книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение
..pdf3.5.1. Медь
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
1)малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь);
2)достаточно высокая механическая прочность;
3)удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);
4)хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);
5)относительная легкость пайки и сварки.
Марки меди. В качестве проводникового материала используется медь марок Ml и М0. Медь марки Ml содержит 99,9 % Сu, а в общем количестве примесей (0,1 %) кислорода должно быть не более 0,08 % (присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства). Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Из меди марки М0 может быть изготовлена тонкая проволока.
При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение при разрыве, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную проводимость (табл. 3.1).
61
Таблица 3.1
Сравнительные характеристики меди мягкой (ММ) и твердой (МТ)
Параметр |
МТ |
ММ |
|
Предел прочности при растяжении σр, |
360–390 |
260–280 |
|
МПа, не менее |
|||
|
|
||
Относительное удлинение при разрыве |
0,5–2,5 |
18–35 |
|
l / l, %, не менее |
|||
|
|
||
Удельное сопротивление ρ, мкОм∙м, |
0,0179–0,0182 |
0,0172–0,0174 |
|
не более |
|||
|
|
||
Плотность, кг/м3 |
8960 |
8900 |
Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние отжига на удельное электрическое сопротивление и механические свойства меди иллюстрирует рис. 3.6.
l/l |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
.10, мкОм.м |
|
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
175 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
171 |
|
|
|
|
|
|
l/l |
|
||
20 |
|
|
|
|
|
|
|
167 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
200 400 600 800 оС |
||||||||
Рис. 3.6. Зависимость удельного сопротивления ρ
и относительного удлинения l /l меди от температуры отжига (продолжительность отжига 1 ч)
Твердую медь используют там, где необходимо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве
62
токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важны электрические параметры, гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность.
Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь (например, σр бронз может быть 800–1200 МПа и более). Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т.п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает
бериллиевая бронза (σр до 1350 МПа).
Сплав меди с цинком – латунь – обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределом прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.
3.5.2. Алюминий
Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т.е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м3); плотность литого алюминия около 2600, а прокатанного 2700 кг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
63
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами, как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 1,63 раза (0,028:0,0172 = 1,63). Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно, чтобы его сечение было в 1,63 раза больше. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:
8900/(2700 ∙ 1,63) ≈ 2.
Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости алюминий будет выгоднее меди до тех пор, пока его стоимость не превысит стоимость меди более чем в два раза. А поскольку в настоящее время алюминий менее дефицитен, его стоимость значительно ниже стоимости меди, что позволило ему не только заменить медь в воздушных линиях электропередачи (ЛЭП), но и внедриться в производство кабельнопроводниковой продукции.
Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 имеет содержание примесей, не превышающее 0,004 %.
Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6–7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов. Свойства твердой и мягкой (отожженной) алюминиевой проволоки представлены в табл. 3.2.
64
Таблица 3.2
Сравнительные характеристики алюминия мягкого (АМ) и твердого (АТ)
Параметр |
АТ |
АМ |
|
Предел прочности при растяжении σр, МПа, не менее |
120 |
70 |
|
Относительное удлинение при разрыве l / l, %, |
1,5–2,0 |
7 |
|
не менее |
|||
|
|
||
Удельное сопротивление ρ, мкОм∙м, не более |
0,0283 |
0,0280 |
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники.
В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защищаться от увлажнения (покрытием оловом, лаками и тому подобными способами).
Иногда, например для замены свинца в защитных кабельных оболочках, используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01 % (вместо 0,5 % для обычного проводникового алюминия). Такой особо чистый алюминий по сравнению с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содер-
жащий, %: 0,3–0,5 Mg; 0,4–0,7 Si; 0,2–0,3 Fe (остальное Al). Хо-
65
рошие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалка катанки при температуре 510–550 °С с последующим резким охлаждением в воде, волочение и последующая выдержка при температуре около 150 °С). При этом в альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокую механическую прочность сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение Mg2Si из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние. Альдрей в виде проволоки имеет плотность
2700 кг/м3, его σр = 350 МПа, l / l = 6,5 %, ρ = 0,0317 мкОм∙м. Таким образом, альдрей, практически сохраняя легкость алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности приближается к твердотянутой меди. В настоящее время разработаны алюминиевые сплавы типа альдрея, не требующие термической обработки.
Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода.
3.5.3. Железо
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (около 0,1 мкОм∙м); значение ρ стали (т.е. железа с примесью углерода и других элементов) еще выше.
66
Сталь как проводниковый материал используется в виде шин заземления, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и др. Для сердечников сталеалюминиевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая σр = 1200…1500 МПа и l /l = 4…5 %.
Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
3.6. Сплавы высокого сопротивления
Наиболее часто сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления:
–резисторов;
–электронагревательных приборов (электроплиток, электрических чайников, паяльников и т.п.);
–термопар.
При этом желательно, чтобы эти материалы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
Сплавы для резисторов. От сплавов для резисторов, помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуются высокая стабильность ρ во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТKρ (малая зависимость ρ от температуры) и малый коэффициент термоЭДС в паре данного сплава с медью. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют два сплава: манганин и константан.
Манганин – широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его, %: Сu 85, Мn 12, Ni 3. Название связано с наличием в нем марганца (лат. manganum). Значение ρ манганина 0,42–0,48 мкОм∙м; ТKρ весьма мал ((5…30)∙10–6 К–1); коэффициент термоЭДС в паре с медью всего лишь 1–2 мкВ/К.
67
Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТKρ и стабильности ρ во времени манганиновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550–600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200 оС). Длительно допустимая рабочая температура сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: σр = 450…600 МПа, l / l = 15…30 %. Плотность манганина 8400 кг/м3.
Константан – сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ТKρ в системе Сu – Ni при довольно высоком значении ρ. Название «константан» объясняется
значительным постоянством |
ρ при изменении |
температуры |
(ТKρ составляет минус (5…25)∙10–6 К–1 при ρ = 0,48…0,52 мкОм∙м). |
||
По механическим свойствам |
константан близок |
к манганину |
(σр = 400…500 МПа, l / l = 20…40 %). Его плотность 8900 кг/м3.
Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.
Существенным отличием константана от манганина является высокая термоЭДС в паре с медью: его коэффициент термоЭДС 45–55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.
Широкому применению константана препятствует также большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.
Сплавы для электронагревательных приборов. Основное требование, применяемое к таким материалам, – высокая нагревостойкость, т.е. способность длительно работать при повышенных температурах, не окисляясь кислородом воздуха. Для выпол-
68
нения этого условия в них вводят достаточно большое количество металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации и образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Что касается железа, то оно имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав.
Сплавы системы Fe – Ni – Сr называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы сис-
темы Fe – Сr – Al называются фехралями и хромалями.
Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода.
Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же температуре.
Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.
Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена
69
при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого сопротивления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках, где они могут работать весьма длительно без повреждений.
Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента – никеля.
Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.
Cплавы для термопар. Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (56 % Cu и 44 % Ni), алюмель
(95 % Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90 % Ni и 10 % Cr), платинородий (90 % Pt и 10 % Rh).
Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий – платина – до 1600 °С, хромель – копель – до 600 °С, хромель – алюмель – до 1100 °С.
3.7.Сверхпроводники
В1911 г. голландский ученый Хейке Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление кольца из замороженной ртути, охлажденного до температуры кипения гелия (4,2 К), внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивле-
70