Металлы низкого электрического сопротивления и сплавы на их основе (серебро, медь, алюминий, биметалл)

Липецкий  государственный технический университет

 

Кафедра Электропривода

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

по  Электротехническому и конструкционному материаловедению

 

 

 

Металлы низкого электрического сопротивления и сплавы  на их основе 
 
(серебро, медь, алюминий, биметалл).

 

 

 

 

Студент                                 __________________                 Кинарейский Ю.О.                                                     

подпись, дата                                 

Группа ЭП-11-2

 

Руководитель                        ___________________                 И.В.Музылёва

к.т.н., доцент                                подпись, дата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Липецк 2013 г

 

 

Аннотация.

  С. 14. Ил. 1. Табл. 1. Литература 7 назв.

В работе рассматриваются металлы низкого электрического сопротивления и сплавы  на их основе. Указаны их разновидности, достоинства и недостатки каждого типа, структура и возможности применения для определенных технических устройств.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

1. Введение………………………………………………………………4
2. Медь…………………………...………………………………………5
3. Сплавы меди……………….....……………………………………....6
4. Алюминий……….…….…………………………………...………....7
5. Алюминиевые сплавы……....…………………………………….….8
6. Серебро..…....……………………………………………………......10
7. Биметалл.…………………………………………………………….11
8. Литература.……………………………………………….………...13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Материалы с высокой проводимостью. К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства; способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.

Основным является требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может  снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при  штамповке или волочении, что  приводит к разрушению отдельных  зерен металла. Влияние деформаций металла на ее электропроводность устраняется  при отжиге, во время которого уменьшается  число дефектов в металле и  увеличиваются средние размеры  кристаллов металла. В связи с  этим проводниковые материалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.

Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в  чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые  свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и  сталь.

Для улучшения свойств цветные  сплавы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг  влияет на мягкость материала и уменьшает  напряжения в отливках. Закалка и  старение повышают механические свойства.

Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие

1. малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
2. достаточно высокая механическая прочность;
3. удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);
4. хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщиной до тысячных долей миллиметра);
5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего  путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов  с интенсивным дутьем медь, предназначенная  для электротехники, обязательно  проходит процесс электролитической  очистки. Полученные после электролиза  катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80–90 кг, которые  прокатывают и протягивают в  изделия требующегося поперечного  сечения. При изготовлении проволоки  болванки сперва подвергают горячей  прокатке в так называемую катанку  диаметром 6,5–7,2 мм; затем катанку  протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с  ее поверхности оксид меди СuО, образующийся при нагреве, а затем протягивают  без подогрева в проволоку  нужных диаметров – до 0,03–0,02 мм.

Стандартная медь, в процентах  по отношению к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20° С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. ρ = 0,017241 мкОм·м. Твердую медь употребляют там, где  надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических  машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом  в качестве токопроводящих жил кабелей  и обмоточных проводов, где важна  гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться  весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно  собирать; важно не смешивать их с другими металлами, а также  с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было эти отходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

 

Сплавы меди

В отдельных  случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются  ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие  сплавы, носящие название бронз, при  правильно подобранном составе  имеют значительно более высокие  механические свойства, чем чистая медь: σ_ρ бронз может быть 800–1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σ_ρ – до 1350 МПа). Сплав меди с цинком – латунь – обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей. 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°С применяют проволоку из бескислородной меди. Основные характеристики меди марок ММ и МТ приведены в табл. 1.  

 

Характеристика	Медь марки MM	Медь марки МТ
Плотность, кг/м3	8900	8960
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	260-280	360-390
Относительное удлинение, %	6-35	0,5-2
Уд. электрическое сопротивление, мкОм · м	0,0172-0,0174	0,0177-0,0180
Температурный коэффициент уд. электр. сопротивления, 1/°С	0,0043	0,0043

 

Таблица 1. Основные характеристики меди.

 

 

 

Алюминий

Является вторым по значению (после  меди) проводниковым материалом. Это  важнейший представитель так  называемых легких металлов с плотностью менее 5 Мг/м³; плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного – 2,7 Мг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными  по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и  электрическими. При одинаковых сечении  и длине электрическое сопротивление  алюминиевого провода больше, чем  медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его  сечение в 1,63 раза большим, т. е. диаметр  должен быть в 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что  если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины  и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче  его приблизительно в два раза: 8,9/(2,7·1,63) = 2. Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна  алюминия дороже тонны меди не более  чем в два раза. Весьма важно, что  алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5% примесей, марки Al. Еще более чистый алюминий (не более 0,03% примесей) применяют для  изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты имеет  содержание примесей, не превышающее 0,004%. Разные примеси в различной степени  снижают удельную проводимость γ  алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5% снижают γ отожженного алюминия не более чем на 2–3%. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5–10%. Очень  сильно снижают γ алюминия добавки Ti и Мn.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям  над медью. Из алюминия может прокатываться  тонкая до 6–7 мкм фольга, применяемая  в качестве электродов бумажных и  пленочных конденсаторов.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой  с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое  переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и  делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением  ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и  алюминиевый проводник может  быть сильно разрушен коррозией. Поэтому  места соединения медных проводников  с алюминиевыми должны тщательно  защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными способами).

Иногда, например, для замены свинца в защитных кабельных оболочках, используется алюминий с содержанием  примесей не более 0,01% (вместо 0,5% для  обычного проводникового алюминия). Такой  особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок и  пластичен и обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии.

Алюминиевые сплавы

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. Высокие механические свойства альдрей приобретает после  особой обработки (закалки катанки  – охлаждение в воде при температуре 510–550°С волочение и выдержка при  температуре около 150°С). В альдрее  образуется соединение Mg₂Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение MgOSi из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый  в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой  проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость –  алюминием. Увеличенный наружный диаметр  сталеалюминиевого провода по сравнению  с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так  как уменьшается опасность возникновения  короны вследствие снижения напряженности  электрического поля на поверхности  провода. На рисунке 3.1 приведены некоторые характеристики сталеалюминиевого провода марки АC