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 23 Holé elektrody se používají pouze při svařování v ochranné atmosféře nebo svařování pod tavidlem. Obalené elektrody se používají jak pro proud stejnosměrný, tak střídavý. Polarita elektrody závisí na druhu jejího obalu. Účelem obalu je stabilizovat oblouk, chránit svarový kov před přístupem vzduchu, zpomalit chladnutí svaru vytvořenou struskou, popř. dodat do tavné lázně některé přísadové prvky (Cr, Ni, Mo, V aj.). Rozhodující vliv na jakost svaru má při ručním svařování průměr elektrody, svařovací proud, délka oblouku a rychlost svařování. Průměr elektrody se volí podle tloušťky svařovaného materiálu, tvaru, rozměru a polohy svaru, druhu obalu a podle velikosti svařovacího proudu. Snaha po zvýšení produktivity ručního svařování vedla k výrobě speciálních druhů elektrod. Jsou to zejména elektrody větších průměrů, hlubokozávarové a vysokovýkonné (vysokovýtěžkové) elektrody. Svařování obalenou elektrodou. Teplem oblouku se taví svařovaný materiál, kovové jádro elektrody i obal. Struska vytvořená z obalu chrání odtavované kapky kovu před škodlivými účinky vzduchu tím, že jednak kapky kovu obaluje (usadí se na nich ve formě strusky) a jednak vytváří plynovou clonu, která zabraňuje přístupu vzduchu (kyslíku, dusíku) k nim. Svařuje se nejčastěji ručně, ve všech polohách. Svařování pod tavidlem Elektroda (holý svařovací drát) je odvíjena z bubnu a podávána do místa svaru, které bylo předtím pokryto vrstvou zrněného anorganického tavidla. Svařuje se nejčastěji automaticky stejnosměrným i střídavým proudem. Stejnosměrného proudu se používá pro tenké plechy, protože zajišťuje i při nízké intenzitě dostatečnou stabilitu elektrického oblouku. Hlavní předností této metody je velká produktivita (proti ručnímu svařování až 5x vyšší, oblouk neozařuje okolí, metalurgické reakce mezi svarovým kovem a aktivní (natavenou) částí tavidla příznivě ovlivňují jakost svaru. Teplo oblouku je soustředěno do úzkého pásma, takže lze svařit plech až 15 mm oboustranně bez úkosů. Svařovat se dá i dvěma elektrodami, použije-li se automat s dvojitou hlavou. Zvýší se tím rychlost a produktivita svařování. Svařování pod tavidlem je vhodné pro svařování nízkolegovaných konstrukčních ocelí. Mechanické vlastnosti svaru vyhovují nejvyšším požadavkům. Touto metodou se svařují důležité konstrukce (např.mosty, kotlové pláště) tupými nebo koutovými svary. Tloušťka svařovaných částí může být 2 až 200 mm. Svařování v ochranném plynu Jinou možností ochrany svarového kovu před účinky okolní atmosféry je obklopení oblouku a nataveného kovu umělou atmosférou, vytvořenou vhodným ochranným plynem. Podle použitého plynu se rozlišují i způsoby svařování. Svařováni v ochranné atmosféře oxidu uhličitého, metoda MAG (Metal Aktiv Gas) Elektrický oblouk hoří mezi kovovou elektrodou (holý drát o průměru 0,8 až 2,4 mm) a svařovaným materiálem v atmosféře CO 2. Plyn musí mít čistotu alespoň 99,5 %. Při tomto poloautomatickém nebo automatickém způsobu se svařuje výhradně proudem stejnosměrným při kladné polaritě elektrody. Výhodou je nízká cena plynu, velká odtavovací rychlost elektrody, možnost svařovat i navařovat a velká produktivita. Hluboký závar umožňuje

25 24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr Svařování v ochranné atmosféře oxidu uhličitého metoda MAG svařovat plechy do tloušťky 12 mm bez úkosů. Při svařování v CO 2 lze přivádět současně s plynem magnetické tavidlo. Účinkem svařovacího proudu je zmagnetizován drát, na jehož Obr Svařování elektrickým obloukem obalenou elektrodou povrchu se tavidlo zachytí. Tavidlo zvyšuje stabilitu elektrického oblouku a chrání svar vrstvou strusky. Svařování s magnetickým tavidlem se používá pro materiály do tloušťky 3 mm. Svařováni v argonu netavnou elektrodou, metoda WIG (Wolfram Inert Gas) Elektrický oblouk hoří mezi wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem v proudu netečného plynu argonu. Argon chrání svarový kov před přístupem vzduchu a zvyšuje stabilitu oblouku, protože má nízké ionizační napětí. Svařuje se zpravidla ručně, střídavým nebo stejnosměrným proudem. Zapojí-li se elektroda na kladný pól (obrácená polarita), dopadají kladně nabité ionty argonu na povrchovou vrstvu oxidu, kterou rozrušují a tím i čistí. Závar je mělký a široký, elektroda tlustá. Při zapojení elektrody na záporný pól (přímá polarita), nemá argon čisticí účinek. Závar je úzký a hluboký, elektroda tenká. Při zapojení na střídavý proud se k čištění argonem využívá kladné půlperiody. Druh zapojení se volí podle velikosti a druhu oxidové vrstvy na svařovaném materiálu. Metody WIG se používá s úspěchem pro svařování korozivzdorných a žáropevných ocelí, lehkých kovů a jejich slitin, mosazí a niklu.

26 Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 25 Svařování působením tepla a tlaku Teplem natavené stykové plochy jsou k sobě současně přitlačovány tak, že dojde k jejich svaření. Z metalurgického hlediska je lhostejné, jaký zdroj tepla se použije. Volí se takový, který v praxi nejlépe vyhovuje. Elektrické odporové svařování Svařovaným materiálem protéká v místě spoje elektrický proud. V tomto místě je nejmenší přechodový odpor, materiál se ohřeje na teplotu tavení a tlakem se spojí (svaří). Vzhledem k nízkým hodnotám pracovního napětí (0,5 až 20 V) a elektrického odporu (součásti krátké a masivní), se musí použít vysokých proudů (až přes 105 A). Potřebné množství tepla pro svařování se získá buď působením vysokých proudů v krátkém čase (tzv. tvrdý režim), nebo působením nižších proudů po delší dobu (tzv. měkký režim). U moderních svářeček se dává přednost tvrdému režimu. Odporové svařování se používá v kusové i sériové výrobě. Jeho výhoda je v možnosti Obr Odporové svařování mechanizace a automatizace. Každá odporová svářečka má dvě části: elektrickou a mechanickou. Elektrická část se skládá ze svařovacího transformátoru a slouží k ohřevu materiálu na teplotu svařování. Mechanická část se skládá z upínacího a přítlačného zařízení. Všechny odporové svářečky pracují tak, že nejprve sevřou svařované součásti dosedacím tlakem a teprve potom se do elektrod vpustí svařovací proud. Po svaření se nejdříve přeruší přívod svařovacího proudu a potom přestane působit dosedací tlak. Svařování stykové Střídavý proud se přivádí ze sítě na svorky primárního vinutí transformátoru. V sekundární cívce se indukuje proud o napětí 1 až 12 V. Svařuje se nejčastěji odtavovacím způsobem. Stykové plochy nemusí být pečlivě očištěny a upraveny, protože nerovnosti se odstraní odtavením. Součásti se k sobě přitlačí a vlivem přechodového odporu se okolí stykových ploch ohřeje na odtavovací teplotu. Po zažehnutí oblouku nastává vlastní odtavování, ze svarových ploch srší proud jisker (ochrana proti oxidaci spoje). Protože materiál ubývá, musí se součásti k sobě přibližovat. V další fázi se součásti (bez přerušení jiskření) k sobě přitlačí a svaří. Přitlačením se ještě odstraní zbylé nečistoty a vytvoří se charakteristický otřep. Svar má velmi dobrou jakost.

27 26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Svařování bodové Součásti se přeplátují a sevřou mezi dvě elektrody. Potom se zapne elektrický proud. Obr Bodové svařování Roztavení a svaření nastane ve stykových plochách obou součástí, v místě nejmenšího přechodového odporu. Jakmile je svar hotov, svařovací obvod se automaticky vypne. Svar tuhne dále pod tlakem, takže je zabráněno vzniku staženin. Elektrody jsou z mědi nebo jejích slitin. Uvnitř jsou chlazeny vodou. Vlivem chladicího účinku má svar jemnozrnnou strukturu. K časovému omezování proudů se používá elektromagnetických stykačů (do 0,1 s) nebo elektronických prvků. Svařovací tlak i proud jsou v určité časové závislosti. Moderní svařovací stroje mají programovací řízení, které umožňuje složitější svařovací cykly. Svařování švové Švové svařování je obdobou bodového svařování. Elektrody chlazené vodou, mají tvar kotouče.lze jimi svařovat průběžně. Plechy do tloušťky 1 mm se svařují nepřerušovaným Obr Svařování tlakem za studena střídavým proudem (za 1 s vznikne 100 proudových impulsů, čili 100 svarů). Plechy větších tlouštěk se svařují proudem přerušovaným. Svary mohou být přeplátované nebo tupé. Svařování působením tlaku za studena Podstata metody záleží v přitlačení spojovaných součástí na vzdálenost odpovídající řádově parametru jejich krystalové mřížky. Ke svaření dojde vlivem difůze, při níž se ve stykových plochách vytvoří vazby mezi hraničními mřížkami.