БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

ТЕМА 2.2

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Материалы этой группы должны иметь:

- минимальное значение удельного электрического сопротивления;

- достаточно высокие механические свойства(большой предел прочности при растяжении);

- высокую коррозионную стойкость;

- малое переходное сопротивление контактов при соединении проводов пайкой;

- легко поддаваться механической обработке.

Наиболее распространенными из них в эл. и радиотехнике являются медь, алюминий, цинк, железо и их сплавы. Для улучшения свойств цветные металлы и сплавы подвергают термической обработке (отжигу, закалке и старению). Отжиг придаёт мягкость и уменьшает напряжение в отливках, а закалка и старение повышают механические свойства.

 

МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ

Медь (Cu) – самый распространенный материал высокой проводимости. Это металл красноватого цвета, с высокой температурой плавления (Т= 1083ºС). Основные свойства: Малое значение р; достаточно высокая механическая прочность; удовлетворительная стойкость к коррозии; хорошая паяемость и свариваемость.

В качестве проводникового материала используется медь марок М0, М1 и др. Медь марки М1(99,9% Cu и не более 0,1% примесей, из них О₂ не более 0,08%).

Медь марки М0 (99,95% Cu и не более 0,05% примесей, из них О₂ не более 0,02%) имеет лучшие механические свойства, чем М1.

Вакуумная медь марки МВ выплавляется в вакуумных индукционных печах и содержит примесей не более 0,01%. Её удельное сопротивление практически такое же, как и у серебра.

При холодной прокатке и волочении получают твёрдую медь (МТ), обладающую повышенной твёрдостью, упругостью (при изгибе проволока несколько пружинит), высоким пределом прочности при растяжении. Она применяется для изготовления контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, волноводов, жил кабелей и проводов диаметром до 0,2мм (там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность, твёрдость и сопротивляемость истиранию).

Мягкую медь (ММ) получают после отжига, после чего она становится пластичной, характеризуется большим удлинением перед разрывом и имеет электропроводность на 35% выше, чем у МТ. Удельная электропроводность стандартной меди при 20ºС равна 58 МСм/м, соответственно ρ = 0,017241 мкОм·м, а ТКρ = 4,3·10 ־³ К^-1 .

Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают в процентах удельную проводимость металлов и сплавов. Применяется в качестве токопроводящих жил кабелей, монтажных и обмоточных проводов, при изготовлении фольги (там, где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения).

В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покрывают никелем, серебром, золотом. Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от её химической природы. Медь – дорогой и дефицитный материал, поэтому её часто заменяют алюминием.

 

СПЛАВЫ МЕДИ

В случаях, когда необходимо повышенные механические свойства и нет жёстких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют её сплавы – бронзы и латуни. Это сплавы, представляющие твёрдые растворы.

Бронзы – это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов, которые дают название бронзам. Атомы примеси, внедряясь кристаллическую решётку, увеличивают её деформацию и концентрацию дефектов. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняют медь. Поэтому углеродное сопротивление бронзы больше, чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв и твёрдость, меньше относительное удлинение перед разрывом. Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках, и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь. У кадмиевой бронзы при сравнительно небольшом снижении удельной электропроводности существенно повышены механическая прочность, твёрдость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и коллекторных пластин в электрических машинах. Ещё большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некоторые виды бронз упрочняют термообработкой. У твёрдотянутых бронз механическая прочность и удельное сопротивление выше, чем у отожжённых бронз.

Латуни – это сплавы системы Cu-Zn с максимальным содержанием Zn 45 % . При повышении концентрации Zn до 45 % увеличивается механическая прочность. Максимальная пластичность наблюдается при содержании Zn около 37%. В некоторые марки латуней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количестве один или несколько химических элементов. Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывают процентное содержание меди. Например, латунь марки Л63 содержит меди 63%. Остальное цинк. У сложных латуней в маркировке указывается легирующий элемент. Главная отличительная особенность латуни от чистой меди – повышенная механическая прочность при достаточно высоком удлинении перед разрывом. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилей, штырей, гнёзд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепселей разъёмов.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий Al - это серебристо-белый металл, лёгкий и лёгкоплавкий, с высокой электро- и теплопроводностью пластичностью. Преимущество алюминия как проводникового материала заключается в том, что он дешевле и более доступен, чем медь. Удельное сопротивление больше меди, а плотность меньше. Алюминий – самый Распространённый в природе металл. Его массовая доля в земно коре составляет ~ 8,8%. Выплавка алюминия – очень энергоёмкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около16 тыс. кВт •ч. Первичная очистка заключается продувке через его распад хлора. Полученный металл содержит алюминия обычно 99.7%. Путём электролитического рафинирования его чистоту можно довести до 99.99% и более. Для полупроводниковой техники алюминий дополнительно очищают методом плавки до чистоты 99.9999%.

Присутствие в алюминии примеси существенно снижает его удельную электропроводность и изменяет механические свойства. При этом на электропроводность алюминия влияет не только концентрация примеси, но и его природа. Присутствие в алюминии Ni. Si. Zn или Fe в количестве 0,5% снижает удельную электропроводность на 2-3%.Особенно сильно снижают электропроводность алюминия такие примеси, как Ti Mn V. Благодаря высокой пластичности, алюминий хорошо поддаётся прокатке и волочению, которые производят аналогично соответствующим для меди. При холодном волочении и прокатке в результате наклёпа получают твердый алюминий (АТ), который имеет повышенные механическую прочность, твердость и удельное сопротивление. Механические свойства и удельное сопротивление наклёпанного алюминия можно понизить путём рекристаллизационного отжига, проводимого при температуре 350-400ºС. После отжига получают мягкий алюминий (АМ). Методом волочения или прокатки из алюминия, так же как из меди, получают проволоку или пластины, ленты и фольгу.

Промышленность алюминиевую проволоку марок: АТП, АТ, АПТ – соответственно твёрдая повышенной прочности, твёрдая, полутвёрдая и мягкая.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идёт цифра, указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. Алюминий различают трёх классов: 1) особо чистый – мареиА999; 2) химически чистый – марки А995, А99, А97,А95; 3) технически чистый – марки А85, А8, А7, А6, А5, А0, А, АЕ.

Алюминий – Активный металл. Благодаря высокому сродству к кислороду, на воздухе он быстро покрывается тонкой и плотной пленкой оксида алюминия, которая защищает внутренние слои от дальнейшей коррозии. Плёнка обладает высоким удельным сопротивлением и при напряжениях менее 1 В может служить естественной межвитковой изоляцией. Путём анодирования можно увеличить толщину оксидной плёнки, при этом повысится пробивное напряжение.

Недостатком такой изоляции является ограниченная гибкость проволоки и заметная её гигроскопичность. Оксидная плёнка получила наибольшее применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем. Оксидная плёнка алюминия, имея высокое удельное сопротивление в месте контакта проводников, создаёт достаточно высокое переходное сопротивление. Это её отрицательное качество. Кроме того она затрудняет пайку алюминия обычными методами. Алюминий достаточно эрозионностоек к действию электрических разрядов, а значит его можно использовать в качестве электродов в приборах, где должно отсутствовать катодное распыление металла.

Алюминий по отношению к большинству металлов обладает отрицательным электродным потенциалом.

 

СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

Сплавы алюминия обладают более высокими значениями механической прочности, твёрдости НВ, износостойкость, нагревостойкости и удельного электросопротивления, но меньшим значением относительного удлинения перед разрывом, чем чистый алюминий.

Алюминиевые сплавы можно условно разделить на конструкционные и электротехнические. Конструкционные сплавы – на литейные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой.

Литейные сплавы алюминия маркируют двумя буквами АЛ и цифрой, обозначающий порядковый номер сплава. Наиболее известные сплавы алюминия с кремнием называются силуминами. Для получения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств в силумины добавляют 0,05-0,008% натрия. Такие сплавы называют модифицированными.

Деформируемые сплавы алюминия подразделяют на сплавы, не упрочнённые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, имеют высокую пластичность, поэтому из них получают изделия холодной штамповкой. Однако у них не высокая механическая прочность.

К алюминиевым, деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы, известные как дюралюмины и авиаль.

Дюралюмины – это сплавы системы Al-Cu-M; Mn введён для повышения коррозионной стойкости сплавов. Наиболее известны и сплавы Д1, Д16, Д18.

Сплавы авиаль менее прочны, чем дюралюмины, зато обладают большой пластичностью, как в горячем, так и в холодном состоянии. Сплавы авиаль используют лёгких конструкциях. Хорошо сопротивляется коррозии.

Жаропрочные алюминиевые сплавы могут быть как литейными, так и деформируемыми. Эти сплавы используются для изготовления деталей, работающих при больших температурах.

 

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

Биметаллический контактный провод для электрифицированного транспорта обычно представляет собой стальную проволоку, снаружи покрыта, слоим меди или алюминия. Медная или алюминиевая оболочка осуществляет электропроводность, стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжении. Биметаллический провод позволяет повысить напряжение, можно увеличить расстояние между опорами. Чем больше напряжение провода и меньше его масса, тем больше скорость распространения волны колебаний, более устойчив токосъем и, следовательно, выше скорость движение.

Широко используются в качестве контактного провода, особенно на скоростных ЖД, сталемедный и сталеалюминевый провода со стальным профилем в виде круга или полосы, расположенной по оси симметрии его сечения. Из биметаллических проводников изготавливают шины для распределительных устройств, полосы для рубильников. Биметаллы используют в производстве некоторых видов разрывных контактов.