Применение проводниковых материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

13

1. Сплавы высокого сопротивления

Сплавы высокого сопротивления при нормальной температуре имеют с не менее 0,3 мкОмЧм. При использовании этих сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления требуются также высокая стабильность значения с во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТКс и малый коэффициент термо-ЭДС в паре сплава с медью. Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше). Кроме того, для многих случаев применения требуется технологичность сплавов - возможность изготовления из них тонкой гибкой проволоки.

Манганин, названный так из-за наличия в нем марганца (латинское manganum), - широко применяемый для изготовления образцовых резисторов и других элементов сплав. Его примерный состав: Cu - 85%, Mn - 12%, Ni - 3%. Желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение с манганина 0,42-0,48 мкОмЧм; ТКс весьма мал - порядка (6-50)Ч106 К^-1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1-2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТКс и стабильности с манганиновую проволоку подвергают специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре порядка 550-600°С в течение 1-2 часов с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200°С). Кроме того, требуется ещё длительное (до 1 года) выдерживание манганина при комнатной температуре.

Предельная длительно допустимая рабочая температура сплавов типа манганина не более 200°С.

Манганин (NiMn 3-12) является наиболее известным сплавом для прецизионных резисторов. Манганин применяют для изготовления датчиков, которыми измеряют высокие гидростатические давления.

Сопротивление манганиновой проволоки линейно возрастает с повышением давления от 0 до 1 ГПа; увеличение сопротивления при 1 ГПа - около 2,5% от исходного сопротивления при отсутствии давления.

Константан - сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля, что соответствует минимуму ТКс при довольно высоком значении с в системе Cu-Ni. Название «константан» объясняется значительным постоянством с при изменении температуры, т.е. малостью ТКс. Для константана при нормальной температуре с составляет 0,48-0,52 мкОмЧм.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450°С. Существенным отличием от манганина является высокая термо-ЭДС константана в паре с медью, а также с железом; его коэффициент термо-ЭДС в паре с медью составляет 44-55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах, так как при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают паразитные термо-ЭДС, которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах. Однако константан с успехом может быть применен при изготовлении термопар, служащих для измерения температуры, если последняя не превышает 700°С. Эта термопара успешно применяется и при низких температурах вплоть до точки кипения водорода.

Широкому применению константана препятствует большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы высокого сопротивления на основе железа применяют в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются в основном никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось, при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Cr, тем менее нагревостоек («жаростоек») этот сплав.

Сплавы системы Fe-Ni-Cr называют нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами, сплавы системы Fe-Cr-Al - февралями и хромалями.

По принятым стандартам различные сплавы имеют условные обозначения, составляемые из букв и чисел. Буквы обозначают наиболее характерные элементы состава сплава, причем буква, входящая в название элемента, не всегда является первой буквой этого названия (например, Б означает ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, К - кобальт, Л - бериллий, Н - никель, Т - титан, X - хром, Ю - алюминий и т.п.), число после соответствует приблизительному содержанию данного компонента в сплаве (в массовых процентах); дополнительные цифры в начале обозначения определяют повышенное (цифра 0) или пониженное количество сплава. Так, например, обозначение 0Х25Ю5 соответствует сплаву особо высокой жаростойкости с содержанием хрома около 25% и алюминия - около 5%.

Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава, большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Легко улетучиваются, например, оксиды вольфрама и молибдена, поэтому такие металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид не летуч, то он при окислении образует слой на поверхности металла.

Существенным являются близкие значения ТКс самих сплавов и их оксидных пленок. Этим объясняется стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре на воздухе. Растрескивание оксидных пленок имеет место в основном при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава. Так, при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем в случае непрерывной работы элемента при той же температуре.

На срок жизни элементов из нихрома и других жаростойких сплавов влияет также наличие колебаний значений сечения проволоки по ее длине; в местах с уменьшенным сечением элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубках из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняют порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке этих трубок их внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках; они могут работать длительное время без повреждений.

Нихромы весьма технологичны и имеют высокую рабочую температуру, их можно легко протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента - никеля.

Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако они менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты с поперечным сечением крупнее, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используют в электротермии для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей. Они имеют высокую механическую прочность.

2. Сплавы для термопар

сплав термопара контакт припой

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

1) копель (44%Ni и 56% Cu);

2) алюмель (95% Ni остальное - AlSi и Mg);

3) хромель (90% Ni и 10% Cr);

4) платинородий (90% Pt и 10% Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

а) платинородий-платина - до 1600°С,

б) медь-константан и медь-копель - до 350°С;

в) железо-константан, железо-копель и хромель-копель - до 600°С;

г) хромель-алюмель - до 900-1000°С.

Для измерения криогенных температур можно использовать термопару железо-золото, а также медь-константан. Наибольшую термо-ЭДС при данной разности температур можно получить от термопары хромель-копель.

3. Тензометрические сплавы

Тензометрические сплавы применяют для датчиков деформации различных конструкций под действием механических (обычно растягивающих) усилий. Действие таких датчиков основано на изменении сопротивления при растяжении тензометрического элемента.

Основным материалом для тензометрических датчиков, работающих при сравнительно невысоких температурах является уже описанный константан. Для высокотемпературных датчиков применяют сплавы системы Fe-Cr-Ni.

4. Контактные материалы

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные, а также скользящие контакты).

По основному критерию, значению коммутирующего тока, контакты делятся на слаботочные (токи от долей до единиц ампера) и сильноточные (от единиц до тысяч ампера). Понятие «электрический контакт» определяется как место перехода тока из одной токоведущей детали в другую, т.е. это должно быть надёжное соединение двух проводников, способных проводить электрический ток с достаточно малым и стабильным сопротивлением.

Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны обеспечивать высокую надежность: не допускать возможности эрозии (обгорания) контактирующих поверхностей, приваривания их друг к другу под действием возникающей в случае разрыва контакта электрической дуги при малом переходном электрическом сопротивлении контакта в замкнутом состоянии. В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов, применяют различные сплавы и металлокерамические композиции. Широко распространен материал системы Ag-CdO при содержании окиси кадмия 12-20 масс, %. Такой материал получается при нагреве в окислительной атмосфере бинарного сплава серебро - кадмий. Для разрывных контактов в установках большой мощности применяют следующие композиции: Ag с Со, Ni, Cr, Mo, W и Та; Cu, W и Мо; Аu с W и Мо.

В качестве материалов для скользящих контактов, которые должны обладать высокой стойкостью к истиранию, используют твердую медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Ag-CdO.

5. Припои и флюсы

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайку осуществляют или с целью создания механически прочного (иногда герметичного) шва, или с целью получения постоянного (не разрывного или скользящего) электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой нагревают. Так как припой имеет температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые металлы, то он плавится, в то время как основные металлы остаются твердыми. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твердого металла происходят сложные физико-химические процессы. Припой растекается по металлу и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом припой диффундирует в основной металл, а основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Припои принято делить на две группы: мягкие - с температурой плавления Т_пл до 400°С и твердые - с Т_пл выше 500°С. Кроме температуры плавления, припои существенно различаются и по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении не выше 50-70 МПа, а твердые - до 500 МПа.

Тип припоя выбирают в зависимости от рода спаиваемых металлов или сплавов, требуемой механической прочности, коррозионной стойкости, стоимости и (при пайке токоведущих частей) удельной электрической проводимости припоя.

Название припоя, как правило, определяется металлами, входящими в него в наибольших количествах. Название припоев, содержащих драгоценные или редкие материалы даже в небольших количествах, происходят от этих металлов. В условных обозначениях марок припоев первая буква П (припой), а затем идут сокращённое наименование основных компонентов и их количество в процентах. Используются следующие сокращения: олово - О, сурьма - Су, свинец - С, алюминий - А, серебро - Ср и т.д.

Примеры условных обозначений марок припоев:

ПОС-61 - припой оловянно-свинцовый, содержит 61% олова, остальное свинец;

ПОССу-61-0,5 - припой оловянно-свинцовый, содержит 61% олова, 0,5% сурьмы, остальное свинец;

ПМЦ-36 - припой медно-цинковый, 36% меди;

ПСр-50 - припой серебряный, 50% серебра;

ПСр-25Ф - припой серебряный, 25% серебра, содержит фосфор.

Мягкими в основном являются припои оловянно-свинцовые с содержанием олова от 18 (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет 9 - 13% от удельной проводимости чистой меди, а температурный коэффициент ТК = (26-27)Ч10-⁶К-¹. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Так, более легкоплавки припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Их применяют в тех случаях, когда требуется пониженная температура пайки; механическая прочность их незначительна. Сплав Вуда (50% Bi; 25% Pb; 12,5% Sn; 12,5% Cd) имеет температуру плавления всего 60,5^oС.

Наиболее распространенные твердые припои - медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр).

В электровакуумной технике для вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, не требуются очень тугоплавкие и дорогие металлы (вольфрам, молибден, платина и т. п.); здесь используют особые виды металлических материалов. Для этих материалов наиболее важным является ТК, который для получения вакуум-плотного ввода должен соответствовать ТК стекла. Ковар (марка 29НК), применяемый для впаивания в твердые стекла, имеет следующий примерный состав: Ni - 29%, Со - 18%, Fe - остальное; его с равно 0,49 мкОмЧм, ТК составляет (4-З)10^-6 K^-1.

Платинит представляет собой биметаллическую проволоку с сердечником из никелевой стали марки Н42 (с содержанием Ni 42-44 масс. %) и наружным слоем из меди марки М0. Меди в платините содержится 25-30% от общей массы проволоки. Название «платинит» объясняется тем, что ТК платинитовой проволоки близок к значению ТК платины.

Вспомогательными материалами для получения надежной пайки являются флюсы, которые должны:

1) удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов;

2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный припой от окисления;

3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;

4) улучшать растекаемость припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

По действию, оказываемому на припаиваемый металл, флюсы подразделяют на несколько групп:

- активные (кислотные) флюсы приготовляют на основе активных веществ - соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов и т. д. Эти флюсы интенсивно растворяют оксидные пленки на поверхности металла, благодаря чему обеспечивается хорошая адгезия и высокая механическая прочность спая. Но остаток флюса после пайки вызывает интенсивную коррозию спая и основного металла. Поэтому применяют такие флюсы только в том случае, когда возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса. При монтажной пайке радиоаппаратуры использование активных флюсов недопустимо.

- бескислотные флюсы - это канифоль и флюсы, приготовляемые на ее основе с добавлением неактивных веществ (спирта, глицерина).

- активированные флюсы изготовляют на основе канифоли с добавкой активаторов - небольших количеств солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина и т.п. Высокая активность некоторых активированных флюсов позволяет производить пайку без предварительного удаления окислов после обезжиривания.

- антикоррозионные флюсы изготовляют на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии (например, флюс ВТС).

Список используемой литературы

1. http://www.ssga.ru/AllMetodMaterial/metod_mat_for_ioot/metodichki/

perminov/g6.html#top

2. http://www.nglib.ru/index.jsp

Размещено на Allbest.ru