Проводниковые металлы кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) должны иметь достаточную прочность и пластичность, которые определяют технологичность; коррозионную стойкость в атмосферных условиях, а в некоторых случаях и 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: Cu , Al . Fe. Они обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы используют в технически чистом виде и, для достижения максимальной электрической проводимости, в отжженном состоянии.
 |
Электрические свойства металлов при 20 приведены ниже:
Медь – проводниковый материал (ГОСТ 859-78). Наиболее чистая бескислородная медь М00б имеет суммарное содержание примесей 0,01%, М0б – 0,03% и М1 – 1%. Наиболее вредная примесь в меди – кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержание кислорода в меди строго ограничено.
Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь М00б. удельное электросопротивление такой меди близко к значению 0,017 мкО 
м. Ее получают переплавом электролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой технологии.
Медь указанных марок используют в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков. Прокат из меди М1 поставляется либо в отожженном, либо нагартованном состоянии.
 |
Механические свойства и удельное электросопротивление меди приведены ниже:
Видно, что отожженная медь имеет более высокую проводимость, нагартованная – большую прочность.
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 – для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.
Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используют латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающие большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.
Алюминий высокой чистоты АД0ч, в котором общее содержание примесей составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты АД000, АД00, АД0, в котором примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике (ГОСТ 4784-97).
Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди.
Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью, поэтому из него изготовляют кондесаторную 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 отжженном, или нагартованном состоянии.
Механические свойства и удельное электросопротивление алюминия приведены ниже:
 |
Для токонесущих проводов воздушных линий электропередачи с большими расстояниями между опорами используют более прочные, чем чистый алюминий, алюминиевые сплавы системы Al – Mg – Si. Легирование алюминия магнием и кремнием в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая его пластичность и коррозионную стойкость: σв = 350 МПа при 
= 0,032 мкО м.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки Al 2 O 3. 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 электрической 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 0,1 – 0,15%, а также стали обыкновенного качества. Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность (σв = 300…70МПа) 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 ток 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 того, 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 электросопротивление (сопротивление контакта).
Различают припои двух типов: для низкотемпературной пайки, имеющие температуру плавления до 400 
, 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 олова, свинца, цинка, серебра, имеющих хорошую электрическую проводимость. Сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси, электросопротивление которых мало отличается от металлов, образующих сплав.
В приборостроении для низкотемпературной пайки применяют оловянно-свинцовые и оловянно-цинковые (ГОСТ 21931-76) припои.
Сплавы олова и свинца образуют диаграмму состояния эвтектического типа с твердыми растворами ограниченной растворимости. Сплав эвтектического типа (61%Sn и 39%Pb) имеет низкую температуру плавления (183 ) и хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает качественное формирование шва и высокие механические свойства. Такой сплав обозначают ПОС-61. Применяют также сплавы доэвтектического ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50 и заэвтектического составов. Цифра в марке указывает на содержание олова. Припои такого типа имеют удельное электросопротивление = 0,14…0,21 мкО м 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 ПОЦ-90, отвечающий эвтектическому составу: 90%Sn и 10%Zn. Сплав имеет самую низкую температуру плавления из всех сплавов этой системы, равную 199 . Сплавы ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40, так же как и ПОЦ-90, используют для пайки алюминия и его сплавов.
В тех случаях, когда требуется очень низкая температура нагрева ( 
100 ), для пайки используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием. В процессе сплавления металлы образуют между собой легкоплавкие тройные и более сложные эвтектики, чем 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 для низкотемпературной, так как вследствие высокой температуры нагрева происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя. Переходное электросопротивление 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 ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ54 (цифра указывает содержание меди) имеют удельное электросопротивление в пределах 0,03…0,04 мкО м; температура плавления их при увеличении содержания меди возрастает от 825 до 880 .
Применение медно-фосфористых припоев ПМФ7 (цифра указывает процентное содержание фосфора) позволяет вести пайку меди без флюса, что на практике удобнее и проще.
Припои, содержащие серебро, очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; они пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное электросопротивление. Кроме серебра, содержание которого указывает цифра в марке, припой содержит медь или медь с цинком. В припоях ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10 удельное электросопротивление возрастает от 0,022…0,065 мкО м, температура плавления соответственно изменяется от 779 до 920 (см. рис. 18.6).
Сверхпроводники
Особую группу материалов с высокой электрической проводимостью образуют сверхпроводники. С понижением температуры удельное электросопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 11.7). однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение 
резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и у около 1000 сплавов.
Сверхпроводящие свойства имеют многоие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (σ-фаза, фаза Лавеса и т.д.). при обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Переход металла в сверх проводящее состояние связывают с фазовым превращение. 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 равными 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 сверх проводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 ). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22 – 26% Ti; 63 - 68%Nb; 8,5 – 11,5%Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7К (–263,3 ). Для T = 4,2К критические значения плотности тока и напряженность магнитного поля составляют 2,8 
106 А/м2 и (6 – 7) 
106 А/м соответственно. Проволоку из сплава 35БТ состава 60 – 64% Ti; 33,5 – 36,5% Nb; 1,7 – 4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.
Оба сплава 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 электросопротивление.
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 электросопротивление, 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 электросопротивление, но и хорошее сопротивление химической 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 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 используют также сплавы серебра с медью (см. рис. 11.6). 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 их используют только в слабонагруженных контактах.
Высоконагруженные контакты изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и порошковых композиций.
Вольфрам благодаря своей тугоплавкости хорошо сопротивляется электроэрозионному изнашиванию. Несмотря на окисление, вольфрам имеет невысокое и устойчивое переходное электросопротивление, так как он достаточно электропроводен, а оксидная пленка вольфрама при работе контакта разрушается. Кроме того, такие контакты н свариваются при эксплуатации, поэтому их применяют при частых переключениях.
Такое же назначение имеют сплавы с молибденом (рис. 11.8). содержащие 40 – 50% Mo, эти сплавы обладают высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию, но вследствие образования непрерывного ряда твердых растворов их переходное и общее электросопротивление велики. Сплавы обладают пониженным сопротивлением газовой коррозии, так как молибден и его сплавы образуют легко испаряющиеся оксидные пленки. Такие сплавы можно использовать для мощных контактов, но в среде инертных газов или в вакууме. Сплавы вольфрама с 45% используют также для нитей накаливания электрических ламп и катодов.
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 СОМ-10, содержащий 10% Cu, подвергают длительному (50 ч) окислению при 700 на воздухе. Благодаря большой растворимости и скорости диффузии кислорода в серебре (в α–фазе) он проникает в металл и окисляет менее благородную медь ( 
-фазу). В результате такой обработки получается композиционный материал: серебряной матрице равномерно распределены оксиды меди. Наличие оксидов меди повышает сопротивление свариванию и стойкость против электроэрозионного изнашивания. Такие сплавы применяют в тяжелонагруженных 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 к ним – высокое сопротивление свариванию. Кроме окисленного серебряно-медного сплава для скользящих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию (МГ3, МГ5, СГ3, СГ5). Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.
Неподвижные контакты. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного электросопротивления, которое, кроме того, должно быть стабильным при небольших контактных усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионностойкий материал, не образующий оксидных пленок с высоким электросопротивлением на контактной поверхности. Всем этим требованиям удовлетворяют медь, латунь, цинк.
Дата: 2019-02-18, просмотров: 529.
