Колесов

р, нОм-м 50 ---------

iL____ ■.1 ■

10 20 30 50 70 100 Г, К

0,1

0,01

Рис. 13.6. Температурные зависимости удель­ного сопротивления р криопроводников:

И 2 — особо чистые медь и алюминий соот­ветственно; vи 2 —обычные проводниковые медь и алюминий соответственно; 3 — берил­лий; 4 —натрий. Стрелками отмечены темпе­ратуры кипения азота и водорода

В отличие от сверхпроводников удельное сопротивление крио­проводников при охлаждении в широком интервале температур сни­жается плавно, без скачков, в чем и заключается их преимущество перед сверхпроводниками. Например, случайное повышение темпе­ратуры сверхпроводника выше его Т_кр влечет внезапное выделение большого количества энергии, что может привести к аварийной си­туации. В случае же криопроводников случайное повышение темпе­ратуры вызывает лишь постепенное, плавное повышение удельного сопротивления.

На рис. 13.6 представлены температурные зависимости удель­ного сопротивления для наиболее важных проводниковых метал­лов — меди и алюминия, а также для бериллия. Из рисунка вид­но, что, во-первых, удельное сопротивление у Си, А1 и Be при криогенных температурах существенно ниже, чем при нормальной температуре, особенно у особо чистых Си и А1, и, во-вторых, при температуре жидкого водорода наиболее эффективными в качест­ве криопроводника являются особо чистые Си и А1, а при темпе­ратуре жидкого азота — технически чистый Be (примесей не бо­лее 0,1 %). Однако бериллий дорог, высокотоксичен (особенно в пылевидном состоянии), малотехнологичен и имеет сильновыра- женный магниторезистивный эффект. Поэтому в качестве крио­проводника более рационально использовать алюминий, так как он более доступен, недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление в рабочем интервале температур. Напри­мер, алюминий марки А999 (А1 не менее 99,999 %) при температу­ре жидкого гелия (—269 °С) имеет удельное сопротивление не бо­лее (1—2)10~¹² Ом-м.

Криопроводники в основном применяют в качестве токопрово- дящих жил проводов и кабелей, работающих при температурах жид­кого водорода (-252,6 °С), неона (-245,7 °С) или азота (-195,6 °С).

13.4. МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силициды и карбиды, а также чистые металлы в очень тонких слоях. Материалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОмм, очень низкий ТКр и малую термо-ЭДС относительно меди.

13.4.1. Металлические сплавы, образующие твердые растворы

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, широко применяют для изготовления различных термопар, образцовых рези­сторов, шунтов, реостатов, электронагревательных элементов и т. д. К материалам, которые используются для изготовления электрона­гревательных элементов, предъявляют дополнительное требование — они должны иметь высокую нагревостойкость, т. е. могли бы дли­тельное время работать на воздухе при температуре около 1000 °С без заметного ухудшения свойств. Кроме того, во многих случаях от ме­таллических сплавов требуется высокая технологичность и возмож­ность получать из них тонкие гибкие проволоки.

Известно, что удельное сопротивление металлов существенно возрастает в очень тонких пленках (см. гл. 12.3.1): чем тоньше плен­ка, тем больше удельное сопротивление р и меньше ТКр (см. рис. 12.6). Это явление используют в пленочных резисторах. Для по­лучения очень высоких значений удельного сопротивления приме­няют сочетание двух факторов, для чего используют материалы вы­сокого сопротивления (металлические сплавы, образующие твердые растворы, оксиды, силициды, карбиды некоторых металлов и их смеси) в виде тонких пленок.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по на­значению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве прово­лочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т. д. Самые рас­пространенные среди них — медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

Манганин — это сплав, состоящий из меди Си 85—89 %, никеля Ni 2,5—3,5 % и марганца Мп 11,5—13,5 %. Примеси не должно быть бо­лее 0,9 %. Свое название получил из-за содержащегося в нем марган­ца, придающего ему желтоватый оттенок. Удельное сопротивление манганина составляет 0,42—0,48 мкОм м, предельно допустимая тем­пература 200 °С. Свойства манганина приведены в табл. 13.5. Манга­нин хорошо протягивается в тонкую проволоку. Проволоку мангани­новую неизолированную выпускают диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микропровод в стеклянной изоляции производят диаметром в не­сколько мкм. Проволоку выпускают в твердом и мягком (отожжен-

15*

ном) состояниях. Ее поверхность должна быть чистой и гладкой, без трещин, раковин и расслоений. Манганин хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01—1 мм (ширина ленты 10—300 мм).

Таблица 13.5 Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Сплав	Плот­ность. Мг/м^3	Удельное сопротив­ление р, мкОмм	ТКр 10^6, к-^1	Термо- ЭДС от­носитель­но меди, мкВ/К	Предель­но допус­тимая рабочая темпера­тура, °С	Предел прочно­сти на разрыв ов, МПа	Относи­тельное удлине­ние перед разры­вом, %
Манганин	8,4	0,42-0,48	5-30	1-2		450-600	10-15
Константан	8,9	0,48-0,52	-(5-25)	40-50	450-500	450-650	15-20
Сплавы системы Fe-Ni-Cr (нихромы): X15H60 X20H80	8,2-8,3 7,1-7,5	1,0-1,2 1,0-1,1	100-200 100-200		1000 1100	650-700 650-700	22 20
Сплавы системы Fe—Сг—А1 (фехраль и хромаль): Х13Ю4 Х23Ю5	7,1-7,5 6,9-7,3	1.2- 1,35 1.3- 1,4	100-120 65		900 1200	700 800	20 10-15

Для повышения стабильности сопротивления и снижения ТКр манганиновую проволоку специально остаривают, подвергая отжигу в течение 1—2 ч при температуре около 400 °С в вакууме или в ней­тральном газе (аргоне или азоте) с последующим медленным охлаж­дением. Затем выдерживают 10 ч при 140 °С и еще около года при комнатной температуре. В паре с Си (и Fe) манганин имеет низкую термо-ЭДС (1—2 мкВ/К). Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измери­тельных приборов, например термопар, датчиков, измеряющих вы­сокие гидростатические давления.

Константам — сплав, содержащий 56—59 % меди Си, 39—41 % никеля Ni и 1—2 % марганца Мп, примеси — не более 0,9 %. Указан­ное содержание Ni в сплаве примерно соответствует максимуму р и минимуму ТКр на кривой зависимости р и ТКр от состава сплава (см. рис. 10.9, б). Свое название получил за высокое постоянство удельного сопротивления в рабочем интервале температур. Его удельное сопротивление р = 0,48—0,52 мкОм м, значение ТКр близ­ко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. По нагревостой­кости константан превосходит манганин и может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450—500 °С. Константан имеет высокие механические свойства и хо­рошо поддается пластическому деформированию: его можно протя­гивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и манганин. Электрические и механические свойства константана приведены в табл. 13.5. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900 °С на ее поверхности обра­зуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами. Константановую проволоку с оксидной пленкой мож­но наматывать плотно, виток к витку, без дополнительной изоля­ции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью (и железом) возникает высокая термо-ЭДС (40—50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых рези­сторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство ис­пользуют для изготовления медно-константановых и железо-кон- стантановых термопар.

Нагревостойкие сплавы используют для изготовления нагреватель­ных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия, называемые нихромами, ферронихромами, фехра- лями и др. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловлена обра­зованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки, у которой коэффициент линейного расширения близок к TKJIP сплава. Поэтому образование трещин в оксидной пленке может происходить только при резких сменах температуры. В связи с этим срок службы электронагревательных элементов определяется не временем их не­прерывной работы, а числом их включения и отключения. Наличие хрома в этих сплавах придает им высокую нагревостойкость.

Нихромы (см. табл. 13.5) — это сплавы системы Fe—Ni—Сг, со­держащие Ni 55—78 %, Сг 15—25 %, Мп 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0—1,2 мкОм м. При повышенном содержа­нии железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы облада­ют высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую про­волоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы, из них изготавливают электронагревательные элементы. Вы­сокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значения­ми TKJIP сплавов и их оксидных пленок. Срок службы электрона­гревательных элементов можно увеличить, заделав спирали в инертную среду типа глина-шамот, которая затрудняет доступ ки­слорода воздуха и предохраняет от механических повреждений.

Фехрали и хромали (см. табл. 13.5) — это жаростойкие сплавы системы Fe—Сг—А1, содержащие с своем составе хрома Сг 12—15 %, алюминия А1 3,5—5,5 %, марганца Мп 0,7 %, никеля Ni 0,6 % и ос­тальное железо Fe; удельное сопротивление равно 1,2—1,4 мкОм м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем ни­хромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Они намного дешевле и более доступны, чем нихромы, так как алюминий дешевле и доступнее, чем никель. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химиче­скому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.

13.4.2. Пленочные резистивные материалы

Из пленочных резистивных материалов изготавливают пленоч­ные резисторы различных типов. Резистивные пленки получают ме­тодом вакуумных технологий из чистых металлов, их сплавов, окси­дов, силицидов, карбидов некоторых металлов и их смесей, а также из углеродистых материалов.

Тонкие резистивные металлические пленки получают из туго­плавких металлов (тантала Та, рения Re, хрома Сг) и таких сплавов, как нихромы, сплавы марки PC (содержат Si, Сг, Ni, Fe), сплавы марки MJIT (многокомпонентные сплавы, содержащие Si, Fe, Сг, Ni, Al, W, а некоторые из них и лантаноиды), а также композицион­ных материалов (механические смеси мелкодисперсных порошков металлов, их оксидов, карбида кремния с органической или неорга­нической связкой). Используют также металлооксидные резистив­ные пленки (например, из двуокиси олова) и на основе различных модификаций углерода (природного графита, сажи, пиролитическо- го углерода) и боруглерода.

Все типы пленочных резистивных материалов непрерывно совер­шенствуют, ассортимент их постоянно расширяется.

13.4.3. Сплавы для термопар

Наибольшее применение для термопар получили сплавы: копель (Ni 44 % и Си 56 %; р = 0,465 мкОмм), алюмель (Ni 95 %, осталь­ное Al, Si и Mn; р = 0,305 мкОм м), хромель (Ni 90 % и Сг 10 %; р = = 0,66 мкОм м), платинородий (Pt 90 % и Rh 10 %; р = 0,19 мкОм м). Металлы для термопар подбирают таким образом, чтобы в интервале измеряемых температур их спаи могли образовывать максимальную термо-ЭДС. Согласно этому условию, применяют следующие термо­пары: медь-константан и медь-копель (до 350 °С); железо-констан- тан, железо-копель и хромель-копель (до 600 °С); хромель-алюмель (до 900—1000 °С); платинородий-платина (до 1600 °С). Наибольшей термо-ЭДС при одинаковой разности температур спаев обладает тер­мопара хромель-копель (80 мкВ/К), минимальной — термопара пла­тинородий-платина (8 мкВ/К). Знак термо-ЭДС зависит от направ­ления тока в холодном и горячем спаях. Принято считать, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму, а в горячем, наоборот, т. е. в холодном спае от меди к копе- лю, от платинородия к платине.

13.5. ПРОВОДНИКОВЫЕ МЕТАЛЛЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В данной главе рассматриваются некоторые проводниковые ме­таллы, имеющие узкое назначение. Из-за особенностей тех или иных физико-химических свойств эти металлы имеют специальное приме­нение в производстве различных электротехнических изделий. На­пример, их используют в качестве нитей накаливания и электродов в электро- и радиолампах, различных разрывных контактах, испарите­лей, сверхпроводников, ферромагнетиков и т. д. В основу'классифи­кации этих материалов положена температура плавления.

13.5.1. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким металлам относятся металлы, имеющие темпера­туру плавления Т_ш выше, чем у железа (у Fe Т^ = 1539 °С). При низ­ких температурах эти металлы, как правило, химически стойкие. Однако при повышенных температурах в атмосфере воздуха они до­вольно легко окисляются, поэтому при высоких температурах их можно эксплуатировать только в среде инертных газов или в вакуу­ме. Эти металлы трудно поддаются механической обработке. Изде­лия из них, как правило, получают методами порошковой металлур­гии (прессованием и спеканием порошков) или методами электрова­куумных технологий (плавлением электронным или лазерным лу­чом, плазменной обработки и т. п.).

Тугоплавкие металлы (и сплавы на их основе), несмотря на де­фицитность и высокую стоимость, являются основными проводни­ковыми материалами в электровакуумной промышленности. Из ту­гоплавких металлов наиболее широко применяют вольфрам W, тантал Та, молибден Мо, ниобий Nb, хром Сг, ванадий V, титан Ti, цирконий Zr, рений Re.

Вольфрам W — это самый тугоплавкий металл (7^ = 3380 °С) светло-серого цвета, с высокой плотностью (d= 19,3 Мг/м³); удель­ное сопротивление р = 5,5-10~⁸ Ом м, ТКр = 510~³ К^-1, предел проч­ности на разрыв а_в = 550—3500 МПа, относительное удлинение пе­ред разрывом 5 = 4%, твердость НВ = 2620 МПа. Вольфрам получают из руды путем сложной химической переработки в виде порошка, из которого методами порошковой металлургии (прессова­нием и спеканием порошков W) производят бруски и детали неслож­ной формы. Такой вольфрам имеет зернистую структуру; он тверд, хрупок и легко ломается. Если зернистый вольфрам подвергнуть ме­ханической обработке (ковке, волочению), то его структура стано­вится волокнистой и прочность на излом повышается в несколько раз. Путем волочения получают тонкие гибкие нити диаметром до 10 мкм и менее, у которых значение а_вв 5—7 раз выше, чем у вольф­рамовых кованых стержней диаметром 5 мм. Вольфрам также прока­тывают в тонкие гибкие ленты с волокнистой структурой. Механиче­скую обработку вольфрама производят при высоких температурах в защитной среде — в атмосфере водорода, так как на воздухе он начи­нает окисляться при температуре выше 400 °С. По этой же причине изделия из вольфрама, работающие при температуре выше 400 °С, должны эксплуатироваться в атмосфере инертных газов (азоте, арго­не и др.) или в вакууме. Нагревостойкость в защитной среде у него высокая — до 2200 °С.

Вольфрам относительно дорог и трудно поддается механической обработке, поэтому его применяют только там, где нельзя заменить другим металлом. Основная область его применения — нити накали­вания, электроды, крючки в осветительных и электронных лампах, в рентгеновских трубках и т. д., т. е. там, где высокая рабочая темпера­тура и высокая термоэлектронная эмиссия. Для понижения работы выхода и увеличения эмиссии электронов в вольфрам вводят 1—2 % оксида тория ThO, который, кроме того, препятствует росту кри­сталлических зерен вольфрама и увеличивает тем самым его формо- стойкость и, следовательно, срок службы изделий из него при экс­плуатации в области температур до 2300 °С. Вольфрам наиболее стоек по сравнению с другими материалами к образованию дуги и обладает высокой стойкостью к эрозии и механическому износу, у него отсутствует привариваемость, поэтому вольфрам широко и дав­но применяют для изготовления разрывных контактов (см. гл. 13.6). В микроэлектронике вольфрам в виде спиралей используют в испа­рителях для термического напыления в вакууме тонких пленок раз­личных материалов. Вольфрам со стеклами марок С37-С41 образует вакуумно-плотные спаи (см. гл. 7.10); его выпускают в виде кованых и тянутых прутков диаметром 1,0—12 мм, проволоки диаметром 0,01—1,5 мм, фольги и полос толщиной 0,01—3,0 мм. Основные не­достатки вольфрама: 1) трудность механической обработки; 2) обра­зование в атмосфере воздуха при температуре выше 400 °С оксидных пленок, а при содержании в воздухе или жидком диэлектрике серо­содержащих веществ (сернистого газа, сероводорода и др.) — суль­фидных пленок; 3) необходимость больших контактных давлений для получения небольших величин сопротивления в месте электри­ческого контакта.

Тантал Та — тугоплавкий металл светло-серого цвета с голубо­ватым оттенком, Г_ПЛ = 3000°С, плотность d= 16,6 Мг/м³, удельное сопротивление р = 1,2410"⁷ Омм, ТКр = 3,8-Ю"³ К"¹, а_в = 350— 1250 МПа, 5 = 2—40 %, НВ = 450 МПа. В сравнении с вольфрамом тантал обладает более низкой температурой плавления и лучше под­дается пластическому деформированию — ковке, волочению, про­катке, которые производят при комнатной температуре. Полученные прутки имеют диаметр 3—50 мм. Фольгу и листовой тантал выпуска­ют толщиной 0,008—2,0 мм, проволоку — диаметром 0,03—1,6 мм, бесшовные тянутые трубки - наружным диаметром 1,5—4,0 мм при толщине стенок 0,3—2 мм. Тантал, так же как и вольфрам, получают методом порошковой металлургии с последующей механической об­работкой. Однако спекание Та производят в вакууме, так как он сильно поглощает газы, в результате чего становится хрупким. При повышенной температуре тантал взаимодействует почти со всеми га­зами, за исключением инертных.

Тантал применяют для изготовления анодов и сеток генератор­ных ламп, в производстве электролитических конденсаторов, кото­рые по своим свойствам превосходят алюминиевые электролитиче­ские конденсаторы, при изготовлении пленочных резисторов, в качестве лодочек в испарителях для термического напыления в ва­кууме тонких пленок различных материалов и т. д. Его также ис­пользуют как сверхпроводник.

Молибден Мо — металл, по внешнему виду и по свойствам по­хож на вольфрам, однако почти в два раза легче вольфрама (d = = 10,2 Мг/м³) и из всех тугоплавких металлов (его = 2620 °С) имеет самое низкое удельное сопротивление (р = 510~⁸ Ом м), его ТКр = 4,3-10~³ К"¹, о_в = 350-2500 МПа, 5 = 2-55%, НВ = 1530 МПа. Молибден получают из руды, и изделия из него изготавливают по тем же технологиям, что и из вольфрама. Структуры кованого об­разца молибдена и образца, полученного волочением, схожи со структурами соответствующих образцов вольфрама. Однако в отли­чие от вольфрама отожженный мелкозернистый молибден обладает хорошей пластичностью, и его обработка не вызывает особых труд­ностей. На воздухе молибден начинает окислятся при температуре 400 °С и интенсивно при 600—700 °С и выше. Во влажной атмосфере окислы образуются уже при 250 °С. Поэтому детали из молибдена при высоких температурах должны работать в вакууме или в инерт­ных газах.

Молибден, как и вольфрам, используют в качестве электродов в радиолампах, испарителей в вакуумной технике, разрывных электри­ческих контактов, для получения вакуумно-плотных спаев (вводов) со стеклами марки С47-С52 и т. д.

Ниобий Nb — тугоплавкий металл светло-серого цвета; Т_ш = = 2470 °С, плотность d = 8,57 Мг/м³, удельное сопротивление р = 1,510~⁷ Ом м, ТКр = 3,9Т0~³ К"¹, о_в = 350-900 МПа, 5=1- 30 %, НВ = 750 МПа. По химическим свойствам и методам механи­ческой обработки ниобий подобен танталу. Его также получают ме­тодами порошковой металлургии. Выпускают ниобий в виде прово­лок, лент и труб. Ниобий и некоторые его соединения являются сверхпроводниками с относительно высокой температурой перехо­да Т_кр (для чистого Nb Т_кр = 9,2 К, а для его соединений - до Г_кр = = 23 К), поэтому его применяют для изготовления сверхпроводящих магнитов, СВЧ волноводов и т. д. В электровакуумной технике Nb применяют для производства анодов, экранов и других деталей, в ка­честве газопоглотителей, а также для получения пленочных резисто­ров в микросхемах.

Хром Сг — один из распространенных химических элементов в земной коре. Его электрические и механические свойства приведены в табл. 12.1. Получают металлический хром термическим восстанов­лением окиси хрома Сг₂0₃ алюминием или кремнием, или путем электролиза водных растворов его химических соединений. Хром об­ладает высокой стойкостью к окислению, поэтому его применяют в качестве защитного (антикоррозионного) покрытия металлических (стальных) изделий, в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хром входит в состав жаростойких сплавов — нихро­мов и других, используемых для нагревательных элементов, а также в
состав нержавеющих и кислотоупорных сталей. Применяется для из­готовления пленочных резисторов и подслоя для контактных площа­док и токопроводящих коммуникаций в интегральных микросхемах.

13.5.2. Металлы со средним значением температуры

плавления

К металлам со средним значением температуры плавления отно­сятся такие, температура плавления которых ниже 1600 °С и выше 500 °С. Наибольший интерес для электро- и радиотехники представ­ляют металлы группы железа — железо Fe, кобальт Со и никель Ni и сплавы на их основе. Эти металлы и их сплавы обладают ферромаг­нитными свойствами. Для них характерно также повышенное значе­ние температурного коэффициента удельного сопротивления ТКр.

Железо (сталь). Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны обладают высокой механической прочностью, дешевы, доступны и поэтому широко используются в технике (в том числе в электротех­нике) как конструкционные материалы. Строение и свойства желе­зоуглеродистых сплавов рассмотрены в гл. 10.4, термическая обра­ботка сталей и ее влияние на механические свойства сталей — в гл. 10.5, классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей — в гл. 10.6.

В электротехнике железо и его сплавы с углеродом и другими химическими элементами используют также в качестве проводни­кового и ферромагнитного материала. В качестве проводникового материала иногда используют низкоуглеродистые стали с содержа­нием углерода до 0,10—0,15 % и удельным сопротивлением р около 1,10~⁷ Ом м, ТКр «6,2-Ю^-3 К"¹, о_в = 380-420 МПа, 5 = 31-25 % (для рельсовой стали с содержанием углерода 0,67—0,80 % а_в > 800 МПа, 5 = 5—8 %). Удельное сопротивление стали зависит от природы и концентрации примеси (рис. 13.7). При переменном токе у стали от­мечается скин-эффект и как у ферромагнетика возникают потери мощности на вихревые токи и магнитный гистерезис (см. гл. 15.1.1).

р,мкОм-м

0,25

0,15

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 N,%(мас.)

0,20

0,10

Рис. 13.7. Зависимость удельного сопро­тивления р стали от концентрации Nраз­личной примеси

в отличие от чистого железа стали имеют низкую коррозионную стойкость, поэтому изделия из стали, работающие во влажной ат­мосфере, покрывают защитным слоем цинка, хрома или алюминия. У биметаллических проводов на основе стали (сердцевина) и меди или алюминия (оболочка) повышается не только коррозионная стойкость, но и электропроводность.

Кобальт Со — пластичный блестящий белый металл с сероватым оттенком; 7^ = 1500 °С, плотность ^ = 8,85 Мг/м³, удельное сопро­тивление р = 6,4-10~⁸ Ом м, ТКр = 6,0-10~³ К^-1, у отожженных образ­цов о_в ~ 500 МПа, 5 > 5 %. В отличие от железа он химически менее активен. На воздухе кобальт не окисляется. При нагревании до 300 °С он покрывается тонкой оксидной пленкой СоО. Кобальт яв­ляется составной частью многих сплавов и композиционных мате­риалов магнитных и жаростойких (до 1000°С) с повышенной меха­нической прочностью и малым значением ТКр.

Никель Ni — серебристо-белый ковкий и тягучий металл; 7^ = 1453 °С, плотность d= 8,96 Мг/м³, удельное сопротивление р = 6,810~⁸ Омм, ТКр = 6,710~³ К^-1, у отожженных образцов а_в«400—600 МПа, 5 = 35—50 %. Никель менее активен, чем железо и кобальт; на воздухе не тускнеет, стоек к действию воды и органи­ческих кислот. Выпускают никель в виде полос, пластин, лент, тру­бок, стержней и проволок. Никель используют в жаропрочных (до 1000 °С), магнитных, проводниковых и других сплавах с особыми физико-химическими свойствами, а также в качестве защитных и де­коративных покрытий металлических изделий, в производстве ще­лочных кадмиево-никелевых и железо-никелевых аккумуляторов. В электровакуумной технике никель используют в качестве электро­дов и арматуры в электронных лампах.

Сплавы на основе металлов группы железа широко используют в качестве- магнитных материалов, а также для получения вакуумно- плотных спаев со стеклами и керамикой. Обычно эти сплавы приме­няют в спаях, которые работают при относительно невысоких темпе­ратурах, и поэтому нет необходимости применять такие тугоплавкие и дорогие металлы, как вольфрам, молибден, платина и др. Наиболее известными из этой группы сплавов являются ковар, инвар и плати­нит.

Ковар — сплав системы Fe—Ni—Со. В состав ковара марок Н28К18 и Н29К18 входит Ni 28,7-29,2 %, Со 17,3-17,8 % и осталь­ное Fe. У ковара 7^ = 1450 °С, о_в» 630 МПа, 5 = 35 %, удельное со­противление р = 4,9-Ю^-7 Ом м; обладает низким температурным ко­эффициентом линейного расширения (ТКЛР ~ 4,8-10~⁶ К^-1). Со стеклом марки С48 ковар марок Н28К18 и Н29К18 образует вакуум- но-плотный спай. Пленка окисла на поверхности ковара при нагре­вании растворяется в стекле и обеспечивает прочное соединение ковара со стеклом. Ковар легко паяется и сваривается, выпускает­ся в виде лент и полос толщиной 0,1—4,0 мм, прутков диаметром 6—40 мм, проволок диаметром 0,2—3,0 мм и бесшовных труб с внешним диаметром 2,0—4,1 мм при толщине стенок 0,3—2,0 мм.

Инвар (сплав Н36) — сплав железа примерно с 36 % никеля. У него очень низкий температурный коэффициент линейного рас­ширения: TKJIP в интервале температур от —100 до +100 °С равен МО^-6 К^-1. У инвара а_в» 530 МПа, 5 = 40 %, удельное сопротивление р = 8,3-10"⁷ Ом м.

Платинит — это биметаллическая проволока, сердечник которой выполнен из никелевой стали Н43 (Ni 43 % и Fe 57 %), а наружная оболочка из меди марки МО. Свое название получил из-за близко­го значения его TKJIP к TKJIP платины. TKJIP платинита равен (8,2-9,2)-10"⁶ К"¹, а платины - TKJIP = 9,5-Ю^-6 К"¹. Его удельное сопротивление р = 5,110~⁷ Ом м, а_в = 730 МПа, 5 = 32 %. Платинит используют для получения вакуумно-плотных спаев со стеклами марок С87-С90. Проволоку из платинита выпускают диаметром 0,2—0,8 мм.

13.5.3. Легкоплавкие металлы

К легкоплавким металлам относятся металлы, температура плав­ления которых ниже 500 °С. Наиболее широкое применение в элек­тро- и радиотехнике среди легкоплавких металлов получили: свинец РЬ, олово Sn, цинк Zn, кадмий Cd, ртуть Hg, индий In, галлий Ga.

Свинец РЬ — мягкий и высокопластичный металл (легко режется ножом) синевато-серого цвета с металлическим блеском на свежем срезе. Благодаря высокой пластичности его в холодном состоянии можно прокатывать в фольгу. На воздухе свинец окисляется, и его поверхность быстро тускнеет. Его = 327 °С, а_в = 16 МПа,

5 = 55 %, НВ = 39 МПа, удельное сопротивление р = 1,9- Ю^-7 Ом м. Основные физико-химические свойства свинца приведены в табл. 12.1. Свинец коррозионностоек к действию воды, серной и соляной кислот (на холоду). Однако разрушается под действием азотной и органических кислот (продукты гниения), извести и некоторых дру­гих веществ. Вода, особенно при повышенной температуре и в при­сутствии кислорода воздуха, постепенно окисляет РЬ, так как рас­творяет его защитную оксидную пленку. Свинец применяют для изготовления баббитов (подшипниковые сплавы на основе свинца или олова и содержащие Sb и Си), а также для защиты от радиоак­тивного излучения (он хорошо поглощает у-лучи). В электротехнике его используют в плавких предохранителях, мягких припоях (ПОС), свинцовых аккумуляторах и в кабельных оболочках. В последних применяют его сплавы с малыми количествами Sb, Те, Cd, Си, Са и Sn. В настоящее время кабельные оболочки производят из алюминия или пластмассы, наиболее дешевых материалов. Водорастворимые соединения свинца ядовиты.

Олово Sn — мягкий и пластичный металл серебристо-белого цве­та, легко прокатывается в холодном состоянии в тонкую фольгу (до

6 мкм). Для олова Т_ш = 232 °С, а_в = 16-38 МПа, НВ = 52 МПа, р = 1,13-Ю"⁷ Ом м. При изгибе палочки из олова слышно характер­ное потрескивание, вызванное трением кристаллитов др_уг о дру­га. Олово полиморфно. Обычное белое олово ((J-Sn) плотностью 7,25 Мг/м³ образует тетрагональную кристаллическую решетку и ус­тойчиво при температуре выше 13,2 °С. Ниже этой температуры ус­тойчиво серое олово (a-Sn) кубической структуры, плотностью 5,85 Мг/м³. При переходе р-модификации в a-модификацию.олово рассыпается в серый порошок. Это явление называют «оловянной чумой». Переход p-Sn в a-Sn наиболее интенсивно протекает при температуре —33 °С. При нагревании серое олово переходит снова в белое. Действию оловянной чумы подвержено чистое олово. Приме­си свинца, особенно сурьмы и висмута, задерживают превращение белого олова в серое. Например, введение 0,5 % сурьмы или висмута делают скорость превращения белого олова в серое практически рав­ной нулю. На воздухе при нормальной температуре олово не окисля­ется, но начинает заметно окисляться при температуре выше 150 °С; оно не подвержено влиянию воды, а разведенные кислоты действуют очень слабо. Олово растворяется в смеси фтористоводородной и азотной кислот и в концентрированной соляной кислоте. Энергично реагирует с концентрированной азотной кислотой; медленно раство­ряется в сильных щелочах.

Применяют олово в качестве защитного покрытия стали (луже­ние); оно входит в состав мягких припоев (ПОС) и в некоторые мар­ки бронз.

Цинк Zn — металл синевато-белого цвета, хрупкий при комнатной температуре; при нагревании до 100—150 °С становится пластичным и хорошо куется и прокатывается в листы. При температуре выше 200 °С становится настолько хрупким, что растирается в порошок. У цинка высокой степени чистоты полиморфизм отсутствует. Его = 419 °С, р = 5,92-10~⁸ Ом м. В сухом воздухе при комнатной температуре цинк достаточно химически стоек. С кислородом воздуха цинк не взаимо­действует из-за тончайшей оксидной пленки ZnO, защищающей его поверхность от дальнейшего окисления. В присутствии влаги и С0₂ цинк покрывается очень тонкой защитной пленкой основного карбо­ната цинка (карбонат-гидроксид цинка) Zn₂(0H)₂C0₃.

Цинк применяют в качестве антикоррозионного покрытия сталь­ных изделий, в виде составной части латуней, при металлизации бу­маги для малогабаритных бумажных конденсаторов, в производстве фотоэлементов и др. Цинк на поверхности стального изделия явля­ется эффективным анодным покрытием, так как обладает значитель­ным отрицательным электродным потенциалом.

Кадмий Cd — ковкий и тягучий металл серебристо-белого цвета, 7⁷_пл = 321 °С, р = 7,4-Ю^-8 Ом м. При комнатной температуре в сухом воздухе Cd химически стоек. В атмосфере влажного воздуха покры­вается тонкой пленкой окиси, которая при 200 °С приобретает соло­менно-желтый цвет и предохраняет металл от дальнейшей коррозии.

Применяют кадмий в производстве фотоэлементов, щелочных аккумуляторов (кадмиево-никелевые), в качестве защитного (анти­коррозионного) покрытия. Он входит в состав некоторых бронз и низкотемпературных припоев. В качестве электролитического по­крытия кадмий применяют для защиты от атмосферной коррозии метиза из стали и цветного металла, используемого в электротехни­ке. Кадмиевые покрытия обладают высокой коррозионной стойко­стью к воздушной и жидкой средам, содержащим хлориды, напри­мер, к морской воде. Однако у них низкая стойкость к действию серосодержащих веществ. Растворимые соединения Cd ядовиты.

Ртуть Hg — металл серебристо-белого цвета. Это единственный металл, находящийся при комнатной температуре в жидком состоя­нии, 7^ = -39 °С, удельное сопротивление р = 9,5810~⁷ Ом м. При комнатной температуре ртуть химически стойкий металл, начинает окисляться только при температурах, близких к температуре кипе­ния. Применяется в газоразрядных лампах (пары ртути имеют более низкий потенциал ионизации, чем обычные и инертные газы), для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных вы­прямителях и в других случаях. В ртути растворяются щелочные, ще­лочноземельные металлы, а также Au, Ag, Pt, Mg, Al, Zn, Sn, Pb, Cd, образуя рстворы, называемые амальгамами. Поэтому приборы, со­держащие ртуть, должны быть изготовлены из металлов, нераство- ряющихся в ртути — это вольфрам, железо и тантал. Ртуть, ее соеди­нения и особенно пары ядовиты.

13.5.4. Благородные металлы

В электротехнике благородными металлами принято считать зо­лото Аи, серебро Ag, платину Pt и палладий Pd. В широком смысле к благородным металлам можно отнести и другие металлы платиновой группы (иридий Ir, осмий Os, рутений Ru, родий Rh). Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Золото, серебро и пла­тина на воздухе практически не окисляются, вплоть до плавления. Точными оптическими исследованиями установлено, что на воздухе золото покрыто тончайшим адсорбционным слоем кислорода, а на поверхности серебра обнаружена окисная пленка толщиной 12 А. Палладий на воздухе при температуре 600—700 °С образует пленку монооксида PdO.

В природе благородные металлы встречаются в виде самородков и в различных рудах. Из руды их получают путем последовательной металлургической, химической и электролитической переработки со степенью чистоты, которая может составлять у золота — 99,998 %, серебра - 99,999 %, платины - 99,9998 %, палладия - 99,94 %.

Золото Аи — металл желтого цвета, обладающий очень высо­кой пластичностью. Из него можно получать фольгу толщиной до 0,01 мкм. С кислотами и щелочами не взаимодействует, растворя­ется только в «царской водке» (смесь азотной и соляной кислот); Т_ш = 1063 °С, о_в = 150 МПа, 5 = 40 %, удельное сопротивление р = 2,25-10~⁸ Ом м.

В электронной технике золото применяют как контактный мате­риал в слаботочных коммутирующих устройствах (например, в гер- конах), в качестве покрытия резонаторов СВЧ, внутренних поверх­ностей волноводов, в производстве электродов полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и для других целей. В коммутирую­щих устройствах чистое золото используют только для изготовления прецизионных контактов с малым контактным нажатием и низким напряжением. В других типах контактов применяют сплавы золота с серебром, никелем, цирконием, имеющие повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость.

Серебро Ag — металл белого цвета, пластичный, обладает самым низким удельным сопротивлением р= 1,5810~⁸ Ом м, 7¹_ПЛ = 961°С, а_в = 200 МПа, а = 50 %.

Как проводниковый материал серебро применяют для получения гальванического покрытия в ВЧ- и СВЧ-устройствах. У керамиче­ских конденсаторов из него получают прочные электроды методом вжигания. Применяют серебро в качестве контактного материала в коммутирующих устройствах, в составе некоторых твердых припоев, в производстве серебряно-цинковых и серебряно-кадмиевых аккуму­ляторов и в других случаях. К недостаткам серебра следует отнести его миграцию по поверхности и внутрь диэлектрика в условиях по­вышенных температур и влажности, более низкую коррозионную стойкость, чем у других благородных металлов, — серебро химически взаимодействует с серосодержащими веществами, например с газами H₂S, S0₂, и образует темные пленки сернистого серебра, имеющие повышенное удельное сопротивление. Взаимодействие серебра с се­росодержащими веществами имеет место даже при их низких кон­центрациях в жидкостях и в воздухе.

Платина Pt — блестящий тугоплавкий металл серовато-белого цвета (Гпл ⁼ 1770 °С), с высокой плотностью (d =21,45 Мг/м³) и пла­стичностью (у отожженных образцов а_в=150 МПа, 5 = 30—35 %), удельным сопротивлением р = 9,810"⁸ Ом м. Платина химически очень стойкий металл; на воздухе не окисляется даже при температу­ре плавления и не образует сернистых соединений, что обеспечивает платиновым разрывным контактам стабильное переходное (контакт­ное) сопротивление. Платина медленно растворяется только в «цар­ской водке».

В качестве контактного материала обычно используют сплавы платины с никелем, серебром, золотом, иридием, которые повыша­ют ее твердость и удельное сопротивление. Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) используют в качестве подвесок в электрометрах. Применяют платину для изготовления высокотемпе­ратурных (до 1600 °С) термопар.

Палладий Pd — серебристо-белый металл, самый легкий (d = = 12,02 Мг/м³) и наиболее легкоплавкий (7^ = 1550 °С) из всех металлов платиновой группы; мягкий и пластичный (отожженные образцы имеют а_в = 200 МПа, 5 = 40 °С), удельное сопротивление р = 1,08-10~⁷ Ом м. По ряду свойств палладий близок к платине и мо­жет служить ее заменителем, так как дешевле платины в 4—5 раз. Однако он отличается большей реакционной способностью, чем платина. На воздухе при нагревании до 600—700 °С палладий окис­ляется с образованием монооксида PdO. Это единственный металл из платиновой группы, который растворяется в горячей концентри­рованной азотной и серной кислотах. Способность палладия погло­щать водород (1 объем палладия поглощает до 900 объемов водорода) используют в электровакуумной технике. Поглотив водород при не­высоких температуре и давлении, палладий выделяет его в вакууме при нагревании до 350—500 °С. Этим методом наполняют водородом некоторые типы газоразрядных приборов. Палладий и его сплавы с серебром и медью используют в качестве контактного материала.

13.6. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ КОНТАКТОВ

Материалы для подвижных контактов в процессе эксплуатации подвергаются электрической эрозии, свариванию, коррозии и меха­ническому износу. Интенсивность эрозии, сваривания и коррозии зависят в первую очередь от природы материала, силы контактного нажатия и величины разрываемого тока.

Электрическая эрозия — это разрушение контактных материалов (КМ), связанное с расплавлением и переносом металла в газооб­разном и жидком (в виде мелких капель) состояниях с одной контак­тирующей поверхности на другую под действием электрических разрядов. Эрозия приводит к образованию на контактирующих по­верхностях наростов и кратеров. Особенно существенно эрозия про­является в цепях постоянного тока. Чем выше значения удельной теплоемкости, температуры и удельной теплоты плавления и темпе­ратуры сублимации КМ, тем ниже их эрозия.

Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при которых возникает дуговой разряд. С ростом напряжения минимальный ток дугообразования падает почти по па­раболической кривой (рис. 13.8) и становится малозависимым от на­пряжения выше 200 В. Дугообразование зависит от природы КМ и окружающей среды, состояния контактирующих поверхностей и ин­дуктивности цепи. Самый высокий минимальный ток дугообразова­ния имеет вольфрам (см. рис. 13.8).

Сваривание КМ происходит под действием высоких значений температуры и силы контактного нажатия и может приводить к де­формированию контактирующих поверхностей с частичным рас­плавлением или даже к потере способности их к размыканию. По­этому очень важно, чтобы КМ обладали высокой стойкостью к свариванию, которая присуща вольфраму, а угольно-графитовые ма­териалы вообще не поддаются свариванию.

Коррозия — это химическое взаимодействие КМ с окружающей сре­дой, в результате которого на их поверхности образуются оксидные, сульфидные, карбонатные и другие пленки с низкой удельной электро­проводностью. Высокой коррозионной стойкостью обладают золото

Рис. 13.9. Схема контактной поверхности:

пряжения U для различных контактных \ _ металлические пятна (участки); 2 — ква-

Дата добавления: 2015-08-09