Материалы этой группы должны иметь минимальное удельное элек­трическое сопротивление, достаточно высокие механические свойства и коррозионную стойкость и легко обрабатываться.

Наиболее распространенными из этих материалов в электро- и радиотехнике являются медь, алюминий, серебро, их сплавы, а так­же стали.

13.1.1. Медь и ее сплавы

Медь Си — металл красноватого цвета, с высокой температу­рой плавления (Т_т = 1083 °С) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: у Си р = 1,72-Ю^-8 Ом м, а у Ag р = 1,58-10~⁸ Ом м. Обладает достаточно высокими значе­ниями предела прочности на разрыв а_в, твердости, пластичности, из­носостойкости и стойкостью к коррозии; ее плотность равна 8,92 Мг/м³. Основные электрофизические и механические характеристики меди приведены в табл. 12.1. Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легко прокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005 мм), хорошо паяется.

Медь — сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования. Содержание меди в земной коре составляет ~310^_3 %; она химически малоактивна. В сухом и влаж­ном воздухе, а также в пресной воде при 20 °С медь достаточно ус­тойчива к коррозии; незначительно корродирует только в морской воде. В сухом воздухе ниже 185 °С с кислородом не взаимодействует. При нагревании до 375 °С медь окисляется с образованием однооки­си СиО, имеющей черный цвет, а выше 375 °С образуется полуокись Cu₂0, имеющая красный цвет. На нее мало влияют соляная и серная кислоты небольшой концентрации (до 80 %). Однако в концентри­рованной азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на ее поверхности постепенно образуется зеленый налет основ­ного карбоната меди (карбонат-гидроксид меди) Cu₂(0H)₂C0₃.

В природе медь встречается в самородном состоянии и, главным образом, в виде сульфидных руд. Из медной руды в результате ряда последовательных процессов обогащения, обжига и восстановления получают так называемую сырую, или черную медь, содержащую обычно до 3 % примесей. Эти примеси значительно снижают элек­тропроводность меди, поэтому медь, предназначенную для электро­технических целей, обязательно подвергают электролитической очи­стке — рафинированию. Рафинированную медь переплавляют в слитки массой 80—90 кг, которые прокатывают или протягивают че­рез волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

При изготовлении проволоки слитки сначала путем горячей про­катки превращают в катанку диаметром 8—18 мм, которую для удале­ния с поверхности окислов меди (СиО и Cu₂0) протравливают слабым раствором серной кислоты и далее протягивают в холодном состоянии через фильеры волочильной доски (см. гл. 11.3.2), получая проволоку заданного профиля и размеров. При прокатке и волочении в холодном состоянии получают твердую (твердотянутую) медь (МТ). Это медь упрочненная. Упрочнения металла путем пластичной деформации в хо­лодном состоянии называют наклепом. Благодаря наклепу медь приоб­ретает повышенную твердость, упругость, предел прочности на раз­рыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается относительное удлинение и относительное сужение перед разрывом (табл. 13.1).

Таблица 13.1 Основные физические свойства медной и алюминиевой проволоки

Свойства	Медь	Алюминий
МТ	ММ	AT	AM
Удельное сопротивление р,	0,0177-0,0180	0,01724	0,0290	0,0280
мкОмм, не более
Предел прочности на раз­	250-500	200-280	100-180	70-100
рыв св, МПа, не менее
Относительное удлинение	0,5-5,0	18-50	0,5-2,0	10-25
перед разрывом 5, %
Относительное сужение пе­	< 55	< 75	70-80	80-85
ред разрывом \|/, %
Твердость по Бринеллю, НВ	65-120	35-38
Модуль упругости, ГПа:
статический	122-132
динамический
Удельная ударная вязкость,	—
кДж/м^2

Медь марки МТ применяют там, где требуются высокие значе­ния предела прочности на разрыв а_в, твердости и сопротивляемости истиранию. Например, для изготовления контактных проводов элек­
трифицированного транспорта, коллекторных пластин электриче­ских машин, шин для распредустройств и т. п.

Заметная рекристаллизация (разупрочнение) меди начинается при температуре примерно 200 °С, а температура рекристаллизационного отжига составляет -600 °С (табл. 13.2). Влияние температуры отжига на свойства меди показано на рис. 13.1, из которого видно, что при отжиге механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем ее удельное сопротивление. После отжига получают мягкую (отожжен­ную) медь (ММ), которая пластична, характеризуется большим удли­нением перед разрывом и имеет удельную электропроводность на 3—5 % выше, чем у МТ (см. табл. 13.1). Однако при отжиге предел прочности на разрыв и твердость снижаются. Отожженная медь слу­жит электротехническим стандартом, по отношению к которому вы­ражают в процентах при 20 °С удельную электропроводность метал­лов и сплавов. Удельная электропроводность стандартной меди при 20 °С равна 58 МСм/м, соответственно р = 0,017241 мкОмм, а ТКр = 4,3-Ю^-3 К"¹ (для интервала от 0 до 150 °С).

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих проволок (жил) в одно- и многожильных кабелях, монтажных и обмоточных проводах и т. д., где важны гибкость, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди марок МТ и ММ изготавливают диамет­ром от 0,02 до 10 мм.

Р- СТ_В, 5,

мкОм м МПа % 0,0176 - 600 - 60

0,0174 - 500 - 50

0,0172 - 400 - 40

0,0170 - 300 - 30

0,0168 - 200 - 20

100 ■ 10

200 400 600 800 Т, °С

Рис. 13.1. Зависимость предела прочности на разрыв с_в, относительного удлинения перед разрывом 8 и удельного сопротивления р меди марки Ml от температуры Т отжига (продолжительность отжига 1 ч)

0^L 0

Ленточную медь широко используют для экранирования кабелей связи и радиочастотных кабелей. Несложный расчет с помощью формулы (12.10) показывает, что медный экран толщиной 0,5 мм (для Си у = 58,5-Ю⁶ См/м, |х_а = |х₀ |х = 12,5610~⁷ Гн/м) становится эф­
фективным при частоте поля не ниже 17 кГц. Следовательно, мед­ный экран эффективен в высокочастотных магнитных полях. В низ­кочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью |х (см. гл. 14.1). В ряде случаев для за­щиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покры­вают никелем, серебром, золотом.

Таблица 13.2 Тепловые свойства меди и алюминия

Свойства	Медь	Алюминий
Температура, °С:
плавления		657-660
литья	1150-1200	700-760
горячей обработки	900-1500	-
начала рекристаллизации (разупрочнения)	-200	-150
рекристаллизационного отжига	500-700	350-400
Температурный коэффициент линейного расшире­	16,4
ния при 20-200 °С, (Х/-10^6, К"^1
Удельная теплоемкость при 20 °С, ДжДкг-К)		920-960
Удельная теплота плавления, МДж/кг	0,213	0,394
Коэффициент теплопроводности при 20 °С, Вт/(м К)	385-406

Удельная электропроводность меди зависит не только от концен­трации примеси, но и от ее химической природы (см. рис. 12.4). На­пример, 0,5 % Zn, Cd или Ag снижают удельную электропроводность меди на 5 %, при той же концентрации Ni, Sn или А1 — на 25—40 %, a Be, As, Fe, Si или P — на 55 % и более. Очень вредно присутствие в меди кислорода — он приводит к образованию оксидов меди, вызы­вающих увеличение удельного сопротивления. Наличие серы снижа­ет пластичность меди, в результате при низких температурах она ста­новится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам кристаллических зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Маркировка меди. По степени чистоты медь стандартизируется на следующие марки:

Марка	Содержание Си, %, не менее	Марка	Содержание Си, %, не менее
М006	99,99	М1р	99,90
моо	99,96	М2	99,70
М06	99,97	М2р	99,70
МО	99,95	МЗ	99,50
М1б	99,95	МЗр	99,50
М1у	99,90	М4	99,00
Ml	99,90

Буква «б» означает, что медь «бескислородная», с повышенной механической прочностью; «р» — медь, раскисленная фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» — медь катодная пере­плавленная.

В марках меди, предназначенной для электротехнических целей, определяют только содержание Си и удельное электрическое сопро­тивление. Например, для меди марки МОб, М16 и Ml при 20 °С у отожженных образцов р не должно превышать 1,724-10~⁸ Ом-м, а для марки М006 — не более 1,706-Ю^-8 Ом-м.

В бескислородной меди допускается содержание кислорода не бо­лее 0,001 %. Большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни», которая проявляется в том, что при нагревании меди в ат­мосфере водорода (распространенная технологическая среда в элек­тровакуумной технике) последний взаимодействует с содержащимся в меди кислородом в виде закиси (полуокиси) меди Cu₂0, и образу­ются пары воды. Пары воды скапливаются в микропорах меди и соз­дают высокое давление, приводящее к охрупчиванию металла. Бес­кислородная медь со специальными легирующими добавками обладает повышенными механическими свойствами.

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как и у серебра. Вакуумную медь получают путем ее переплавления в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давле­нии ~10"³ Па.

Сплавы меди

В случаях_у когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в каче­стве проводникового материала используют ее сплавы — бронзы и ла­туни. Эти сплавы состоят из одной или нескольких фаз, представляю­щих твердые растворы и (или) химические соединения.

Бронзы — это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn, Si, Р, Be, Сг, 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 Be ~2 %, остальное Си), марки БрОЦС6-6-3 — оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержит Sn 6 %, Zn 6 %, Pb 3 %, остальное медь). Атомы примеси (в том числе легирую­щей), внедряясь в кристаллическую решетку, увеличивают ее де­формацию и концентрацию дефектов, повышая р. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопротивление бронз больше [р = (1,8 — 2,8)-10"⁸ Ом-м], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (о_в = 250—1100 МПа) и твер­дость (НВ = 20—260 МПа) и износостойкость, но меньше относи­тельное удлинение перед разрывом (8 = 2—65 %). 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 предел прочность на разрыв о_в, твердость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применя­ют, например, в качестве коллекторных пластин в электрических машинах. Еще большей механической прочностью обладает бе- риллиевая бронза, которую широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей комму­тирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некото­рые виды бронз являются дисперсионно-твердеющими; их уп­рочняют специальной термообработкой. У твердотянутых бронз предел прочности на разрыв о_в и удельное сопротивление р выше, чем у отожженных бронз (состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 13.3).

Таблица 13.3 Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов

Наименование сплава и его состав	Удельная проводи­мость по отношению к стандартной меди, %	Предел проч­ности на раз­рыв ов, МПа	Относительное удлинение пе­ред разрывом, %
Кадмиевая бронза (Cd 0,9 %)	95 83-90	До 310 До 730	50 4
Кадмиево-оловянистая бронза (Cd 0,8 %; Sn 0,6 %)	55-60 50-55	290 До 730	55 4
Бериллиевая бронза Бр Б2 (Be 2,25 %)	17 10	490-600 1100	30-50 7
Оловянно-фосфористая бронза БрОФ 6,5-0,15 (Sn 6,5 %, Р 0,15%)	10-15 10-15	400 1050	60 3
Латунь Л68 (Си 68 %, осталь­ное Zn)	40 30	380 880	65 5
Латунь Л59-1 (Си 59 %, Pb 1 %, остальное Zn)	OIO	350 450	25 5

Примечание. В числителе — значения характеристик для отожженных образ­цов, в знаменателе — для твердотянутых.

Латуни — это сплавы системы Си—Zn с максимальным содержа­нием Zn 45 %. При повышении концентрации Zn до 45 % увеличи­вается предел прочности на разрыв а_в. Максимальная пластичность наблюдается при содержании Zn около 37 %. В некоторые марки ла- туней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количестве один или несколько химических элементов (Sn, Pb, Fe, Mn, Ni или Al). Маркируют латуни буквой JI и цифрой, указываю­щей процентное содержание меди. Например, латунь марки Л63 со­держит меди 63 %, остальное цинк. У латуней сложного состава в маркировке указывается легирующий элемент. Например, латунь марки ЛС59-1 — это свинцовая латунь, содержащая Си 59 %, свинца 1 %, остальное цинк. Главная отличительная особенность латуни от чистой меди — повышенная механическая прочность при достаточно высокой пластичности. 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. Состав и свойства некоторых латуней приве­дены в табл. 13.3.

13.1.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий А1 — это серебристо-белый металл, легкий и легко­плавкий, с высокой электро- и теплопроводностью и пластичностью (см. табл. 12.1). По удельной электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Его р = 2,8-Ю^-8 Ом м, = 657—660 °С, плотность 2,7 Мг/м³. Из-за высоких значений удельной теплоемко­сти и теплоты плавления (см. табл. 13.2) для нагрева от 20 °С до и расплавления алюминиевой проволоки требуется в 1,58 раза больше тепловой энергии, чем для нагрева от 20 °С до Т_ш и расплавления та­кой же массы медной проволоки. Преимущество алюминия как про­водникового материала заключается в том, что он дешевле и более доступен, чем медь. Удельное сопротивление алюминия больше р меди в 1,63 раза, плотность — в 3,5 раза меньше. Поэтому два одина­ковых по длине отрезка проволоки из алюминия и меди с одним и тем же сопротивлением окажутся разными по диаметру и массе. Не­смотря на то, что диаметр алюминиевой проволоки примерно в 1,35 раза больше диаметра проволоки из меди, алюминиевая прово­лока будет легче медной примерно в 2 раза. Это положение имеет немаловажное значение для облегчения веса электротехнических конструкций.

Алюминий — самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет -8,8 %. Производство алю­миния проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов A1₂0₃ jcH₂0 или нефелинов K₂0Al₂0₃-2Si0₂ и др.) получают чистый глинозем А1₂О_э, который растворяют в расплавленном крио­лите (Na₃[AlF₆]) и при -950 °С путем электролиза выделяют алюми­ний. Выплавка (электролиз) алюминия — очень энергоемкая опера­ция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт-ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Алюминий, поступающий на реализацию, обычно содержит 99,7 % А1. Путем электролитического рафинирова-

у,МСм/м 38

341------------------------------ ^----- О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 N,%(мас.)

Рис. 13.2. Зависимость удельной электропроводности у алюминия от концентрации Nразличной примеси

ния его чистоту можно довести до 99,99 % и более. Для полупровод­никовой техники алюминий дополнительно очищают методом зон­ной плавки (см. гл. 9.1) до чистоты 99,9999 %.

Присутствие в алюминии примеси существенно снижает его удельную электропроводность и изменяет механические свойства. При этом на удельную электропроводность алюминия влияет не только концентрация примеси, но и ее природа (рис. 13.2). Присут­ствие в алюминии Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5 % снижает удельную электропроводность на 2—3 %, присутствие в том же коли­честве Cu, Ag или Mg снижает у на 5—10 %, a Ti, Mn и V — на 40 % и более.

Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо поддается прокатке и волочению, которые производят аналогично соответст­вующим операциям для меди. При холодном волочении и прокатке в результате наклепа получают твердый алюминий (AT), который имеет повышенные значения предела прочности на разрыв, твердости и удельного сопротивления. Механические свойства и удельное сопро­тивление наклепанного алюминия можно понизить путем рекри- сталлизационного отжига, проводимого при температуре 350—400 °С (см. табл. 13.2). После отжига получают мягкий (отожженный) алю­миний (AM). Методом волочения или прокатки из алюминия, так же как из меди, получают проволоку (круглую диаметром от 0,08 до 10 мм, прямоугольную, сегментную или секторную) или пластины, лен­ту и фольгу (толщиной до 5—7 мкм).

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку марок: АТП, AT, АПТ и AM — соответственно твердая повышенной проч­ности, твердая, полутвердая и мягкая. Основные свойства твердой и мягкой алюминиевой проволоки приведены в табл. 13.1. Удельная электропроводность у при 20 °С особо чистого алюминия (99,997 %), отожженного при 320 °С в течение 3 ч, равна 38 МСм/м, соответст­венно р = 2,63-10~⁸ Ом м. Удельное сопротивление алюминия марки А5 при 20 °С равно 2,8-Ю"⁸ Ом м, ТКр = 4,МО"³ К"¹.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. На­пример, алюминий марки А97 содержит алюминия 99,97 %, осталь­ное — контролируемая примесь. Алюминий различают трех классов: 1) особо чистый — марка А999 (А1 не менее 99,999 %); 2) химически чистый — марки А995, А99, А97, А95, содержащие А1 не менее 99,995, 99,99, 99,97, 99,95 % соответственно; 3) технически чистый — марки А85, А8, А7, А6, А5, АО, А, АЕ, содержащие А1 не менее 99,85, 99,80, 99,70, 99,60, 99,50, 99,00, 99,00, 99,5 % соответственно; его вы­пускают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других по­луфабрикатов и маркируют АД и АД1. Чем выше требуется чистота алюминия, тем сложнее технология его очистки и контроля и тем он дороже.

В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а цифра на степень чистоты. Примесь не должна превышать 0,5 %, а такая как Fe, Si и Си у алюминия высокой технической чистоты контролируется в каждой плавке и указывается в сертификате. Алю­миний марки А97 применяют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов и других изделий.

Алюминий — активный металл. Благодаря высокому сродству к кислороду, на воздухе он быстро покрывается тонкой (толщина порядка нм) и плотной пленкой оксида алюминия А1₂0₃, которая за­щищает внутренние слои от дальнейшей коррозии. Пленка А1₂0₃ об­ладает высоким удельным сопротивлением (р > 10¹⁴ Ом м), твердо­стью и абразивностью. При напряжениях менее 1 В может служить естественной межвитковой изоляцией. Путем анодирования (элек­трохимического анодного окисления) можно увеличить толщину ок­сидной пленки, при этом повысится пробивное напряжение. Оксид­ная пленка толщиной 0,03 мм имеет U_np = 100 В, толщиной 0,04 мм — U_np = 250 В.

Недостатком такой изоляции является ограниченная гибкость проволоки и заметная ее гигроскопичность. Оксидная изоляция по­лучила наибольшее применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем. Оксидная пленка алюминия, имея вы­сокое удельное сопротивление в месте контакта проводников, созда­ет достаточно высокое переходное (контактное) R_K сопротивление. Для контактных материалов — это отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными методами. Поэтому при пайке алюминия применяют специальные припои или разруша­ют оксидную пленку ультразвуком с помощью ультразвукового па­яльника, либо в месте контакта используют пластическое обжатие.

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 (электрохимическим) потенциалом, ко­торый равен -1,67 В (у меди +0,34 В). Поэтому алюминий, находясь в контакте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следо­вательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других металлов необходимо защищать от увлажнения — покрывать лаками и т. п.

Сплавы алюминия

Сплавы алюминия обладают более высокими значениями предела прочности на разрыв с_в, твердости НВ, износостойкости, нагрево­стойкости и удельного электросопротивления р, но меньшим значением относительного удлинения перед разрывом 8, чем чистый алюминий (табл. 13.4).

Алюминиевые сплавы можно условно разделить на конструкци­онные и электротехнические. Конструкционные сплавы — на литей­ные сплавы и сплавы, деформируемые обработкой (деформируемые сплавы).

Литейные сплавы алюминия маркируют двумя буквами АЛ и цифрой, обозначающей порядковый номер сплава. Наиболее извест­ны сплавы алюминия с кремнием (и небольшими добавками Mg и Мп), их называют силуминами (например, AJ12, AJI4, AJI9). Для полу­чения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств в силумины добавляют 0,05—0,08 % натрия. Такие сплавы называют модифицированными. К литейным алюминиевым сплавам относят сплавы следующих систем: А1—Si—Си (например, AJ13, AJI5, AJI6), Al-Cu (например, AJ17, AJ119, AJ121), Al-Mg (например, АЛ8, AJ127, АЛ 13). Эти сплавы обладают хорошими литейными свойства­ми, свариваемостью и удовлетворительными механическими свойст­вами (см. табл. 13.4).

Деформируемые сплавы алюминия подразделяют на сплавы, не упрочняемые 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 невысокая механическая прочность. К ним относятся сплавы алюминия с Mg и Мп в суммар­ном количестве до 6 %, например сплавы АМц, АМг2, АМг5, а также сплавы с небольшими добавками Mg и Si — сплавы АД31. Алюми­ниевый сплав АД31 (Mg 0,6 % и Si 0,5 %), подвергнутый закалке и естественному старению, имеет маркировку АД31Т, а подвергнутый закалке и искусственному старению — АД31Т1. Эти сплавы наряду с алюминием марки А5Е используют для изготовления электропрово­дящих шин. Механические свойства деформируемых сплавов алю­миния приведены в табл. 13.4.

Таблица 13.4

Марка сплава и его химический состав	Предел	Относи­	Твер­	Удельное
	прочности	тельное уд­	дость по	электро­
	на разрыв	линение	Бринел-	сопротив­
	ов, МПа	перед раз­	лю, НВ	ление р,
		рывом 5, %		мкОмм
Алюминий чистый отожженный	80-90	30-33		0,028
Литейные сплавы
АЛ2 (Si 10-13 %, остальное А1)		2-4	—	_
АЛ4 (Si 8,0-10,5, Mg 0,17-0,3, Mn
0,2—0,5 %, остальное Al)	200-240	1,5-3		—
AJI9 (Si 6,0-8,0, Mg 0,2-0,4 %, осталь­
ное Al)	140-170	1-2	—	—
АЛ13 (Mg 4,5-5,5, Si 0,8-1,3, Mn
0,1—0,4 %, остальное Al)	150-180	0,5-1	—	0,071
АЛ21 (Cu 4,6-6,0, Mg 0,8-1,3, Mn
0,15-0,25 %, остальное Al)	210-220	1,2-1,5	—	—
Деформируемые сплавы, не ущ	оочняемые термообработкой
АМц (Mn 1,0—1,6 %, остальное Al):
отожженный			—	—
упрочненный			—	—
АМг5 (Mg 4,8-5,8, Mn 0,5-0,8 %,
остальное Al)			—	—
АД31 (Mg 0,4-0,9, Si 0,3-0,7 %,
остальное Al) закаленный и искусственно
состаренный			—	0,0325
Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой
Д16 (Си 4,5, Mg 1,5, Mn 0,6 %, осталь­
ное Al):
отожженный				—
закаленный после старения				—
наклепанный		1-2		—
АВ (Си 0,2-0,6, Mg 0,45-0,90, Mn
0,15-0,35, Si = 0,5-1,2 %, остальное Al)			—	—
В95 (Си 1,4-2,0, Mg 1,8-2,8, Mn
0,2-0,6, Si < 0,5, Zn 5,0-7,0, Cr
0,1—0,25 %, остальное Al) закаленный
и отпущенный			—
AK4-1 ((Си 1,9-2,5%, Mg 1,4-1,8,
Si <0,35, Fe 0,8-1,5, Ni 1,0-1,5, Ti
0,02—0,1 %, остальное Al) закаленный	—
и состаренный
Электротехнический сплав
Альдрей (Mg 0,3-0,5, Si 0,4-0,7, Fe
0,2—0,3 %, остальное AJ)	320-370	6-9	—	0,0322

Состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов (для сравнения приведены свойства чистого отожженного алюминия)

Примечания: 1. Буква Д — сплав деформируемый, В в начале марки — высо­копрочный деформируемый сплав; АЛ — алюминиевый литейный сплав; АК — алю­миниевый ковочный сплав. 2. Сплавы AJ121 и АК4-1 — жаропрочные.

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

Дюралюмины — это сплавы системы А1—Cu—Mn; Мп введен для повышения коррозионной стойкости сплавов. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18. Они хорошо деформируются в горячем и хо­лодном состоянии. Для их упрочнения применяют закалку в воде и естественное старение (около 5 сут). Сплав Д16 используют в строи­тельных конструкциях средней и повышенной прочности, для об­шивки и изготовления некоторых элементов самолетов, для кузовов грузовых автомобилей и т. д.

Сплавы авиаль (АВ) менее прочны, чем дюралюмины, зато обладают большей пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Спла­вы авиаль используют в легких конструкциях, где требуется их де­формация при монтаже. Наиболее прочным алюминиевым деформи­руемым сплавом является сплав В95, содержащий добавку Zn (см. табл. 13.4). Однако он менее коррозионностоек, чем дюралюминий, и непригоден для работы при температуре выше 150°С, так как ухуд­шается его механическая прочность.

Жаропрочные алюминиевые сплавы могут быть как литейными (на­пример, AJ121), так и деформируемыми (например, АК4). Эти спла­вы используют для изготовления деталей, работающих при темпера­турах 250—350 °С. Повышенная жаропрочность достигается высоким содержанием Си, а также Mn, Mg и Ti (см. табл. 13.4).

Электротехнические сплавы алюминия. В соответствии с ГОСТ 14838—78 для изготовления холоднотянутой электротехнической проволоки используют алюминий марки АД1 и алюминиевые дефор­мируемые сплавы марок АМц, АМг2, АМг5П, Д1П, Д16П, Д18 и В65, где А обозначает алюминий, Мц — марганец, Мг — магний, Д — деформируемый сплав, П — сплав холодной высадки (разновид­ность пластической деформации), В — высокопрочный деформируе­мый сплав. Все эти сплавы имеют определенный химсостав и содер­жат алюминия не менее ~92 %, легирующей примеси от 1,2 до 6,8 % и естественной контролируемой примеси (Fe, Si, Cu, Zn, Mn и Ti) от 0,75 до 1,75 %. В зависимости от марки сплава р изменяется от 0,02 до 0,0325 мкОм м и а_в от 60 до 200 МПа.

Химические элементы, образующие с алюминием твердые рас­творы, увеличивают механическую прочность, но снижают удельную электропроводность. Наиболее сильно снижают удельную электро­проводность Сг, Li, Mg, Nb, Ti, V, Mn, поэтому их количество в электротехнических алюминиевых сплавах должно быть ограничен­ным. Железо также повышает механическую прочность сплавов, но при этом мало влияет на их удельную электропроводность, так как не входит в твердый раствор, а присутствует в алюминии в виде дис­персных частиц.

Многие электротехнические сплавы алюминия содержат желе­зо Fe и отличаются друг от друга различным его содержанием.

Остальные элементы в этих сплавах представлены на более низ­ком уровне.

Одним из таких сплавов являются сплавы системы А1—Mg—Si с добавкой Fe, применяемые в производстве контактных проводов для электрофицированного транспорта. В этих сплавах содержание Si должно быть несколько бблыиим, чем Mg. Магний, растворяясь в кристаллической решетке алюминия, сильно ее деформирует и тем самым увеличивает удельное сопротивление. При содержании Si больше, чем Mg, при дисперсионном твердении образуется и выде­ляется из твердого раствора химическое соединение Mg₂Si. В резуль­тате кристаллическая решетка алюминия становится менее деформи­рованной, поэтому удельная электропроводность повышается. Увеличение же числа фаз в сплаве за счет образования кристаллов химического соединения Mg₂Si и выделения кристаллов Fe увеличи­вает суммарную удельную поверхность зерен и, следовательно, плот­ность дислокаций, что вызывает повышение предела прочности на разрыв, твердости и нагревостойкости. Введение в эти сплавы малых добавок Ti, В или Ni повышает коррозионную стойкость.

Из электротехнических сплавов системы А1—Mg—Si с добавкой Fe наиболее известен сплав альдрей, обладающий высокими механи­ческими свойствами при небольшом удельном сопротивлении (см. табл. 13.4); его плотность d= 2,7 Мг/м³, TKJIP = 2310"⁶ К^-1, р = 3,2210~⁸ Ом м, ТКр = 0,0036 К^-1. Нагревостойкость альдрея — начало рекристаллизации и снижения механической прочности, рав­на 180—200 °С. Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки (дисперсионного твердения) по схеме: деформация волочением -» закалка в воде при температуре 510—550 °С -» повторная деформация волочением старение при температуре 140—150 °С. По механическим свойствам альдрей при­ближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электро­проводности — к твердому алюминию (AT). Контактный провод из сплава типа альдрея при рабочем токе 60 А, скорости движения 70 км/ч с медноугольным токосъемником имеет износостойкость большую, чем у медного провода.

Из системы А1—Mg—Si с добавкой Fe известны и другие сплавы. Например, сплав, содержащий Fe до 1 % и минимальную концентра­цию Si, имеет удельную электропроводность, составляющую 61 % от электропроводности меди, и предел прочности на разрыв а_в у ото­жженных образцов 100—165 МПа. Известны сплавы системы А1—Mg—Si с малыми добавками В, Zn, Zr, Be, Ag и других химиче­ских элементов.

13.1.3. Биметаллические проводники

В некоторых электротехнических конструкциях (контактные подвески, шины распределительных устройств, разрывные контакты и др.) применяют биметаллические проводники. Биметаллический контактный провод для электрифицированного транспорта обычно представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, снаружи покрытую слоем меди или алюми­ния (рис. 13.3). При этом оба металла соединены друг с другом проч­но и непрерывно по всей поверхности соприкосновения. Каждая часть провода выполняет свою функцию. Медная или алюминиевая оболочка осуществляет электропроводность, стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение. Такой провод при температуре 200 °С разупрочняется слабее, чем медный, поэтому допускает большие токовые нагрузки. Кроме того, для устойчивого токосъема при повышенных скоростях движения электропоезда не­обходимо, чтобы скорость распространения волны колебаний по контактному проводу превышала скорость движения электропоезда. Чем больше натяжение провода и меньше его масса, тем больше ско­рость распространения волны колебаний, более устойчив токосъем и, следовательно, выше скорость движения. Вследствие того что ста- леалюминиевый провод легче медного, он имеет меньшую стрелу провеса, что обеспечивает лучший токосъем при скорс&тях движения 200 км/ч и более.

В электроснабжении широко используют биметаллические про­вода круглого сечения, поскольку они позволяют повысить натяже­ние, а значит, можно увеличить расстояние между опорами линий электропередачи. В соответствии с ГОСТ 3822—79 биметаллические сталемедные провода круглого сечения диаметром от 1,2 до 6,6 мм при толщине медной оболочки от 0,04 до 0,23 мм имеют предел прочности на разрыв от 637 до 735 МПа и электрическое сопротив­ление от 2,2 до 58,0 Ом/м. Оболочку этих проводов производят из меди марок МОк, Ml к, М1б или Ml.

Производимые биметаллические проводники имеют профили фасонный, фасонный овальный, круглый и прямоугольный (в виде полосы). Из биметаллических проводников прямоугольного сече­ния изготавливают шины для распределительных устройств, поло­сы для рубильников и т. д. Биметаллы используют также в произ­водстве некоторых видов разрывных контактов. В этих контактах

рабочими частями являются покрытия из благородного металла (Ag, Au или Pt) или его сплава, а нерабочие части выполнены из меди, латуни, бронзы, стали или другого металла. Например, в гер- конах (магнитоуправляемые герметические контакты) в качестве рабочей части обычно используют сплав золота с платиной, сереб­ром, никелем или цирконием, имеющий повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, а нерабочей час­ти — пермаллой (см. гл. 15.11).

13.2. СВЕРХПРОВОДНИКИ

Состояние проводника, при котором его электрическое сопротивле­ние становится практически равным нулю, называют сверхпроводимо­стью_у а материал в таком состоянии — сверхпроводником.

Экспериментально установлено, что удельное сопротивление сверхпроводников скачкообразно падает до исчезающе малого, не поддающегося измерению, значения (р < 510~²⁴ Ом м). Температуру, при которой происходит переход в сверхпроводниковое состояние, называют критической температурой Т_кр.

Явление сверхпроводимости обнаружил в 1911 г. голландский физико-химик Г. Камерлинг-Оннес. Измеряя температурную зави­симость удельного сопротивления ртутного кольца, он установил, что при температуре 4,2 К сопротивление ртути скачкообразно пада­ет до нуля. В настоящее время в сверхпроводниковое состояние пе­реведены 39 химических элементов, в том числе 33 металла, и боль­ше тысячи различных сплавов и химических соединений. Свойства некоторых сверхпроводниковых металлов представлены в табл. 12.1. Остальные металлы, включая Ag, Cu, Au, Pt, не удалось перевести в сверхпроводниковое состояние при тех низких температурах (около милликельвина), которые могут быть получены в настоящее время.

Ранее (см. гл. 12.3.1; рис. 12.5) было показано, что у идеального металлического проводника при температуре О К удельное сопротив­ление должно падать до нуля, так как бездефектная кристаллическая решетка имеет строго периодический потенциал и поэтому не спо­собна рассеивать электроны проводимости. Однако такое поведение металлов не являлось бы сверхпроводимостью, поскольку переход материала в сверхпроводниковое состояние, во-первых, в принципе не связан с наличием в нем примесей и, во-вторых, происходит не плавно по мере понижения температуры, а скачкообразно, при неко­тором значении температуры, называемой температурой перехода в сверхпроводниковое состояние или критической температурой Т_кр. Для каждого сверхпроводника величина Г_кр вполне определенная. Кроме того, для сверхпроводникового состояния характерным явля­ется то, что магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника, а выталкивается из него (рис. 13.4). Следовательно, сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (см. гл. 14.1.1). Явление выталки­вания магнитного поля из сверхпроводника получило название

рис. 13.4. Магнитное поле с проводником в нормальном (а) и сверхпроводниковом (б) состояниях

А б

эффекта Мейсснера—Оксенфельда, по имени немецких физиков, открывших это явление в 1933 г. Если слабое магнитное поле прони­кает в сверхпроводник только в его поверхностный слой на глубину 10~⁷ м, то достаточно сильное магнитное поле, как будет показано ниже, разрушает сверхпроводимость.

В основе теории сверхпроводимости, созданной Д. Бардиным, J1. Купером и Д. Шриффером в 1957 г., лежит представление о том, что электроны проводимости обладают не только кулоновскими си­лами отталкивания, но и испытывают особый вид взаимного притя­жения. Два электрона, находящихся по разные стороны от положи­тельно заряженного узла кристаллической решетки, притягиваются этим узлом; в результате у этой пары электронов возникает особый вид взаимного притяжения. В сверхпроводниковом состоянии (при Т< Т_кр) силы особого вида притяжения преобладают над силами от­талкивания между электронами проводимости. В результате образу­ются электронные пары, названные куперовскими парами, по имени ученого, доказавшего, что образование таких пар энергетически вы­годно. В куперовских парах электроны имеют противоположные спины и равные по величине, но противоположные по направлению импульсы, поэтому спин и полный импульс пары равны нулю. По­скольку указанные силы взаимного притяжения между электронами в куперовской паре относительно слабые, то они находятся друг от друга на достаточно большом расстоянии, равном порядка 10~⁷ м. В таком относительно большом пространстве, которое занимает купе- ровская пара, размещается примерно 10⁶ куперовских пар. Про­странственное перекрытие такого огромного числа электронных пар неизбежно должно приводить к строгой взаимной корреляции их движения. Пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны проводимости в металле, которые находятся в нормаль­ном («одиночном») состоянии. Каждая электронная пара, взаимо­действуя со всеми остальными, движется строго согласованно со всей совокупностью таких же пар.

Как же будут вести себя электроны в куперовских парах при воз­буждении в сверхпроводнике электрического тока? В отсутствие тока во всех куперовских парах импульс равен нулю, так как пары образо­ваны электронами, имеющими равные по величине, но противопо­ложные по направлению импульсы. Под действием внешнего источ­ника, вызвавшего ток, все куперовские пары, не нарушая
корреляции, приобретают один и тот же импульс и движутся как единое целое (суммарная волна) в одном направлении с некоторой дрейфовой скоростью. Электроны проводимости испытывают рас­сеяние на тепловых колебаниях решетки и других ее дефектах, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Купе- ровские же пары, пока они не разорваны, не могут рассеиваться на тепловых колебаниях и других дефектах решетки. Не испытывая рассеяния при своем движении, куперовские пары обусловливают сверхпроводимость.

При температурах выше О К куперовские пары под действием те­пловых колебаний решетки (фононов) начинают медленно разру­шаться, и электроны переходят в нормальное («одиночное») состоя­ние. Чем ближе температура сверхпроводника к его критической температуре Г_кр, тем большее число куперовских пар разрушено, а при Т= Т^ все они разрушаются и сверхпроводимость пропадает.

Сверхпроводимость можно также разрушить, увеличивая плот­ность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемо­го критической плотностью тока у_кр. При j =у_кр энергия куперовской пары достигает величины, достаточной для ее разрушения.

Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем, что непосредственно вытекает из существования у_кр. При помещении сверхпроводника в магнитное поле в его тонком поверхностном слое находится незатухающий электрический ток, который с увеличением напряженности магнитного поля Н (магнитной индукции В) растет, и при достижении значения у_кр сверхпроводимость разрушается, так как разрушаются куперовские пары. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют кри­тической напряженностью Н^ (или критической магнитной индукцией В_кр). Чем больше значение Н_кр (В_1ф) сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура Т_кр и критическая напряженность магнитного поля Н_кр — взаимозависимые величины. При увеличении температуры сверхпроводника Н_кр (и В_кр) уменьша­ется. Поэтому максимальная температура перехода Т_кр в сверхпро­водниковое состояние достигается при ничтожно малом значении напряженности магнитного поля, т. е. при Н_кр-+ 0 (рис. 13.5).

На сверхпроводимость влияет и частота электромагнитного поля. Начиная с некоторой граничной частоты /р, обычно составляющей десятки-сотни ГГц, разрушаются куперовские пары и соответствен­но исчезает сверхпроводимость, т. е. металл становится обычным проводником.

В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода. Часто «жесткие» сверх­проводники II рода выделяют в самостоятельный класс — сверхпро­водники III рода. В самостоятельный класс также выделяют недавно полученные высокотемпературные сверхпроводники.

Сверхпроводники I рода. Для сверхпроводников I рода характер­ными являются скачкообразный переход в сверхпроводниковое со-

Рис. 13.5. Общий вид диаграммы состояния некоторых сверхпроводников первого (а) и второго (б) рода:

Дата добавления: 2015-08-09