Проводниковые металлы и сплавы

Проводниковая медь — это очищенный от различ­ных примесей металл красновато-оранжевого цвета, имеющий температуру плавления 1083 °С и температур­ный коэффициент линейного расширения 1,64÷10^-5 1/°С. Медь обладает хорошими механическими свой­ствами и пластичностью, что позволяет получить из нее проволоку диаметром до 0,01—0,02 мм, а также тонкие ленты. Проводниковая медь очень устойчива к атмосферной коррозии, чему способствует тонкий слой оксида (СuО), которым она покрывается на воз­духе. Защитный слой оксида препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь.

Отечественная промышленность выпускает провод­никовую медь различной степени чистоты шести ма­рок. Примесями в меди являются висмут, сурьма, же­лезо, свинец, олово, цинк, никель, фосфор, сера, мышь­як и кислород. В наиболее чистом сорте проводниковой меди (марка М006) сумма всех примесей не превышает 0,01 %. Для изготовления проводниковых изделий (об­моточные и монтажные провода, кабели) применяют сорта проводниковой меди с содержанием примесей не более 0,05—0,1%. Медную проволоку изготовляют круглого и прямоугольного сечений. Круглую про­волоку выпускают диаметром от 0,02 до 10 мм. Меньшая сторона a проволоки (шин) прямоугольного сече­ния находится в пределах от 0,8 до 4 мм, а большая b — от 2 до 30 мм. Медную проволоку изготовляют из мягкой, т. е. отожженной при оптимальной темпе­ратуре (марка ММ) и твердой неотожженной (марка МТ) меди.

Основные характеристики изделий из мягкой меди следующие: плотность 8900 кг/м³; предел прочности при растяжении σ_Р = 200÷239 МПа; относительное удлинение е_р = 6÷35 %; ρ= 0,0172÷0,01724 мкОм·м, а из твердой — плотность 8960 кг/м³; σ_р = 355÷408 МПа; е_р = 0,5÷2 %; ρ= 0,0177÷0,0180 мкОм·м.

Проволока меньшего диаметра обладает большим разрушающим напряжением при растяжении и боль­шим удельным электрическим сопротивлением. Про­вода очень малого диаметра (0,01 мм) и предназна­ченные для работы при повышенных температурах (выше 200 °С) изготовляют из проволоки из бескисло­родной меди, отличающейся наивысшей чистотой. Все марки меди имеют температурный коэффициент удель­ного сопротивления ТКρ= 0,0043 1/°С.
Бронзы— сплавы на основе меди, отличающиеся малой объемной усадкой (0,6—0,8 %) при литье (объ­емная усадка стали и чугуна 1,5—2,5 %).

Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием (алю­миниевые), бериллием (бериллиевые) и другими леги­рующими элементами. Марки бронз обозначают бук­вами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и циф­ры, указывающие, какие легирующие элементы, и в ка­ком количестве содержатся в данной бронзе.

Бронзы легко обрабатываются резанием, давле­нием и хорошо паяются. Ленты и проволоки из них служат для изготовления пружинящих контактов, токопроводящих пружин и других токопроводящих и кон­струкционных деталей.

Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах.

В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.

Из проводниковых бронз изготовляют провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.
Алюминийблагодаря его сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии является вторым после меди проводниковым материа­лом. Алюминий относится к группе легких металлов, поскольку его плотность равна 2700 кг/м³, т. е он в 3,3 раза легче меди.

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, имеет температуру плавления 658 °С, малую твердость и сравнительно небольшую механиче­скую прочность при растяжении σ_р = 90÷147 МПа. Кроме того, обладает более высоким, чем медь, увели­ченным коэффициентом температурного расширения (24·10 ^-6 °С), что является его недостатком.

На воздухе алюминий очень быстро покрывается тонкой пленкой оксида (А1₂Оз), который надежно за­щищает его от проникновения кислорода воздуха. Так как эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, то в плохо зачищенных местах соеди­нений алюминиевых проводов могут быть большие переходные сопротивления.

При увлажнении мест соединений алюминиевых проводов с проводами из других металлов могут обра­зовываться гальванические пары. При этом алюминие­вые провода разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать образования гальванических пар, места соединений тщательно зачищают от влаги (например, лакированием). Чем выше химическая чистота алюминия, тем лучше он сопротивляется коррозии.

Отечественной промышленностью выпускается про­водниковый алюминий различной степени чистоты 13 марок. В марках алюминия высокой чистоты при­месей (железо, кремний, цинк, титан и медь) содер­жится не более 0,005 %. Из такого алюминия изготов­ляют электроды электролитических конденсаторов, а также алюминиевую фольгу. Проволоку для прово­дов изготовляют из алюминия, содержащего не более 0,3 и 0,5 % (марки А7Е и А5Е). Выпускаются мягкая (AM), полутвердая (АПТ) и твердая (AT) алюми­ниевая проволока диаметром от 0,08 до 10 мм и шины прямоугольного сечения.

Изделия из мягкого алюминия имеют следующие основные характеристики: σ_р = 70÷100 МПа; е_р = = 10÷25 %; ρ = 0,028 мкОм·м; из полутвердого алюминия — σ_р — 90÷140 МПа; е_р≈3%; ρ —0,0283 мкОм·м, а из твердого — σ_р = 100 ÷180 МПа; е_р==0,5÷2%; ρ = 0,0283 мкОм ·м. Температурный коэффициент удель­ного сопротивления всех марок алюминия принимают равным 0,00423 1/°С.

Алюминиевые провода и токопроводящие детали можно соединять друг с другом горячей или холодной сваркой, а также пайкой, но с применением специаль­ных припоев и флюсов. Холодную сварку производят в специальных устройствах, в которых зачищенные поверхности алюминиевых деталей соприкасаются друг с другом при давлении примерно 1000 МПа. При этом происходит диффузия кристаллов одной из соединяе­мых деталей в другую, в результате чего они надежно соединяются. Листовой алюминий широко применяют для экранов.

Длительно допустимая температура проводникового алюминия при использовании его на воздухе не должна превышать 300 °С.
Сереброотносится к группе благородных металлов, не окисляющихся на воздухе при комнатной темпера­туре. Интенсивное окисление серебра начинается при температуре выше 200 °С. Как и все благородные метал­лы, серебро отличается высокой пластичностью, позво­ляющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Кроме того, серебро обладает наивысшей проводимостью.

Основные характеристики проводникового серебра следующие: плотность 10 500 кг/м³, температура плавления 960,5 °С, КТР= 19,3 -10 ^{- 6} 1/°С, т. е. немного больше, чем у меди; изделий из мягкого серебра — σ_р= 150÷180 МПа, e_p = 45÷50 %, ρ = 0,015 мкОм-м, а из твердого серебра — σ_р = 203 МПа, е_р = 46 %, р = 0,0160 мкОм-м,ТКρ=0,003691/°С.
По сравнению с медью и алюминием серебро приме­няют ограниченно в сплавах с медью, никелем или кадмием — для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, а также в припоях ПСр 10, ПСр 25 и др.
Вольфрам относится к группе тугоплавких металлов и широко применяется в электротехническом производстве в качестве износостойкого материала для электрических контактов и деталей в электровакуум­ных приборах (нити ламп накаливания, электроды и др.).

Вольфрам — металл серого цвета, обладающий очень высокой температурой плавления и большой твердостью, получают методом порошковой металлур­гии. Для этого из частиц вольфрама (порошка) прес­сованием в стальных пресс-формах получают заготов­ки — стержни, которые подвергают спеканию при 1300 °С.

Спеченные вольфрамовые стержни имеют еще зерни­стое строение и хрупки, поэтому их нагревают до 3000 °С. Для получения механически прочного металла стержни подвергают многократной ковке и волочению с перемежающимися периодами отжига. В результате такой обработки вольфрам приобретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую механическую прочность и пластичность.

Из вольфрама изготовляют проволоку диаметром до 0,01 мм. Окисление вольфрама на воздухе начи­нается при температуре от 400 °С и выше. В вакууме вольфрамовые детали могут работать при температуре до 2000 °С.

Основные характеристики вольфрама следующие: плотность 19 300 кг/м³, температура плавления 3380 °С; изделий из отожженного вольфрама — σ_р = 380÷500 МПа, ρ = 0,055 мкОм-м, а изделий из твердого вольфрама — σ_р≈1800 МПа; ρ = 0,0612 мкОм-м. Тем­пературный коэффициент сопротивления ТКρ = = 0,0046 1/°С.
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 сталеалюминевого, провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженно­сти электрического поля на поверхно­сти провода.
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 (порядка 0,1 мкОм-м).

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме то­го, при переменном токе в стальных про­водниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводнико­вого материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15%, обладающая пределом прочности при растя­жении σ_p = 700÷750 МПа, относительным удлинением при раз­рыве ∆l/l= 5-f-8% и удельной проводимостью γ, в 6—7 раз меньшей по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механиче­ской прочностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр.

Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, осо­бенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает,поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерыв­ность слоя цинка проверяет­ся опусканием образца про­вода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки отклады­вается медь в виде красных пятен, заметных на общем се­роватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного соп­ротивления . Поэтому тонкую железную проволоку, поме­щенную для защиты от окис­ления в баллон, заполненный водородом или иным химиче­ски неактивным газом, мож­но применять в бареттерах, т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку для целей поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.
Биметалл. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемыйпроводниковый биметалл (не смешивать с термическим биметаллом). Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем 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) ихолодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую 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 сталь­ною 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 (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминевых проводах). Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм с содержанием меди не менее 50% полной массы проволоки.

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.