7. 5. Различные сплавы, припои, неметаллические проводники

СПЛАВЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ДЛЯ РЕЗИСТОРОВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Общие сведения. Определение понятия «сплав высокого сопро­тивления» и области применения этих сплавов уже были указаны выше (стр. 186). При использовании этих сплавов для электро­измерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления р, требуются высокая стабильность р во вре­мени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления се_р и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000 ^СС и даже выше). Кроме того, во многих случаях требуется технологич­ность сплавов — возможность изготовления из них гибкой про­волоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавы, используемые для приборов, производимых в больших количествах, — реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников, — были де­шевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

Манганин. Это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Си —85 %, Мп —12 %, N1 — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское шап§апиш); желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение р манганина 0,42—0,48 мкОм-м; ос_р весьма мал, (5— 30)-10'^в 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 ос_р и стабильности р во времени манга­ниновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550—600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжи­гаются при 200 ^СС. Предельно длительно допустимая рабочая тем­пература сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: о_р = 450—600 МПа, А/// = 15—30 %. Плотность манганина М Мг/м³.

Константан — сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму а_р в системе Си —КЧ при довольно высоком значении р (см. рис. 7-3, а и б). Название «кон­стантан» объясняется значительным постоянством р при изменении температуры [для сплавов типа константана а_р при нормальной температуре составляет минус (5—25)-10^_в К^-1 при р = 0.48— 0,52 мкОм-м]. По механическим свойствам константан близок к ман-

Свойства сплавоз типа нихрома

	Состав,	%, по массе *		Плот­ ность, Мг/м3						Предельная рабочая тем­пература **, °С
Марка сплава	Сг	Ni	Мп			р. мкОм* м		ар-10\ К“1
Х15Н60 Х20Н80	15—18 20—23	55—61 75—78	1.5 1.5	8,2—8,3 8,4—8,5	1,1—1,2 1,0—1,1		100—200 100—200		1000 поп

* Остальное Ре.

** Это температура, при которой электронагревательный элемент может дли­тельно работать на воздухе без заметного окислення и без механических деформаций.

ганину (ст_р = 400—500 МПа, МП = 20—40 %). Его плотность 8,9 Мг/м³.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагреватель­ных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.

Существенным отличием константана от манганина является высо­кая термо-ЭДС константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-ЭДС в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К (рис. 7-27). Это является недостатком при использовании констан- тановых резисторов в измерительных схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с мед­ными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенцио­метрических методах измерений. Зато константан с успехом может быть использован при изготовлении термопар, служащих для изме­рения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов (рис. 7-27), кривые 3 и 4).

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

Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации К (стр. 183), потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось выше, имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется (см. рис. 7-10); чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сг, тем менее нагревостоек этот сплав.

С

J

плавы системы Fe —Ni —Сг называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами (табл. 7-6); сплавы системы Fe —Сг —А1 называются фехралями и хромалями (табл. 7-7). Происхождение названий этих сплавов не требует разъяс­нения. Следует отметить, что для самых различных сплавов по

Свойства хромалюминиевых сплавов

Состав, %, по массе *

в «и о <3°

4> а

Марка сплава

Мп

N1

Сг

А1

Плот­ ность, Мг/м"

Р, мкОм* м

ТКрХ X 10е, К-1

Предельно стимая рабо1 температура,

V МПа

Относительно удлинение п разрывом, %

Х13Ю4 Х23Ю5

0,7 0,7

0,6 0,6

12—15 22—25

5,5 5,5

7,1—7,Б 6,9—7,3

1,35 1,5

100—120 65

900 1200

700 800

20 10-15

* Остальное железо.

принятым в СССР стандартам часто применяются условные обозна­чения, составляемые из букв и чисел. Буквы эти обозначают наи­более характерные элементы, входящие в состав сплава, причем буква входит в название элемента, но не обязательно является первой буквой этого названия (например, Б обозначает ниобий, В —воль­фрам, Г —марганец, Д —медь, К —кобальт, Л —бериллий, Н — никель, Т —титан, X —хром, Ю —алюминий и т. п.), а-число — приблизительное содержание данного компонента в сплаве (в про­центах по массе); дополнительные цифры в начале обозначения определяют повышенное (цифра 0) или пониженное качество сплава. Так, в табл. 7-7 обозначение Х23Ю5 соответствует сплаву с содер­жанием хрома 23 % 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 он летуч, то он удаляется с поверхности ме­талла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окис­ления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид нелетуч, то он при окислении образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пл§нок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагрева­тельного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же темпе­ратуре.

Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из ни­хрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В труб­чатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого со­противления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией Д^О). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках; они могут работать весьма длительно без повре­ждений.

Некоторые свойства сплавов типа нихрома даны в табл. 7-6. Их механические параметры: а_р = 650—700 МПа, МП = 25—30 %. Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента —никеля.

Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышлен­ных электрических печей. Некоторые свойства этих сплавов приведены в табл. 7-7.

СПЛАВЫ ДЛЯ ТЕРМОПАР

Для изготовления термопар применяются следующие сплаэы: капель (56 % Си и 44 % N0, алюмель (95 % N1, остальное А1, Б1 и Мб), хромель (90 % N4 и 10 % Сг), платинородий (90% и 10% ИЬ).

На рис. 7-27 были приведены зависимости термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для наиболее употребительных термопар.

Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий — платина — до 1600 °С, медь — константам и медь — копель — до 350 °С,

железо — константан, железо — копель и хромель — копель — до 600 °С, хромель — алюмель — до 900—1000 °С.

Наибольшую термо-ЭДС при данной разности температур развивает термопара хромель — копель. Знак термо-ЭДС у приведенных на рис. 7-27 термопар таков, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму (т. е. от хромеля к копелю, от меди к константану), а в горячем спае — в обратной направлении.

Весьма значительными коэффициентами термо-ЭДС обладают некоторые полу­проводниковые материалы, которые, в частности, могут использоваться для изгото­вления термоэлектрических генераторов (см. стр. 266).

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ

Эти сплавы применяются в преобразователях деформации различныл кон струкций под действием механических (обычно растягивающих) усилий. Действие таких преобразователей основано на изменении сопротивления при деформациях тензометрического элемента. Коэффициент тензочувствительности определяется выражением

л ^Д/?//? п

^й~-ЩГ' ⁽⁷‘¹³⁾

где АЯ — изменение сопротивления /? при изменении- Д/ длины элемента I.

Значение (I может быть рассчитано по формуле

^{1 +} 1Г-Т' ^{+ 2}^ ⁽⁷'¹⁴⁾

Здесь Др — изменение удельного сопротивления р материала тензопреобразова- теля под влиянием механической нагрузки Р; $ — площадь поперечного сечения проволоки преобразователя; Е — модуль Юнга; и — коэффициент Пуассона мате­риала этой проволоки.

Основным материалом для тензопреобразователей, работающих при сравни­тельно невысоких температурах, является описанный выше конетантан.

КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны обеспечивать высокую надежность (исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, а также приваривания их друг к другу под действием возникающей при разрыве контакта электрической дуги) при малом переходном электрическом сопротивлении контакта в замкнутом состоянии.

В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов, применяются различные сплавы и металлокерамические композиции. Большое применение имеет материал системы А£—Сс!0 при содер­жании оксида кадмия 12—20 % по массе. Такой материал получается при нагреве в окислительной атмосфере сплава серебро—кадмий. Для разрывных контактов в установках большой мощности применяют композиции Ag с Со, N1, Сг, XV, Мо и Та; Си с XV и Мо; Аи с XV и Мо.

Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для этой цели применяют холоднотянутую (твердую) медь, берилли- евую бронзу (см. выше), а также материалы системы Ag—Сс!0. Щетки, служащие для создания скользящего контакта во вращающихся электрических машинах, описаны ниже на стр. 226.

ПРИПОИ

~ Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка осуществляется или с целью создания механически прочного (иногда гер­метичного) шва, или с целью получения постоянного электрического контакта с малбм переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой на­греваются. Так как припой имеет температуру плавления значительно меньшую, чем у соединяемых металлов, то он плавится, в то время как спаиваемые металлы остаются твердыми. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твер­дого металла происходят сложные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями.

Состав и свойства припоев

Тип припоя	Марка припоя	Основн ые компонент ы	Плотность, Мг/м3	Свойства Предел прочности при растяже­нии, МПа	Температура плавлення, °С	Материалы, спаиваемые данным припоем
Припои оловянно­свинцовые	От ПОС—18 до ПОС—90	Бп 18—90 %, БЬ 0,15—2,5 %, РЬ — остальное	7,6—10,2	28—43	190—277	Медь и ее сплавы, серебро, оцинкованное железо
Припои оловинно- свинцово-кадмиевые	ПОСК—47	Бп 47—50 %, РЬ 32—36 %, С<1 17—18 %			145—180	Медь и ее сплавы, серебро, нанесенное методом вжи- гания на керамику
Припои оловянно- свинцово-серебря- но-кадмиевые	ПСрК	Бп 30 %, РЬ 63%, Сс1 5 %, Аё 2 %			225	То же
Сплав Вуда		Бп 12,5%, РЬ 25 %, С<1 11,5 %, В1 50 %			60,5	Различные, спаиваемые при особо низких температу­рах
Припои оловянно- кадмиево-цинковые		5п 40—55%, С<1 20 %, 2п 25 %, (А1 15 %)			200—250	Алюминий и его сплавы
Припои медно-цинко­вые	ПМЦ—36, ПМЦ—54	Си 36—54 %, Ъп — остальное	7,7—8,3	220	825—860	Медь и ее сплавы, сталь
Припои медно-сере- бряно-цинковые	От ПСр— 25 до ПСр—70	Си 26—40 %, Ай 25—70 %, 2п 4—35 %	8,9—9,8	280—350	720—765	Медь и ее сплавы; серебро, платина, вольфрам, сталь

П

225

ри этом припой диффундирует в основйой Металл, 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 и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 °С, а к твердым — припои с температу­рой плавления свыше 500 °С. Кроме температуры плавления, припои существенно различаются и по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении а_р не выше 50—70 МПа, а твердые — до 500 МПа.

Тип припоя выбирают, сообразуясь с родом спаиваемых металлов или сплавов, требуемой механической прочностью, коррозионной стойкостью, стоимостью и — при пайке токоведущих частей — с удельной электрической проводимостью припоя.

Мягкими припоями в основном являются припои оловянно-свинцовые (марка ПОС) с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Удельная про­водимость этих припоев составляет 9—13 % удельной проводимости стандартной меди, а температурный коэффициент линейного расширения а/ — (26—27)-10 ⁶ К”¹. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Еще более легкоплавки припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Они применяются там, где требуется пониженная температура пайки; механическая прочность их очень незначительна. Висмутовые припои обладают большой хрупкостью.

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

Обобщенные характеристики некоторых припоев приведены в табл. 7-8.

Не относящиеся к собственно припоям особые виды металлических материалов применяются в электровакуумной технике для вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, так что использование здесь особо тугоплавких, но дорогих металлов (вольфрам, молибден, платина) не требуется. Для этих материалов особую важность имеет температурный коэффициент линей­ного расширения щ, который для получения вакуумплотного ввода должен согласо­вываться с а; стекла. Отметим ковар (марка 29НК), применяемый для впая в твер­дые стекла; это сплав примерного состава; № 29 %, Со 18 %, Ре остальное; его р равно 0,49 мкОм-м, а; составляет (4—5)-10 ⁶ К^-*.

Платинит представляет собой биметаллическую проволоку с сердечником из никелевой стали марки Н42 (с содержанием N1 42—44 % по массе) и наружным слоем из меди марки МО (стр. 198). Содержание меди в платините — от 25 до 30 % общей массы проволоки. Название «платинит» объясняется тем, что а_г платини- товой проволоки близок к щ платины (см. табл. 7-1).

ФЛЮСЫ

Это вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Они должны: