CC BY
45
УДК 666.293
ПРИМЕНЕНИЕ СИЛИКАТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОКАЛИНООБРАЗОВАНИЯ МЕДНЫХ ИНДУКТОРОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
© 2010 г. Е.А. Яценко
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Разработан способ выбора составов стекол в системе MeI2O - MeIIO - B2O3 - Al2O3 - SiO2, где Me1 -щелочной, Me11 - щелочноземельный металлы для разработки эмалей для индукторов путем модифицирования композиций с использованием результатов измерения электрических свойств, плавкости и ТКЛР. Разработаны стекла для эмалирования медных индукторов состава, масс. %: SiO2 45,8 - 40, 0; B2O317,2 - 15,4; CaO 3,60 - 6,86; BaO 4,81 - 9,14; Al2O3 6,0 - 10,0; Na2O 12,19 - 13,39; K2O 8,06 - 8,86 X= 20,25 - 22,25.
Ключевые слова: эмаль; медные индукторы; электроизоляционные свойства; диэлектрические характеристики; электрическая прочность.
In system MeI2O - MenO - B2O3 - Al2O3 - SiO2, where Me1 - alkaline, Me11 - alkaline ground metals the way of a choice of structures of glasses is developed for working out of enamels for inductors by modifying of compositions with use of results of measurement of electric properties, fusibility and ТКЛР. Glasses for enamel copper inductors structure, weights are developed. %: SiO2 45,8 - 40, 0; B2O317,2 - 15,4; CaO 3,60 6,86; BaO 4,81 - 9,14; Al2O3 6,0 - 10,0; Na2O 12,19 13,39; K2O 8,06 - 8,86 X = 20,25 - 22,25.
Keywords: enamel; copper inductors; isolating an electricity properties; dielectric characteristics; electric durability.
Проблема повышения эффективности использования металла и качества изделий из него всегда являлась и является чрезвычайно актуальной. Практически все технологические операции в машиностроении, такие как закалка, нормализация, горячая обработка давлением, отпуск, поковка и др., связаны с нагревом металла до высоких температур, при которых изделия покрываются слоем окалины, происходит газонасыщение поверхности металла. То же самое происходит в узлах высокочастотной нагревательной аппаратуры, в частности в индукторах. Индуктор представляет собой цилиндрическую однослойную катушку, витки которой уложены в виде спирали, является основным элементом печи, создающим электромагнитное поле, индуцирующее ток, который нагревает детали. Он должен обеспечивать концентрацию электромагнитного поля в малом объеме и выдерживать большие токовые нагрузки. Для обеспечения минимальных электрических потерь в индукторе необходимо соблюдение следующих условий: материал индуктора должен обладать малым удельным сопротивлением и должен быть немагнитным. В индукторах, как правило, используются цветные металлы, чаще всего медь. При эксплуатации индуктора вследствие окисления меди при высоких температурах имеют место значительные потери дефицитного и дорогостоящего металла. Так, до 10 % меди уходит в брак только в виде окалины металла при высокотемпературном нагреве. Кроме того, медные индукторы могут подвергаться
воздействию агрессивных газов, что также приводит к ее коррозии. В связи с этим разработка различных способов защиты дорогостоящих цветных металлов в индукторах от высокотемпературной и газовой коррозии является актуальной.
Одним из способов решения этой задачи является использование в настоящее время различных защитных электроизоляционных полимерных покрытий. Преимуществом их является простота технологии нанесения, хорошая адгезия к металлу, высокие газонепроницаемость и термостойкость. Однако они имеют низкую жаростойкость и быстро разрушаются при перегревах с выделением токсичных веществ, имеют низкую абразивную стойкость. Существующий также способ защиты меди путем обработки ее поверхности растворами солей, эмульсий не обеспечивает необходимой термостойкости и газонепроницаемости.
Эффективным способом защиты металлов от высокотемпературной коррозии является нанесение на их поверхность различных оксидных неорганических жаростойких покрытий, а именно цементных, керамических и стеклокомпозиционных. Некоторые вопросы синтеза таких покрытий для цветных металлов и их сплавов освещены в работах Г.И. Журавлева, Н.М. Павлушкина, С.С. Солнцева, В.В. Варгина, Л.Л. Брагиной и др. Однако оксидные покрытия также имеют существенные недостатки. Так, керамические покрытия требуют слишком высоких (> 1000 оС) температур термообработки при нанесении на медь.
Главным недостатком цементных покрытий является снижение механической прочности и как следствие повышение газопроницаемости в процессе эксплуатации при высоких температурах в результате процессов спекания и протекания реакций силикатообразования, сопровождающихся большой усадкой с отслаиванием и образованием трещин.
Одним из возможных способов защиты меди от высокотемпературной коррозии являются стеклоэма-левые покрытия, благодаря более высокой газонепроницаемости стекол. Кроме того, такие покрытия могут быть нанесены при значительно более низких, чем керамические, температурах при высоких значениях жаростойкости, термостойкости и удельного сопротивления. В процессе службы эти покрытия не подвергаются окислению и пассивны почти к любым газам.
Известно, что медь можно эмалировать обычными покровными эмалями для листовой стали [1]. Однако такие эмали не удовлетворяют целому комплексу свойств, предъявляемых к покрытиям, которые используются для защиты медных индукторов. Стекло-эмали для медных индукторов должны отвечать следующим требованиям:
- жаростойкость - не менее 400 оС;
- высокое удельное сопротивление при рабочих (~ 400 оС) температурах на частоте 103 Гц: р= 1012 -1013 Ом-см
- температура наплавления эмалей должна быть в пределах 800 - 900 оС;
- термостойкость 95 - 100 теплосмен, нагрев до 400 оС и охлаждение на воздухе;
- эмали не должны содержать токсичного оксида свинца.
Защитные покрытия для медных индукторов, которые удовлетворяли бы всем требуемым эксплуатационным свойствам в сочетании с технологичностью и низкой стоимостью, отсутствуют. В том числе стек-лоэмалевые жаростойкие покрытия до настоящего времени также не разработаны.
Поскольку защитные жаростойкие покрытия для индукторов подвергаются в процессе эксплуатации резким колебаниям температуры, термостойкость является одним из важнейших показателей их качества. Кроме того, в связи с высоким ТКЛР меди (156-10-7 град-1), покрытия должны иметь также высокий ТКЛР. Как правило, это достигается введением повышенного количества щелочных оксидов или оксида свинца. Бессвинцовые силикатные эмали тугоплавки и не годятся для эмалирования меди, так как температура плавления меди сравнительно низка и составляет 1083 оС. Увеличение доли щелочных оксидов приводит к ухудшению электроизоляционных свойств, уменьшению жаростойкости и химической стойкости стеклоэмалевых покрытий. Оксид фосфора пятивалентного, который также мог бы уменьшить плавкость эмалей, обладает повышенной летучестью и в составе таких эмалей нежелателен.
При разработке изоляции для медных индукторов целесообразно ориентироваться на сведения, имею-
щиеся в литературе для изоляции жаростойких кабелей. Анализ литературных данных показал, что хорошими электроизоляционными свойствами обладают стекла с высоким (выше 60 % по массе) содержанием SiO2. Однако такие стекла являются тугоплавкими и характеризуются низкими значениями ТКЛР, что неприемлемо для эмалирования меди. В боросиликатные электроизоляционные стекла с малым содержанием SiO2 (до 32 % по массе) и щелочных оксидов (или без них) для обеспечения требуемого уровня электроизоляционных свойств вводят большое (до 48 % по массе) количество BaO и до 24 % по массе TiO2. Оксид бария, кроме того, увеличивает ТКЛР. Однако такие стекла являются также тугоплавкими и не годятся для эмалирования меди. Для понижения температуры плавления и повышения ТКЛР в составе таких стекол можно увеличить содержание оксидов щелочных металлов. Электропроводность стекол при этом возрастает и для ее понижения можно использовать полищелочной эффект путем введения в состав стекол нескольких щелочных оксидов в определенном соотношении. В результате можно предположить, что такая модификация составов стекол позволит сохранить достаточно высокое удельное сопротивление в интервале рабочих температур индукторов (от 20 до 400 оС) при ТК-100 не ниже 300 оС.
Таким образом, для решения задачи разработки стекол для эмалей, отвечающих вышеперечисленным требованиям, был осуществлен поиск оптимальной области концентраций в многокомпонентной боро-силикатной системе с участием щелочных и щелочноземельных оксидов, а именно: Me:2O - MeIIO - B2O3 -Al2O3 - SiO2, где Me1 -щелочной, Me 11 - щелочноземельный металлы.
За основу для разработки стекол, пригодных для эмалирования медных индукторов, было взято электроизоляционное стекло С38-1 состава, % по массе: SiO2 -68,8; B2O3 - 26,5; Al2O3 - 1,65; Na2O - 2,5; K2O - 0,6, обладающее максимальным значением удельного сопротивления среди аналогичных стекол: р = 1013,4 Ом-см при 150 оС и 109,4 Ом-см при 300 оС. Основным недостатком, препятствующим использованию стекол такого типа для изготовления эмалей для меди, является высокая температура наплавления (> 1000 оС) и низкий ТКЛР (37-10-7 град-1). В связи с этим целесообразно изменение исходного состава электроизоляционного стекла для получения более легкоплавкого стекла с большим ТКЛР и с сохранением высоких параметров электроизоляционных свойств в рабочих интервалах температур и частот. Для повышения плавкости и ТКЛР оксиды SiO2 и B2O3 частично заменяли на щелочные. В составе исходного стекла № С38-1 (табл. 1) суммарное содержание щелочных оксидов, составляющее 3,1 % по массе, было увеличено до 30 % по массе. Составы варьировали через 3 -5 % по массе пропорционально содержанию оксидов SiO2 и B2O3, при этом содержание каждого щелочного оксида также увеличивалось пропорционально исходным. Составы синтезированных стекол, названных серией I, приведены в таблице [2].
Составы стекол серии I, % по массе / мол. %
№ SiO2 B2O3 AI2O3 Na2O K2O Хщел.окс.
С38-1 68,8/72,12 26,5/23,95 1,65/1,01 2,50/2,52 0,60/0,40 3,10/2,92
1 66,64/69,99 25,66/23,22 1,65/1,02 4,92/4,98 1,18/0,78 6,10/5,76
2 64,47/67,86 24,88/22,56 1,65/1,02 7,26/7,39 1,74/1,16 9,00/8,55
3 62,3/65,71 24,05/21,83 1,65/1,02 9,68/9,89 2,32/1,55 12,00/11,44
4 60,54/63,72 23,21/21,04 1,65/1,01 12,1/12,30 2,90/1,93 15,00/14,23
5 57,94/61,35 22,38/20,41 1,65/1,02 14,51/14,87 3,49/2,35 18,00/17,22
6 55,81/59,17 21,54/19,67 1,65/1,02 16,93/17,38 4,07/2,76 21,00/20,14
7 52,97/56,26 20,41/18,69 1,65/1,02 20,16/20,76 4,84/3,27 25,00/24,03
8 49,32/52,56 19,03/17,48 1,65/1,03 24,19/24,98 5,81/3,94 30,00/28,92
9 45,71/48,87 17,64/16,25 1,65/1,03 28,22/29,24 6,78/4,61 35,00/33,85
Выявлено, что при увеличении содержания R2O от 3 до 30 % по массе удельное сопротивление падает от 1012'8 до 105'5 Ом-см, ТКЛР увеличивается от 35 до 75-10-7 град-1. Область составов 15-25 % по массе является оптимальной, так как в этой области зафиксировано торможение падения удельного сопротивления (перегиб на кривой удельного сопротивления) при росте ТКЛР. Оценка плавкости стекол с содержанием R2O = 15-25 % по массе показала, что эти стекла разливаются при слишком низких для индукторов температурах (600 - 650 °С), однако это дает возможность дальнейшего модифицирования состава стекла тугоплавкими оксидами щелочноземельных металлов для улучшения требуемых эксплуатационных характеристик, а именно: повышения удельного сопротивления, ТКЛР и температур растекания.
Следующий этап работы - дальнейшее модифицирование стекла состава из серии I, % по массе: SiO2 - 52,97; В203 -20,41; А1203- 1,65; R2O- 25,0, имеющее наибольшее значение ТКЛР 20-400оС, равное 63-10-7. В связи с тем что дальнейшее увеличение концентрации щелочных оксидов привело бы к сильному понижению плавкости и удельного сопротивления, требуемые показатели этих характеристик были достигнуты введением других оксидов. Известно, что замена SiO2 оксидами щелочноземельных металлов в трехкомпонентных щелочных стеклах, содержащих более 10 мол. % R2O, приводит к повышению удельного сопротивления [3]. Степень этого повышения зависит от природы оксида. В связи с этим было изучено влияние замены одновременно двух оксидов SiO2 и В2О3 на два щелочноземельных оксида - оксидов кальция и бария по отдельности и совместно. При фиксированном содержании от 0 до 20 % по массе ВаО, концентрацию СаО варьировали от 0 до 10 % по массе, т.е. синтезированы стекла 66 составов -серия II.
Введение щелочноземельных оксидов обусловливает рост удельного сопротивления и ТКЛР. Однако характер изменения этих величин различен. При отсутствии СаО или при малом его содержании
(до 2 % по массе) наблюдается монотонный рост удельного сопротивления. Например, удельное сопротивление стекла, содержащего ВаО 20 % по массе и СаО 2 % по массе достигает 1012,5 Ом-см. При содержании СаО от 4 до 10 % по массе на кривых наблюдаются максимумы в области концентраций 8 - 10 % по массе ВаО. Причем для стекол с содержанием СаО 6,0 % по массе получено максимальное значение удельного сопротивления в максимуме, равное 1013,4 Ом-см при 8 % по массе ВаО.
Результаты измерения относительного удлинения показали, что с увеличением содержания оксида бария ТКЛР возрастает и может достигать значения 150-10-7 град-1. Однако составы стекол с высоким ТКЛР не удовлетворяют требованиям по значениям удельного сопротивления, которые для стекол этих составов сильно падают. Установлено также, что оксид кальция уменьшает его значения для барий-содержащих составов с коцентрацией ВаО более 2 % по массе, для безбариевых стекол или содержащих ВаО в количестве менее 2 % по массе характер зависимости обратный, т.е. наблюдается увеличение ТКЛР с возрастанием количества введенного СаО.
Анализ зависимостей позволил выбрать составы стекол с оптимальными свойствами, а именно с удельным сопротивлением 1012,2 - 1013,4 Ом-см и значениями ТКЛР, находящимися в пределах (108 -127) -10-7 град-1. Эта область ограничена составами, % по массе: SiO2 - 45,8 - 40, 0; В2О3 - 17,2 - 15,4; СаО 4,0 - 8,0; ВаО - 6,0 - 10,0; А12О3 - 1,6; R2O - 25,0 -область А. Плавкость этих стекол увеличилась и находится в пределах 700 - 750 оС. Следует отметить, что авторы [4] для обеспечения поликатионного эффекта в состав боросиликатного стекла вводят щелочноземельные оксиды ВаО и СаО в эквимоляр-ном соотношении, при этом достигают удельного сопротивления более 1012 Ом - см. В выбранной области составов А молярное соотношение СаО / ВаО составляет 1,0 - 3,6, т.е. эквимолярные составы входят в эту область.
В стеклах серии I и II соотношение №2О / К2О составляет 2,5 / 0,6 (% по массе), т.е. №2О /^2О = 0,8. Для выявления соотношения этих оксидов, дающего
максимальное удельное сопротивление, соотношение №2О / ^2О варьировали от 0,1 до 0,9 (% по массе) для некоторых стекол составов из области А, % по массе:
SiO2 - 40,0; В203 - 15,4; СаО - 8,0; ВаО - 10,0; А1203 - 1,6; R2O - 25,0; (1)
SiO2 - 44,0; В203 - 15,4; СаО - 6,0; ВаО - 8,0; А12О3 - 1,6; R2O - 25,0; (2)
SiO2 - 45,8; В2О3 - 17,2; СаО - 4,2; ВаО - 6,2; А12О3 - 1,6; R2O - 25,0. (3)
Максимумы удельного сопротивления приходятся на составы стекол с соотношением №2О / ^2О = 0,40 (% по массе) или 0,5 (мол. %), что соответствует эквимолярному соотношению щелочных оксидов или №2О / К2О = 0,66 (% по массе). Максимальные значения удельного сопротивления зафиксированы для стекол составов (1) с максимальным содержанием ВаО.
Таким образом, область составов стекол приобретает вид, % по массе: SiO2 - 45,8 - 40, 0; В2О3 - 17,2 - 15,4; СаО - 4,0 - 8,0; ВаО - 6,0 - 10,0; А12О3 -1,6; №2О 15,06; К2О - 9,94. Выбранные стекла по полученным значениям ТКЛР и удельного сопротивления удовлетворяют требованиям, предъявляемым к эмалям для медных индукторов. Однако такие стекла должны обладать также малыми значениями диэлектрических характеристик - диэлектрическая проницаемость £ и диэлектрические потери tg5 в интервале частот 103 - 104 Гц и температур от 20 °С до максимальной рабочей, равной 400 °С. Установлено, что при 20 °С на частоте 103 Гц диэлектрическая проницаемость £ образцов разработанных стекол меняется от 18 до 23, диэлектрические потери составляют tg5 (3 - 5)-10-3. Очевидно, повышенные значения £ и tg5 связаны с наличием щелочных и щелочноземельных оксидов в составе стекол. Доля, вносимая ионами в общую величину проницаемости, должна увеличиваться при уменьшении поляризующей способности положительных ионов по отношению к кислороду и при увеличении поляризуемости самих электронных оболочек ионов. Ионы Ва, обладающие особенно сильно поляризуемыми оболочками, вносят в величину диэлектрической проницаемости наибольший вклад, что подтверждается исследованиями.
Таким образом, дальнейшая модификация составов была осуществлена с целью уменьшения £ и tg5. Для этого в стекла был дополнительно введен А12О3 за счет щелочных и щелочноземельных оксидов. Содержание А12О3 варьировали от 1,6 до 10 % по массе. Стекла этой серии были распределены на 6 групп, объединенные постоянными значениями концентраций А12О3, равными 1,6; 2,5; 4,5; 6; 8 и 10 % по массе при закономерном изменении остальных оксидов. В каждой выбранной группе составов были синтезированы стекла с соотношением СаО /ВаО равным 0,75 (% по массе) т.е. содержание СаО составляет 6 масс. %, ВаО - 8 % по массе.
Таким образом, синтезирована новая серия стекол (серия III) составов, % по массе: SiO2 40,0 - 45,8; B2O3 15,4 - 17,2; CaO 3,60 - 7,71; BaO 4,81 - 10,28; Al2O3 1,6 - 10,0; Na2O 12,19 - 15,06; K2O 8,06 - 9,94; £Me2O 20,25 - 25,0; мол. %: SiO2 45, 77 - 53,25; B2O3 13,33 -16,64; CaO 4,31 - 9,48; BaO 2,11 - 4,52; Al2O3 1,05 -6,73; Na2O 11,99 - 16,70; K2O 5,22 - 7,28; £Me2O 17,21 - 24,40 для изучения влияния оксида алюминия на проницаемость и диэлектрические потери стекол с целью выбора составов стекол для эмалирования. Установлено, что при 20 °С с увеличением в составе стекол Al2O3 до 10 % по массе tgS уменьшается до (0,5 - 2,0)-10-3, £ - до 10 - 15. Следует отметить, что эти результаты относятся к закаленным стеклам.
Медные индукторы работают в режиме неоднократного нагрева до 400 оС и охлаждения, возможна частичная кристаллизация стеклоэмалевых покрытий, которая, как известно, влияет на диэлектрические характеристики покрытий. Этот фактор может являться причиной нестабильности этих свойств. В связи с этим изучение процессов кристаллизации разработанных стекол является целесообразным с точки зрения стабильности работы индукторов.
Для этого стекла серии III были подвергнуты термообработке в течение от 30 мин до 2 ч при температуре 400 оС. Рентгенофазовый анализ показал, что в этих условиях исследуемые стекла не кристаллизуются. Однако кристаллизация может произойти в процессе нанесения эмали при охлаждении. На дифрактограммах образцов стекол, полученных охлаждением из расплава, зафиксированы рефлексы слабой интенсивности, широкие и размытые, поэтому однозначно идентифицировать фазы без дополнительного отжига не удалось.
Для выявления кристаллизующихся фаз образцы стекол выдерживались при температурах 600, 650, 700, 750, 800, 820 в течение 30 мин с последующим проведением РФА. Установлено, что после термообработки при температурах 700 - 820 оС все стекла частично закристаллизовались. Разброс температур кристаллизации связан с составом стекол, а именно с содержанием Al2O3, которые закономерно увеличиваются с его увеличением. На дифрактограммах образцов с содержанием Al2O3 до 4,5 масс. % видны рефлексы, которые могут быть отнесены к дисили-кату бария BaO-2SiO2, девитриту Na2O-3CaO-6SiO2 и SiO2 в модификации низкотемпературного ß-кристо-балита, а также обнаружена стеклофаза (рис. 1 а, б). В образцах стекол с концентрацией Al2O3 от 6,0 до 10,0 % по массе кроме вышеуказанных фаз идентифицируются линии муллита (3Al2O3-2SiO2) - рис. 2 а. При более низких температурах стекла оставались прозрачными и наличия кристаллов рентгенографически не обнаруживалось (рис. 1 в, 2 б)
На дифрактограммах образцов стекол составов № 7, 16, полученных в режиме нанесения эмали, а именно охлаждением из расплава, обнаружены те же фазы с меньшей интенсивностью (рис. 3, 4).
Полученные результаты термографичпеских исследований закристаллизованных и незакристалли-
зованных стекол находятся в соответствии с данными РФА и плавкости стекол.
## . 1/V4
36 34 32 30 28 2« 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6
0,град
Рис. 4. Дифрактограмма образца стекла состава № 16 после термообработки в режиме нанесения эмали - охлаждение из расплава: • - ВаО^Ю2; ■ - девитрит (№2О-3СаО^Ю2); # - муллит (3А12О3^Ю2)
36 34 32 30 2S 26 24 22 20 1S 16 1-1 12 10 S 6
в 0,град
Рис. 1. Дифрактограммы образцов стекол состава № 7 после термообработки при температурах, оС: а - 800, б - 700, в - 600: • - ВаО^Ю2; ■ - девитрит (№2О-3СаО^Ю2); х - кристобалит
На рис. 5 представлены кривые ДТА, снятых со скоростью 5о/мин, не закристаллизованных стекол № 3, 6, 18 с содержанием А12О3 1,6; 4,5 и 10 % по массе соответственно. В области низких температур наблюдаются небольшие эндоэффекты в области 600 - 670 оС в зависимости от содержания А12О3, связанных с протеканием предкристаллизационных процессов в стеклах. В образцах стекол № 3, 9, 18 зафиксированы сильные и широкие экзотермические эффекты при 740 - 790 оС и слабые при 780 - 840 оС. Первые эффекты связаны с интенсивным выделением кристаллических фаз - девитрит и силикат бария. Второй экзоэффект при температурах 780 (№ 3), 830 (№ 9) и 840 оС (№ 19) вероятно связан с кристаллизацией кристобалита. На кривых образцов № 9, 18 с содержанием А12О3 4,5 и 10 % по массе наблюдается дополнительный слабый экзоэффект, который может быть отнесен к кристаллизации муллита.
х 2.8jJj ;
У чж
5.55=
2,»»'-Д |Т
.'V.r
3-1 32
js 2<Г
24 22 20
б 0, град
Рис. 2. Дифрактограммы образцов стекол состава № 16 после термообработки при температурах, оС: а - 800, б - 600: • - ВаО^Ю2; ■ - девитрит (№2О-3СаО^Ю2); х - кристобалит; # - муллит (3А12О3^Ю2)
20 18 16 14 12 10 8 6 0, град
Рис. 3. Дифрактограмма образца стекла состава № 7 после термообработки в режиме нанесения эмали - охлаждение из расплава: • - ВаО^Ю2; ■ - девитрит (№2О-3СаО^Ю2)
Рис. 5 Дериватограммы образцов стекол № 3, 9, 18 и 18 (отожженный)
а
б
а
На ДТА закристаллизованного стекла при температуре 820 оС в течение 30 мин зафиксирован четкий эндоэффект при температуре 250 оС, который может быть отнесен к полиморфному переходу в ^ а кристобалит, что подтверждает кристаллизацию кристобалита.
В связи с тем что в процессе нанесения эмали происходит частичная кристаллизация, то для исследования влияния этого процесса на электрические свойства стекол образцы выдерживались при температурах 600, 650, 700, 750, 800, 820 оС в течение 30 мин. В результате выяснили, что частичная кристаллизация стекол с образованием фаз: дисиликат бария ВаО^Ю2, девитрит №2О-3СаО^Ю2 и SiO2 в модификации низкотемпературного в-кристобалита, а в образцах стекол с повышенной концентрацией А12О3 (более 4,0 % по массе), дополнительно - муллит (3А12Оз^Ю2) не снижает электроизоляционных свойств стекол.
Установлено также, что в режиме эксплуатации медных индукторов, т.е. в результате неоднократного нагрева до 400 оС и охлаждения исследованные стекла не кристаллизуются, так как их темперутуры размягчения значительно превышают эту температуру и находятся в интервале от 580 до 670 оС, что обеспечивает стабильность свойств эмалевых покрытий.
Для измерения электрофизических свойств готовили образцы в виде дисков диаметром 1,0 - 1,5 см, толщиной 0,1 - 0,3 см с нулевой пористостью. На полученные образцы напылялись платиновые электроды. Измерения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь проводили на частотах 103 -107 Гц на воздухе в температурном интервале от 20 до 600 оС на ^-метре Е9-4. Проводимость измеряли с помощью моста переменного тока Е8-2.
Электрическая прочность стекол серии III достаточно высокая и отвечает требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам для медных индукторов. Для всех стекол наблюдается спад значений пробивного напряжения с ростом температуры, несмотря на это при рабочей температуре 400 оС они
Поступила в редакцию
остаются достаточно высокими, что дает возможность длительно эксплуатировать индукторы без пробоя. Стекла серии III с содержанием Al2O3 равным 6 - 10 % по массе характеризуются достаточно малыми диэлектрическими потерями и диэлектрической проницаемостью и высокими значениями пробивного напряжения. Полученные результаты позволили ограничить стекла серии III составами, % по массе: SiO2 - 45,8 - 40, 0; B2O3 - 17,2 - 15,4; CaO - 3,60 -6,86; BaO - 4,81 - 9,14; Al2O3 - 6,0 - 10,0; Na2O -12,19 - 13,39; K2O - 8,06 - 8,86; £= 20,25 - 22,25 или мол%: SiO2 - 49,06 - 53,25; B2O3 - 13,44 - 16,63; CaO - 4,31 - 7,45; BaO - 2,11 - 3,63; Al2O3 - 6,0 -10,0; Na2O - 11,99 - 14,14; K2O - 5,22 - 6,16; £= 17,21 -20,29.
Полученные стекла обладают высокими электроизоляционным свойствами в сочетании с низкими диэлектрическими характеристиками. Электрическая прочность разработанных стекол достаточно высокая, Up не ниже 16 м2/мм, что отвечает требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам для медных индукторов.
Таким образом, благодаря применению разработанных покрытий можно существенно сократить потери меди при эксплуатации медных индукторов при высокотемпературном нагреве и значительно увеличить срок их службы.
Литература
1. Эмалирование металлических изделий / под общ. ред.
B.В. Варгина. Л., 1972. 496 с.
2. Пат. № 2149842 RU МКИ С03 С8/02 / Е.А. Яценко, А.П. Зубехин, А.А. Непомящев. Опубл. 27.05.2000. Бюл. № 15.
3. Мазурин О.В. Электрические свойства стекол. Л., 1962.
C.162.
4. Брагина Л.Л., Шалыгина О.В. Разработка основы грунтовой фритты для электростатического порошкового эмалирования // Стекло и керамика. 2008. № 7. С. 25 - 30.
4 февраля 2010 г.
Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255220. E-mail: [email protected]
Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255220. E-mail: [email protected]
