Чему равняется удельное сопротивление никелевого проводника. Проводниковая медь и сплавы - электроматериаловедение

Основы > Электротехнические материалы > Проводниковые материалы

МЕДЬ
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси С u О, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ S0 2 , сероводород H 2 S, аммиак NH 3 , окись азота NО, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди (рис. 8-1), делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и M1) по ГОСТ 859-66, химический состав которых приведен в табл. 8-1.
В табл. 8-1 не указана бескислородная медь марки М00 (99,99% Си), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и M1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. По проводимости медь М00 не отличается от меди М0 и M1. Медь повышенной чистоты широко используется в электровакуумной технике.
Примеси Bi и Р b в больших количествах, чем указано в табл. 8-1, делают невозможным горячую прокатку меди. Сера не вызывает горячеломкость меди, но повышает ее хрупкость на холоде. Примеси в небольших количествах Ni, Ag, Zn и Sn не ухудшают технологических свойств, повышая механическую прочность и термическую стойкость меди.
Кислород как примесь в малых дозах, не затрудняя заметно прокатку, несколько повышает проводимость меди, так как находящиеся в меди другие примеси в результате окисления выводятся из твердого раствора, где они наиболее сильно влияют на снижение проводимости металла.
Повышенное содержание кислорода снижает проводимость и делает медь хрупкой в холодном состоянии, поэтому в электротехнических марках меди присутствие кислорода ограничивается (табл. 8-1). Медь, содержащая кислород, подвержена также водородной болезни. В восстановительной атмосфере закись меди восстанавливается до металла. Во время реакций, идущих с образованием водяных паров, в.меди появляются микротрещины.

Рис. 8-1. Влияние примесей на электрическую проводимость меди.

Таблица 8-1 Химический состав проводниковой меди (ГОСТ 859-66)

Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, пресования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При холодной обработке давлением прочность меди в результате обжатия (наклепа) растет, а удлинение падает, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160-200 °С, после чего из-за процесса рекристаллизации происходят разупрочнение и резкое падение твердости наклепанной меди. Чем выше степень обжатия при холодной обработке, тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.
При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются. Физические и технологические свойства меди приведены в табл. 8-2.
Влияние температуры отжига на механические свойства и электрическую проводимость меди представлено на рис. 8-2.
Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.
Согласно ГОСТ 434-71 число твердости Бринелля твердых лент при испытании шариком диаметром 5 мм, нагрузке 2500 Н и выдержке 30 с.
В зависимости от рабочей температуры механические свойства меди представлены в табл.8-3.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07-0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и другими элементами.
В настоящее время медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Таблица 8-2 Физические и технологические свойства меди

Рис. 8-2. Влияние температуры отжига на свойства меди.

Таблица 8-3 Характер изменения механических свойств проводниковой меди в зависимости от температуры

Страница 5 из 59

ГЛАВА II.
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МАЛЫМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

§ 7. Проводниковая медь и ее свойства

Медь является одним из главных проводниковых материалов благодаря большой проводимости, механической прочности и стойкости к атмосферной коррозии *. По электропроводности медь стоит на втором месте (после серебра).

*Коррозио (лат.) - разъедание, разрушение металлов под действием той или инок среды (газообразной или жидкой). Примером коррозии металла является ржавление железа - окисление его.

Проводниковая медь получается из слитков меди путем очистки ее от примесей в электролитической ванне с помощью постоянного тока.
Кроме высокой проводимости, медь обладает хорошей пластичностью, поэтому из нее изготовляют волочением проволоку диаметром до 0,01 Мм, а при прокатке получают ленту толщиной до 0,1 мм и медную фольгу толщиной 0,01 мм.
В нормальной атмосфере проводниковая медь устойчива к коррозии. Медные провода на воздухе медленно окисляются, покрываясь тонким слоем окиси меди (CuО). Образовавшаяся пленка окисла препятствует дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают: сероводород (H2S), аммиак (NH3), окислы азота (NO), пары азотной кислоты и некоторые другие реагенты.
Медь имеет красновато-оранжевый цвет и обладает температурой плавления 1083° С. Температурный коэффициент линейного расширения меди равен 17-10-6 1/°С.
Для изготовления всех проводниковых изделий применяют очищенную медь марок МО и Ml, отличающихся только содержанием кислорода. В меди марки МО содержится кислорода не более 0,02%, а в меди марки Ml - не более 0,05%. Содержание других примесей: висмута, сурьмы, мышьяка, никеля в меди обеих марок допускается в равных количествах. Серебро (как примесь) засчитывается в содержание меди, так как оно не снижает ее проводимость. Остальные примеси уменьшают проводимость меди. Общее количество примесей в меди марки МО не более 0,05%, а в меди марки Ml -не более 0,1 %.
У изделий (проволока, шины) из мягкой (отожженной) меди (марка ММ) плотность 8,90 г/см3, предел прочности при растяжении (Т = 20-25 кГ/мма, относительное удлинение 6Л= 15ч-40%, удельное сопротивление Q = 0,0175001754 ом-мм2/м. У изделий из твердой (неотожженной) меди (марка МТ) плотность 8,96 г/см3; а = 36-н40 кГ/мм2; 6л = 0,5-2,5%; q = 0,0177-0,0180 ом-мм2/м.
Провода меньшего диаметра обладают повышенной прочностью при растяжении и большей величиной удельного электрического сопротивления. Это объясняется искажением формы и уменьшением объема кристаллов металла при протяжке и волочении проводов малого диаметра.
У мягких и твердых сортов проводниковых изделий (проводов) из меди температурный коэффициент электрического сопротивления принимается равным а= +0,00400 1/° С.

Рис. 17. Троллейный провод из меди
Кроме проводов круглого и прямоугольного сечения, из меди изготовляют также провода фасонного сечения, например троллейный провод (рис. 17).
Проволоку и шины из мягкой меди ММ применяют преимущественно для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов.
Следует заметить, что провода прямоугольного сечения обеспечивают большой коэффициент заполнения обмотки по сравнению с проводами круглого сечения.
Это значит, что при одном и том же объеме обмотки в ней можно поместить большее количество витков из прямоугольной меди и тем самым повысить мощность электрической машины или аппарата. Во избежание повреждения изоляции острые ребра у проводов прямоугольного сечения (шины) слегка закругляют.
Проводниковые изделия из твердой меди МТ применяют, как правило, неизолированными (голыми). Это провода для воздушных линий, шины для электрических аппаратов и коллекторов электрических машин. От этих проводниковых изделий требуется повышенная механическая прочность, твердость и сопротивление истиранию.
Медь - весьма ценный материал, который следует расходовать экономно, и там, где это возможно, медь необходимо заменять менее дефицитными материалами - проводниковым алюминием или железом.

§ 8. Проводниковые сплавы на основе меди (бронзы и латуни)

Из сплавов на основе меди наибольшее применение в электротехнике получили бронзы и латуни.
Бронзы -это сплавы меди с оловом, алюминием и другими металлами, специально вводимыми с целью получения определенных свойств сплава. Раньше всех начали применяться оловянистые бронзы, в которых содержание олова составляет 8-20%. Оловянистые бронзы являются дорогостоящими сплавами, так как содержат дефицитное олово. Поэтому оловянистые бронзы стараются заменять другими бронзами, содержащими алюминий, кадмий, фосфор и другие вещества (легирующие* элементы).

* Легировать (лат.) -соединять, сплавлять.

Характерной особенностью бронз является их малая объемная усадка при литье (0,6-0,8%) по сравнению с чугуном и сталями, у которых усадка достигает 1,5-2,5%. Поэтому наиболее сложные по форме детали отливают из бронзы. Другие характерные свойства бронз - повышенная твердость, упругость (по сравнению с медью), большое сопротивление истиранию и стойкость к коррозии. Благодаря этим ценным свойствам бронзы широко применяют в машиностроении для изготовления втулок, шестерен, пружин (бронзовая лента) и других деталей.
Марки бронз обозначаются буквами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие элементы и в каком количестве содержатся в данной бронзе (табл. 2).
Таблица 2

Бронзы бывают литейные, из которых детали получают методом литья, и бронзы, обрабатываемые давлением (Бр. А7; Бр.-Б2 и др.).
Плотность бронз находится в пределах: 8,2-8,9 г/сж3.
В электротехнике стараются применять бронзы, проводимость которых близка к проводимости меди. Такими бронзами являются кадмиевая и кадмиево-оловянистая. Остальные бронзы нашли применение в электротехнике благодаря следующим свойствам: упругости, сопротивлению истиранию и высокой механической прочности. Из бронз изготовляют провода с повышенной механической прочностью, а также щеткодержатели, пружины и контактные детали для электрических аппаратов и приборов. Наибольшей пластичностью обладают алюминиевые бронзы. Бериллиевые бронзы отличаются очень высокой механической прочностью, сопротивлением к истиранию и к окислению на воздухе.
Кроме бронз, в электротехнике нашли широкое применение сплавы меди с цинком - латуни, в которых содержание цинка может доходить до 43%. При этом содержании цинка латуни обладают наибольшей механической прочностью. Латуни, содержащие 30-32% цинка, обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготовляют изделия горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку и др. Без нагрева из листовой латуни можно изготовлять глубокой вытяжкой и штамповкой сложные детали: кожухи, колпачки, фасонные шайбы и др.
В результате холодной обработки давлением у латуни увеличивается твердость и механическая прочность, но заметно снижается пластичность. Для восстановления пластичности латунь отжигают при температуре 500-600° С и медленно охлаждают до комнатной температуры. Латуни хорошо обрабатываются резанием. Изделия из латуни устойчивы к атмосферной коррозии, но деформированная (вытяжкой) латунь подвержена коррозии во влажной атмосфере в большей степени, чем медь.
Для повышения коррозионной стойкости латуней в них вводят легирующие элементы: алюминий, никель, олово и др.
Такие латуни называют специальными, например морская латунь (марка Л070-1) стойка к коррозии даже в морской воде. Марки латуней начинаются с буквы Л (латунь), за которой следуют буквы, указывающие на другие элементы (кроме меди), которые входят в состав латуней. Стоящие в конце марки цифры означают содержание (в процентах) меди и других компонентов (табл. 3).
Таблица 3
Марки и состав некоторых латуней

Таблица 4
Основные характеристики проводниковых бронз и латуней

Плотность латуней находится в пределах: 8,2-8,85 г/сv3. Токоведущие детали из латуни можно получать литьем или давлением. Латунные детали, полученные штамповкой или давлением при комнатной температуре, приобретают жесткость (наклеп) и склонны к растрескиванию. Для снятия внутренних напряжений и предупреждения растрескивания наклепанные латунные детали подвергают отжигу. Латунь хорошо механически обрабатывается, сваривается и паяется. В табл. 4 приведены основные характеристики бронз и латуней в сравнении с проводниковой медью.

Серебро - один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах, где оно используется в сплавах с медью, никелем или кадмием, в припоях ПСр-10, ПСр-25 и др. Серебро марки Ср999-999.9 должно иметь примесей не более 0.1%. Удельное электрическое сопротивление r =0.015 мкОм. м. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю - 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не более 200МПа, относительное удлинение при разрыве ~50%. По сравнению с золотом и платиной имеет пониженную химическую стойкость. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки.

Медь - наиболее широко применяется в качестве проводникового материала: в производстве обмоточных и монтажных проводов и кабелей (мягкая отожженная медь марки ММ) в производстве волноводов и т.д.; при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин (медь твердая марки МТ - имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ).

Наиболее нежелательными примесями в меди являются висмут и свинец, сера, кислород. Наиболее чистые сорта проводниковой меди марок МООК (катодная) и МООБ (бескислородная), содержат примесей не более 0.001%. В производстве проводниковых изделий применяют марки меди с содержанием примесей не более 0.05 - 0.1%, для проводов очень малого диаметра (0.01 мм) и проводов, работающих при температурах выше 300 о С применяют проволоку из бескислородной меди. Основные характеристики меди марок ММ и МТ приведены в таблице.

Бронзы - это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn , Si , P , Be , Cr , Mg , Cd и др.), которые дают название бронзам. Маркируют бронзы буквами Бр, после которых идут буквы, указывающие легирующие элементы, и цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах. Например, бронза марки БрБ2 - бериллиевая бронза (содержит Ве~2%, остальное С u ), марки БрОЦС6-6-3 - оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержит Sn 6%, Zn 6%, Pb 3%, остальное Cu ).

По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Бронзовые детали для упрочнения подвергаются термической обработке - закалке и отпуску при повышенных температурах. У твердотянутых бронз механическая прочность и ρ v выше, чем у мягких отожженных бронз

Латуни - это сплавы системы С u - Zn с максимальным содержанием Zn 45 %. Увеличение концентрации Zn до 45% приводит к повышению механической прочности. Максимальная пластичность наблюдается при содержании Zn около 37%. Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывающей % содержание меди. Например, латунь марки Л63 содержит меди 63%, остальное - Zn . У сложных латуней в маркировке указывается легирующий элемент. Например, латунь марки ЛС59-1 - это свинцовая латунь, содержащая С u 59%, Pb 1%, остальное Zn . Главная отличительная особенность латуни от чистой меди - повышенная механическая прочность при достаточно высоком удлинении перед разрывом Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, штырей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепсельных разъемов.

Алюминий - в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно меньшую проводимость (для АМ r =0.028 мкОм . м) и большую стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al 2 O 3 . Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80, твердый 160 – 170 МПа. По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения (26 . 10 -6 1/ о С) , что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 – 0.5% (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей - марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей , содержащий 0.3–0.5 % Mg , 0.4–0.7 % Si и 0.2–0.3 % Fe (остальное – Al ) обладающий высокими механическими свойствами при небольшом удельном сопротивлении Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки по схеме: деформация волочением - закалка в воде при температуре 510–550°С - повторная деформация волочением -в ыдержка при температуре 140–150°С. Выделяющееся при этой обработке из твердого раствора химическое соединение Mg 2 Si в мелкодисперсном состоянии обеспечивает ему высокие механическую прочность и нагревостойкость. По механическим свойствам альдрей приближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электропроводности - к твердому алюминию (AT ).

В линиях электропередачи широко применяют сталеалюминиевый провод - стальные жилы, обвитые алюминиевой проволокой. Для сталеалюминиевого провода воздушных линий используется особо прочная стальная проволока с s р =1200 – 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.

Сталь (железо с содержанием углерода 0.1 – 0.15%) как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 – 7 раз меньше, чем у меди, s р = 700 – 750 МПа, относительное удлинение перед разрывом 5 – 8%. На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Такая сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.