Проводниковые конструкции из биметалла

Железов качестве проводникового материала для судовых условий не используется, но в промышленных установках оно находит применение, так как более доступно, имеет более низ­кую стоимость (железо в шесть раз дешевле меди) и высокую механическую прочность. Основные недостатки железа, ограничивающие его использование на водном транспорте – низкая электропроводность и подверженность коррозии. Примером применения стали для токопровода может служить использо­вание рельсового пути или корпуса судна в качестве второго провода при однопроводной системе (например, в схемах стартерного пуска аварийных дизель-генераторов) [6].

Для мощных гребных электродвигателей (ГЭД) постоянного тока находят также применение чугунные пусковые сопротивле­ния, что снижает габаритные размеры последних. Пусковые со­противления располагаются в электростанции ГЭД и служат для снижения бросков тока в момент его пуска.

В некоторых случаях для уменьшения расходов цвет­ных металлов в проводниковых конструкциях выгодно приме­нять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причём оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и про­тяжке); и холодный, или электролитический (медь осаждают электро­литически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с рас­твором медного купороса). Холодный способ обеспечивает равномер­ность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечива­ется столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой – медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии. Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50 % полной массы проволоки. Значе­ние σ_Р (из расчёта на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550 – 700 МПа, а Δl/l не более 2 %. Сопротивление 1 км би­металлической проволоки постоянному току (при 20 °С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электро­передачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Термический биметалл получается при комбинировании двух ме­таллических лент со значительно различающимися температурными коэффициентами длины. Активный материал биметалла имеет возмож­но больший температурный коэффициент длины. Другой, пассивный материал,имеет температурный коэффициент длины возможно мень­ший. Эти температурные коэффициенты длины должны отличаться, по крайней мере, на один порядок. 

В качестве активного материала используются никель или сплавы железа с Ni, Mn, Со, Сr, Мо, а также сплавы цветных металлов.

Пассивными обычно являются сплавы типа Ni – Fe, которые име­ют торговое название инвар. Содержание никеля в них обычно колеб­лется от 36 до 42%. Эти сплавы имеют минимальный температурный коэффициент длины из всех известных металлических материалов. Их температурный коэффициент длины порядка 10^-6 К^-1. Сплав, содержащий 31% Ni, 5% Со, остальное – железо, называется суперинваром. Суперинвар имеет в диапазоне температур (0 – 100) °С практически нулевой температурный коэффициент длины.

При нагревании термический биметалл изгибается, причем тем больше, чем больше различия температурных коэффициентов длины активной и пассивной составляющих.

Термические биметаллы используются, главным образом, для це­лей регулирования температуры, защиты электрического оборудования от перегрузки. Широко используются они, например, для ограничения температуры нагрева в электрических утюгах.

Биметалл медь – алюминий, в котором внешний слой является алюминиевым, выгоден для использования при температурах свыше 200 °С, при которых медь вследствие окисления уменьшает свое се­чение. Алюминий защищён поверхностным слоем оксида А1₂О₃, хорошей адгезией к которому обладают электроизоляционные лаки.

Комбинация сталь – медь выгодна в случаях, когда одновременно требуются электропроводность и способность намагничиваться.

Комбинации NiFe – Ni, AlFe – Al, AlFe –Ni, Cu-Ni, W–Cu используются при изготовлении электронных ламп.

Биметаллический проводник NiFe–Сu (платанит) отлично сва­ривается с медью и используется для впаивания в стекло.

Аналогично из экономических соображений изготавливаются биметаллические контакты. Подложкой в них обычно служат медь, латунь, бронза, сталь и т. п., а материалом для собственно контакта – серебро, золото, платина или их сплавы.

Керметом называется неоднородная система двух или более ме­таллов или металла и оксида, полученная методом порошковой метал­лургии, в которой каждая составная часть сохраняет свои свойства. Керметы используются для изготовления контактов в тех случаях, когда одновременно требуются большая твёрдость и дугостойкость, высокая удельная электрическая проводимость и высокий коэффициент теплопроводности материала.

В качестве примера приведём кермет W – Си, который получают путём пропитки пористого вольфрама расплавленной медью. Воль­фрам придаёт кермету высокие твёрдость, дугостойкость, стойкость к истиранию и свариваемости, а медь – высокие удельную электрическую проводимость и коэффициент теплопроводности. Применяются также и другие керметы типа W – Ag, Ag – Ni, Мо - Ag, Ag – CuC.

Металлические соединения (М.с.) или металлиды – твёрдые фазы сплавов металлов друг с другом (интерметаллич. соединения) или с некоторыми неметаллами (например, с Н, В N, С, Si), обладающие металлическими свойствами. В отличие от твёрдых раст­воров М. с. относятся к так называемым проме­жуточным фазам, т. е. имеют кристаллическую решётку, отличную от решёток, обра­зующих фазу компонентов. На ди­аграммах состояния М. с. характери­зуются большей или менее узкой областью гомо­генности (т. е. их состав может отли­чаться от определённого стехиометрического), и от других фаз диаграммы отделены двухфазными областями.

По своей природе М. с. делят на ряд классов: электронные соеди­нения, структура которых определя­ется электронной концентрацией; так называемые фазы внедрения, построен­ные на базе твёрдых растворов внедрения в решётку металла малых атомов не­металлов (например, Н, N); некоторые интерметаллические соединения (и н т е р м е т а л л и д ы), имеющие сложные ре­шётки (σ-фазы, фазы Л а в е с а). Многие интерметаллиды не обладают металлическими свойствами и поэтому не являются М. с. К механическим соединениям можно отнести и упоря­доченные твёрдые растворы, образующиеся в результате фазового перехода 1-го рода.

Металлические стёкла М.с. (стек­ловидные металлы, метглассы), металлические сплавы в стеклообразном состоя­нии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического расплава (ско­рость охлаждения ≤10⁶ К/с). Быстрый теплоотвод достигается, если, по край­ней мере, один из размеров изготов­ляемого образца достаточно мал (фоль­га, лента, проволока). Расплющива­нием капли расплава между охлаждае­мыми наковальнями получают фольгу диаметром от 15 до 25 мм и толщиной от 40 до 70 мкм, а охлаждением на враща­ющемся барабане (диске) или про­каткой струи между двумя валками – ленту шириной (3 – 6) мм и толщиной (40 – 100) мкм. Выдавливанием рас­плава в охлаждённую жидкость мо­гут быть изготовлены М. с. в виде проволоки.

Состав М. с: ~ 80% переходных (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Рr и др.) или благородных металлов и около 20% поливалентных неметаллов (В, С, N, Si, Pr Ge и др.), играющих роль стеклообразующих элементов. При­меры: бинарные сплавы (Au₈₁Si₁₉, Pd₈₁Si₁₉ и Fe₈₀B₂₀) и псевдобинарные сплавы, состоящие от  3 до 5 и более компонентов.

Полуметаллы (П.), вещества, занима­ющие по электрическим свойствам проме­жуточное положение между металла­ми и полупроводниками. Для П. ха­рактерно слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит, с одной сто­роны, к тому, что П. остаются провод­никами вплоть до абсолютного нуля температуры, а с другой – к малой (по сравне­нию с металлами) концентрации но­сителей тока ~ (10¹⁸–10²⁰) см^-3. С рос­том температуры число носителей увеличи­вается, электропроводность растёт. К П. относятся Bi, Sb, As, графит и др. Носители тока в П. отличаются боль­шой подвижностью и малой эффективной массой. Благодаря этому П. – наиболее подходящие объекты для на­блюдения размерных эффектов, фазовых переходов диэлектрик –  металл в сильных магнитных полях и др.