Проводниковые материалы.

В зависимости от удельного электрического

ТАБЛИЦА 17.1. Электрические свойства металлов при 20 °С

сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы: 1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) припои; 3) сверхпроводники; 4) контактные материалы; 5) сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимости. Проводниковые металлы кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) должны иметь достаточную прочность, пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Си, Al, Fe.

Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы (табл. 17.1) используют в технически чистом виде и, для достижения максимальной электрической проводимости, в отожженном состоянии.

Медь - проводниковый материал (ГОСТ 859-78). Наиболее чистая бескислородная медь имеет суммарное содержание примесей

Наиболее вредная примесь в меди — кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержание кислорода в меди строго ограничено.

Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь Электрическое сопротивление такой меди близко к значению, приведенному в табл. 17.1. Такую медь получают переплавом электролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой металлургии.

Медь указанных марок используют в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков.

Прокат из меди поставляется либо в отожженном, либо нагартованном состоянии. Отожженная медь имеет более высокую проводимость, нагартованная - большую прочность (табл. 17.2). Механические свойства меди зависят от диаметра провода. Малым диаметрам соответствуют большая прочность и меньшая пластичность как в нагартованном, так и в отожженном состояниях. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изделий, нагартованную медь - для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.

ТАБЛИЦА 17.2. Механические свойства и удельное электрическое сопротивление меди и алюминия

Для изделий, от которых требуется прочность выше используются латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

Алюминий высокой чистоты , в котором общее содержание примесей составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты в котором примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике (ГОСТ 4784-74).

Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди (см. табл. 17.1).

Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью, поэтому из него изготовляют конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. Технически чистый алюминий используют в виде проволоки в производстве кабелей и токонесущих проводов.

Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в

2 раза меньше. Так же, как и медь, алюминий используют или в отожженном, или нагартованном состоянии (см. табл. 17.2).

Для токонесущих проводов воздушных линий электропередачи с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы более прочные, чем чистый алюминий (см. п. 12.1).

Легирование алюминия магнием и кремнием в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность и коррозионную стойкость: при

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки Эта пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами. Необходим специальный припой или ультразвуковые паяльники. Места контакта алюминиевого провода с медным следует покрывать лаком для защиты от атмосферной коррозии. Во влажной атмосфере алюминий в контакте с медью быстро разрушается вследствие электрохимической коррозии.

Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала.

В таких случаях используют низкоуглеродистые качественные стали с содержанием углерода а также стали обыкновенного качества (см. п. 8.3). Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность и идут на изготовление шин, трамвайных рельсов, рельсов метро и железных дорог с электрической тягой. Сечение провода определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта распространяются по наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку. Покрытие создается гальваническим способом или плакированием. Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.

Биметаллический провод используют

в линиях связи и электропередачи. Кроме этого, из биметаллического материала изготовляют шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Припои. Сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости, — припои должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта).

Различают припои двух типов: для низкотемпературной пайки, имеющие температуру плавления до и для высокотемпературной пайки с более высокой температурой плавления. Для получения хорошего соединения припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем металл, подвергающийся пайке; в расплавленном состоянии припой должен хорошо смачивать поверхности. Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки.

Для этих целей используют припои на основе имеющих хорошую электрическую проводимость. Сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси, электрическое сопротивление которых мало отличается от металлов, образующих сплав.

В приборостроении для низкотемпературной пайки применяют оловянносвинцовые и оловянно-цинковые (ГОСТ 21931 -76) припои.

Сплавы олова и свинца образуют диаграмму состояния эвтектического типа с твердыми растворами ограниченной растворимости. Сплав эвтектического типа (состав и имеет низкую температуру плавления 183 °С и хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает качественное формирование шва и высокие механические свойства. Такой сплав обозначают Применяют также сплавы доэвтектического и заэвтектического составов. Цифра в марке указывает на содержание олова. Припои такого типа имеют переходное электрическое сопротивление и применяются для пайки очень тонких проводов из меди и медных сплавов, а также в тех случаях, когда недопустим высокий нагрев в зоне пайки.

Сплавы олова и цинка также образуют диаграмму эвтектического типа. Наилучшим припоем является сплав отвечающий эвтектическому составу: Сплав имеет самую низкую температуру плавления всех сплавов этой системы. Сплавы так же как и используют для пайки алюминия и его сплавов.

В тех случаях, когда требуется очень низкая температура нагрева, для пайки используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием. В процессе сплавления металлы образуют между собой легкоплавкие тройные и более сложные эвтектики, чем и объясняется низкая температура плавления сплавов. Следует отметить, что такие припои не обеспечивают высокой прочности соединения. Кроме того, сплавы с висмутом хрупки.

Припои для высокотемпературной пайки обеспечивают более прочные соединения, чем припои для низкотемпературной пайки, так как вследствие высокой температуры нагрева происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя. Переходное электрическое сопротивление таких припоев ниже, чем низкотемпературных припоев.

В качестве высокотемпературных припоев используют медь, медно-цинковые и медно-фосфористые припои, а также припои, содержащие серебро. Медно-цинковые припои (цифра указывает содержание меди) имеют переходное электрическое сопротивление в пределах температура плавления их при увеличении содержания меди возрастает от 825 до Применение медно-фосфористых припоев ПМФ7 (цифра указывает процентное

содержание фосфора) позволяет вести пайку меди без флюса, что практически удобнее и проще.

Припои, содержащие серебро, очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное сопротивление. Кроме серебра, содержание которого указывает цифра в марке, припой содержит медь или медь с цинком. В припоях переходное сопротивление возрастает от 0,022 до температура плавления соответственно изменяется от 779 до 920 °С (см. рис. 17.6).

Сверхпроводники. Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники.

С понижением температуры электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 17.7). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля-материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (о-фаза, фаза Лавеса и др.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью.

Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепловые рассеяния, так как энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы (критические значения поля и тока).

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 °С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: Сплав содержит и имеет критическую температуру перехода 9,7 К -263,3 °С). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока составляют напряженность магнитного поля Проволоку из сплава состава из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на

Рис. 17.7. Изменение электрического сопротивления в металлах и сверхпроводниках в области низких температур

магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, выталкивать магнитное поле, используют в магнитных насосах, позволяющих генерировать магнитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, «плавает» в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устраняет трение и повышает долговечность гироскопа.

Контактные материалы. Электрические контакты подразделяют на разрывные, скользящие и неподвижные. Основное требование для всех контактов - малое переходное электрическое сопротивление.

Разрывные контакты. Эти контакты предназначены для периодического замыкания и размыкания цепи и работают в наиболее трудных условиях. В процессе работы разрывных контактов возникает искра или электрическая дуга, что вызывает коррозию и электроэрозионный износ.

В результате происходит окисление контакта. Это повышает переходное электрическое сопротивление, вызывает разогрев и сваривание (или прилипание) контакта. Электроэрозионное изнашивание приводит к появлению на контактных поверхностях кратера на одном контакте и иглы-на другом. Это объясняется тем, что металл контакта плавится, испаряется, распыляется на рабочей поверхности и переносится с одного контакта на другой. Сопротивление электроэрозионному изнашиванию в металлах растет с повышением температуры плавления, в сплавах оно дополнительно повышается с ростом твердости и прочности. Из сказанного следует, что материал для разрывных контактов должен иметь не только небольшое переходное электрическое сопротивление, но и хорошее сопротивление коррозии и электроэрозионному изнашиванию.

В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные и высоконагруженные.

Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов: золота, серебра, платины, палладия и их сплавов, которые обладают низким переходным электрическим сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию эти металлы и сплавы не обладают, поэтому их можно использовать только в слабонагруженных контактах.

Обычно материалами для таких контактов служат серебро и сплавы на его основе. Основным преимуществом серебра является его высокая электрическая проводимость. Однако при воздействии электрической дуги оно окисляется и подвергается электроэрозионному изнашиванию. Окисление не приводит к значительному росту переходного электрического сопротивления, так как оксид серебра электропроводен и при нагреве восстанавливается. Чистое серебро применяют в слабонагруженных контактах при небольшой частоте переключений. Серебро технологично при производстве проката и наиболее дешево из всех благородных металлов.

Широко применяют также сплавы серебра с медью (см. рис. 17.6). Такие сплавы сохраняют высокую электрическую проводимость и имеют более высокие твердость и сопротивление электрическому изнашиванию, чем чистое серебро. Однако медь ухудшает стойкость сплавов против окисления, поэтому такие сплавы используют только в слабонагруженных контактах.

Высоконагруженные контакты изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и порошковых композиций.

Вольфрам благрдаря своей тугоплавкости хорошо сопротивляется электроэрозионному изнашиванию. Несмотря на окисление, вольфрам имеет невысокое и устойчивое переходное сопротивление, так как он достаточно

Рис. 17.8. Диаграмма состояния и свойства сплавов W - Мо

электропроводен, а оксидная пленка вольфрама при работе контакта разрушается. Кроме этого, такие контакты не свариваются при эксплуатации, их применяют при большой частоте переключения.

Такое же назначение имеют сплавы вольфрама с молибденом (рис. 17.8). Эти сплавы, содержащие 40- 50% Мо, обладают высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию, но вследствие образования непрерывного ряда твердых растворов, электрическое сопротивление сплавов и переходное электрическое сопротивление велики. Сплавы обладают пониженным сопротивлением газовой коррозии, так как молибден и вольфрам образуют легко испаряющиеся оксидные пленки. Такие сплавы можно использовать для мощных контактов, но в среде инертных газов или в вакууме. Сплавы вольфрама с используют также для нитей накаливания электрических ламп и катодов, как сплавы повышенного электрического сопротивления.

В наиболее мощных контактах используют спеченные композиции вольфрама с серебром или медью, либо спекают пористый вольфрам, который затем в вакууме пропитывают жидкой медью или серебром.

Разработан способ обработки серебряно-медных контактов - метод внутреннего окисления. Сплав содержащий 10% Си, подвергают длительному окислению при температуре на воздухе. Благодаря большой растворимости и скорости диффузии кислорода в серебре (в а-фазе) он проникает в металл и окисляет менее благородную медь (-фазу). В результате такой обработки получается композиционный материал: в серебряной матрице равномерно распределены оксиды меди. Наличие оксидов меди повышает сопротивление свариванию и стойкость против электроэрозионного изнашивания. Такие сплавы применяют в тяжело-нагруженных контактах. Кроме того, такие материалы можно использовать в скользящих контактах, так как у них высокое сопротивление свариванию.

Скользящие контакты. К материалам для скользящих контактов предъявляют те же требования, что и для разрывных. Но основное требование-высокое сопротивление свариванию. Кроме окисленного серебряно-медного сплава для скользящих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.

Неподвижные контакты. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного электрического сопротивления. Кроме того, оно должно быть стабильным при небольших контактных усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионно-стойкий материал, не образующий оксидных пленок высокого электрического сопротивления на контактной поверхности. Всем этим требованиям удовлетворяют медь, латунь, цинк.

ТАБЛИЦА 17.3. (см. скан) Свойства реостатных сплавов

Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением используют для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротивления, резисторов, термопар, тензометрических датчиков) и нагревательных элементов электрических приборов и печей.

Повышенным сопротивлением обладают металлические сплавы со структурой твердых растворов. Электрическое сопротивление таких сплавов (см. рис. 17.5) выше сопротивления металлов его составляющих. Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, а также высокой жаростойкостью, что особенно важно для нагревательных элементов.

При использовании сплавов в электроизмерительных приборах в паре с медью от них требуется малая термоэлектродвижущая сила . В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью. Все сплавы с повышенным сопротивлением в зависимости от рабочей температуры делят на три группы.

Сплавы, рабочая температура которых не выше используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся медные сплавы, легированные никелем и марганцем. Маркировка, химический состав и электрические свойства таких сплавов приведены в табл. 17.3.

При легировании никелем медный сплав (константан) имеет высокое значение удельного электрического сопротивления при малое значение Однако из-за высокого значения в паре с медью (рис. 17.5) константан применяется в основном только для изготовления термопар.

Замена никеля в медном сплаве марганцем, сохраняя сопротивление и понижает (см. рис. 17.5). Сплав МНМц 3-12 (манганин) имеет широкое применение для прецизионных элементов сопротивления: резисторов, теплодатчиков, шунтов и др.

Для получения стабильных значений электрического сопротивления и коэффициента электрического сопротивления проволоку из манганина подвергают рекристаллизационному отжигу в вакууме при а после изготовления элементы сопротивления повторно нагревают (до для устранения остаточных напряжений.

Общим недостатком медных сплавов является их склонность к окислению при нагреве, что изменяет переходное электрическое сопротивление. Поэтому часто используют сплавы на основе серебра, палладия, золота, платины. Серебряный сплав с имеет Значение близко к нулю после -часового старения при Такие сплавы используют при нагреве до

Сплавы, рабочая температура

ТАБЛИЦА 17.4. Свойства сплавов для нагревательных элементов

которых менее 1200 °С, используют также для элементов сопротивления и нагревательных элементов. Это сплавы на основе железа и никеля. Легирование хромом обеспечивает им высокое электрическое сопротивление и жаростойкость (см. п. 14.2). Маркировка, химический состав и свойства таких сплавов приведены в табл. 17.4. Сплавы на основе железа недефицитны. В этом их преимущество по сравнению с нихромами. Однако дополнительное легирование алюминием для повышения жаростойкости ухудшает пластичность, что затрудняет получение проволоки малого сечения. Сплавы на основе железа используют для реостатов и нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках и промышленных печах.

При температурах выше 1200 °С (в вакуумных печах) используют сплавы на основе тугоплавких металлов W, Мо, Та. Для изготовления нагревателей электрических печей (до 1500°С) применяют также керамические материалы, например, силитовые стержни, которые спекают из карбида кремния. Силит является полупроводниковым материалом и имеет высокое электрическое сопротивление. Распространены также нагреватели из дисилицида молибдена