Материалы с высокой проводимостью
Оглавление:
1. Введение 2
2. Медь и её сплавы 2
3. Алюминий и его сплавы 6
4. Список литературы 9
1. Введение.
Материалы с высокой проводимостью. К материалам этого типа
предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного
электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства
(главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение
при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для
изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать
контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других
методах соединения проводов; коррозионная стойкость.
Основным является требование максимальной удельной проводимости
материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за
загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при штамповке или
волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние
деформаций металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во
время которого уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние
размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые материалы
используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.
Наиболее распространенными современными материалами высокой
проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы
(медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо),
которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих
металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по
сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы
экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые
свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь.
Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической
обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала
и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические
свойства.
Медь и ее сплавы
Медь. Медь является одним из самых распространенных материалов высокой
проводимости. Она обладает следующими свойствами:
малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только
серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов
меньше, чем у меди);
высокой механической прочностью;
удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой
влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например,
железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных
температурах);
хорошей паяемостью и свариваемостью;
хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и
протягивается в проволоку).
Свойства медной проволоки приведены ниже.
Марка ………………………………………………………………………………………………………МТ…………………………………………………ММ
Плотность, D, кг/м3…………………………………………………………………8,96·103……………………………………8,90·103
Удельное электрическое
сопротивление (, мкОм•м, не более……………………………0,0179... 0,0182 0,0175
Предел прочности при растяжении ( ,
МПа, не менее……………………………………………………………………………………360...390
260...280
Относительное удлинение
при разрыве (l/l,%……………………………………………………………………0,5...2,5 18...35
Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд. Примеси
снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор,
железо, сера, мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает
сопротивление меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение
сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная для электротехнических
целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные
пластины меди, полученные в результате электролиза*, переплавляют в
болванки массой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая
изделия необходимого поперечного сечения.
Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в
катанку диаметром 6,5...7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева,
получая проволоку нужных поперечных сечений.
В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь
марки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве
которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей
не более 0,05 в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему
держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механическими свойствами,
чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01%
при
*Совокупность процессов электрохимического окисления - восстановления,
происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении
электрического тока.
месей) является вакуумная медь марки МВ, выплавляемая в вакуумных
индукционных печах.
При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ),
которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и
упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).
Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить
высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для
контактных проводов, шин распределительных устройств, для коллекторных
пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов,
токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.
После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при
температуре примерно 270°С) с последующим охлаждением получают мягкую
(отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у
твердой меди.
Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по
отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов
выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая
проводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно ( = 0,017241 мкОм-м
при значении ТК( = 4,3·10-3К-1.
Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и
токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабелях и обмоточных
проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при
изгибе), а прочность не имеет большого значения.
Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных
генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнетронов, клистронов, некоторых
типов волноводов и др.
Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна
расходоваться экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях
необходимо собирать, не смешивая с другими металлами и менее чистой медью,
чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь
как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего
алюминием.
В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только
высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная
стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим
содержанием легирующих примесей.
Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и
других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим
элементом, называют бронзами (табл. 3.3).
Таблица 3.3. Основные свойства некоторых проводниковых бронз
|Параметр |Кадмиевая |Бериллиевая |Фосфористая |
|Удельная |95/90 |37/30 |(10…15)/ |
|электропроводность по | | |(10…15) |
|отношению к | | | |
|электротехническому | | | |
|стандарту, % | | | |
|Предел прочности при |До 310/730 |(700…790)/ |400/970 |
|растяжении (р, МПа | |(1620…1750) | |
| | | | |
| | | | |
|Относительное |50/4 |20/9 |50/3 |
|удлинение при разрыве | | | |
|(l/l, % | | | |
Примечание.
1. Состав кадмиевой бронзы 0,9% Cd, остальное Cu; бериллиевой -
2,25%
остальное Cu; фосфористой 0,1% Р, 7% Sn, остальное Cu.
2. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе - для
твердотянутой.
При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие
механические свойства, чем чистая медь (значения предела прочности бронз
могут доходить до 800…1200 МПа 1 более). Бронзы обладают малой объемной
усадкой (0,6…0,8 %) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка
достигает 1,5…2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.
Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставя буквы,
обозначающие вид и количество легирующих добавок. На пример, бериллиевая
бронза Бр.В2 (2% бериллия Ве, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ
6,5-0,15 (6,5% олова 8п,, 0,15 фосфора Р, остальное медь Cu).
Введение в медь кадмия дает существенное повышение механической прочности
и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической
проводимости (.
Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия Сd, остальное Cu) применяют для
контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения,
а также сварочных электродов при контактных методах сварки.
Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью,
твердостью и стойкостью к механическому износу (предел прочности при
растяжении (р до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до
температуры примерно 250?С. Она находит применение при изготовлении
ответственных токоведущих пружин для электрических приборов,
щеткодержателей токоштепсельных и скользящих контактов.
Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,1 фосфора Р,
остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее
изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в
электроприборах.
Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным
легирующим элементом является цинк (до 43%).
Основные свойства некоторых латуней приведены ниже.
Сплав и его состав……………………………………………………………………………………Л68(68%Cu, Л59-1
(59%Cu,
32 % Zn) 1%Pb,40%Zn)
Удельная проводимость по отношению
к электротехническому стандарту меди, %………………………………………46/30
30/20
Предел прочности при растяжении (р, Мпа…………………………………380/880
350/450
Относительное удлинение при разрыве (l/l,%……………………………65/5 25/5
Примечание. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе –
для твердотянутой.
Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высоким
относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по
сравнению с чистой медью, они имеют пониженную стоимость, так как входящий
в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной
стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель,
марганец.
Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты
термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных
конденсаторов переменной емкости, колпачки радиотехнических ламп).
В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозначение латуни)
ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме
меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальное цинк Zn).
2. Алюминий и его сплавы
Алюминий. Алюминий относится к так называемым легким металлам
(плотность литого алюминия около 2600, прокатанного -2700 кг/м3).
Алюминий обладает следующими особенностями:
удельное электрическое сопротивление ( алюминия (при содержании примесей
не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди
алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;
алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;
из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления
алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавления требует больших
затрат энергии, чем нагревание и расплавление такого же количества меди;
Даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках стоимость
алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако использование алюминия для
изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на
изоляцию;
алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной
пленкой с большим электрическим сопротивлением, которая предохраняет
алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное
сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов;
алюминий менее дефицитен, чем медь;
существенным недостатком алюминия как проводникового материала
является низкая механическая прочность, для ее повышения алюминий
подвергается механической обработке;
прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим
операциям для меди;
примеси значительно снижают проводимость алюминия.
Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001... 0,01%)
марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги
электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких
пленок.
Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03%)
используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и
роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алюминиевой фольги и ленты
изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.
Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП -
твердая повышенной прочности, АТ - твердая, АПТ - полутвердая, АМ - мягкая.
Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.
Марка алюминия …………………………………………………………………………………АТ АМ
Плотность D, кг/ м3…………………………………………………………………2600…2700 2600…2700
Удельное электрическое
сопротивление (, мкОм-м, не более…………………………………0,0295
0,0290
Предел прочности при растяжении
(р, МПа, не менее …………………………………………………………………………160…170 80
Относительное удлинение
при разрыве (l/l, % ……………………………………………………………………1,5…2,0
10…18
По мере снижения твердости проволоки в 1,9…2,7 раза уменьшается предел ее
прочности при растяжении. Максимальное значение предела прочности (p
алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения
медного. Из-за низкой механической прочности правильная эксплуатация
алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя
протаскивать по твердому грунту, скручивать медной проволокой, загрязнять
поверхность.
Алюминиевые сплавы. Сплав алъдрей (0,3. ..0, 5% меди Си, 0,4... 0,7%
кремния 51, 0,2... 0,3% железа Ре, остальное алюминий А1) обладает
следующими свойствами:
повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия,
приближаясь к твердотянутой меди (р = 350 МПа);
сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному
электрическому сопротивлению (( = 0,0317 мкОм-м);
более высоким пределом вибрационной прочности по сравнению с чистым
алюминием.
Применяется для изготовления проводов малонагруженных линий
электропередачи.
Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плотностью.
Применяется для изготовления стрелок различных электрорадиотехнических
приборов.
Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным содержанием
кремния, меди и марганца. Он обладает хорошей жидкотекучестью, малой
усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с
алюминием и широко применяется для корпусов воздушных конденсаторов.
Дюраль принадлежит к деформируемым сплавам алюминия с медью, магнием и
марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства сплава, а марганец
увеличивает твердость и коррозионную стойкость, которая является
недостаточной по сравнению с другими коррозионными сплавами. Для защиты от
коррозии его покрывают лаками, красками или слоем алюминия.
В обозначениях дюралей после буквы Д стоят цифры, указывающие на наличие
легирующих добавок, например Д1 (3,8% меди Cu, 0,4...0,8% магния Mg,
марганца Mn).
Список литературы:
1. Журовлева Л.В., Электроматериаловедение: Учебник для начального
профессионального образования. М.: Изд. Центр «Академия»; ИРПО, 2000. –312
с.
