Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

В табл. 5.37 приведены механические свойства сплава с 20 % Ni и 20%Мп после обработки, включающей промежуточную хо­ лодную деформацию на 50 и 90 %.

Термически упрочняемый сплав CuNi20Mn20 (20%Ni; 20%Мп; ост. Си) широко применяется в Швейцарии в часовой промыш­ ленности [104].

Сплав удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях, но обладает высоким сопротивлением пласти­ ческой деформации. Температура горячей об­ работки давлением (прокатка, штамповка) не должна превышать 930 °С, так как при темпе­ ратуре 950 °С сплав становиться хрупким. По­ сле закалки сплав в холодном состоянии может обрабатываться традиционными способами формообразования (штамповка, ковка, гибка).

При закалке, отжиге и старении в качест­ ве защитной среды рекомендуется применять сухой диссоциированный аммиак. После тер­ мической обработки очистка поверхности про­ изводится травлением заготовок в 15 %-ом растворе серной кислоты.

Сплав CuNi20Mn20 обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах, но при производстве часов высокого качества применяются специальные меры защиты от коррозии без изменения цвета и внешнего вида изделий из этого сплава. На изделия из сплава

Рис. 5.33. Влияние продолжительности старения при температурах 350,400,450 и 500 °С на твердость сплава Си - 20 % N i - 20 % Мп

CuNi20Mn20 легко наносятся гальванические покрытия (медь, никель, хром, золото и др.).

Из сплава CuNi20Mn20 производят де­ формированные полуфабрикаты: полосы, листы, ленты, используемые при изготовлении деталей часов (корпус, пружина) и упругих элементов, где не регламентируется электропроводность.

Сплав хорошо сваривается и паяется мяг­ кими итвердыми припоями, отлично полируется.

5.3. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ

Медно-никелевые сплавы этой группы (табл. 5.38) обладают высоким удельным элек­ тросопротивлением, особыми темоэлектриче­ скими свойствами (табл. 5.39) и широко ис­ пользуются в промышленности для электро­ технических целей [6, 30, 45, 46, 77]. Сплавы высокого электросопротивления делят на пре­ цизионные, реостатные и сплавы для нагрева­ тельных элементов, тензорезисторов и элек­ тродов термопар [30, 45, 46, 84]. Особую груп­ пу составляют сплавы для компенсационных проводов [84, 92].

По основному назначению к свойствам электротехнических медно-никелевых сплавов предъявляются ряд специфических требований. Однако для всей группы этих сплавов наиболее важными являются следующие свойства [6, 30,

77]:

1) высокое удельное электросопротив­ ление (кроме сплавов для компенсационных

проводов); 2) малый или заданный по величине и

знаку температурный коэффициент электросо­ противления (а'-ТКС) в интервале рабочих температур (при минимальной кривизне зави­ симости электросопротивление-температура);

3)температурно-временная стабиль­ ность электросопротивления;

4)низкая термоэлектродвижущая сила

(термоЭДС) в паре с медью;

5)высокая жаростойкость (окалиностойкость) в интервале рабочих температур;

6)высокая пластичность в холодном со­ стоянии, обеспечивающая возможность получе­

ния из сплавов проволоки диаметром до 0,02 мм и ленты тонких сечений (толщиной до 0,01 мм).

Для обеспечения высокого электрическо­ го сопротивления в малом объеме материала используют сплавы со структурой твердого раствора замещения. Этим достигается сильное искажение кристаллической решетки. В неод­ нородном поле твердого раствора с искажен­ ной кристаллической решеткой длина свобод­ ного пробега электрона намного меньше, чем в однородном электрическом поле чистого ме­ талла, что уменьшает электропроводность сплава и увеличивает его электросопротивле­ ние. У таких сплавов - твердых растворов удельное электросопротивление может быть в десятки раз больше, чем у исходных чистых металлов.

Для создания сплавов с вышеперечислен­ ными свойствами в полной мере отвечает сис­ тема Cu-Ni. Медь и никель образуют диаграм­ му состояния с непрерывным рядом твердых растворов (рис. 5.34, а). В этой системе многие физические и механические свойства в зависи­ мости от состава изменяются по кривым с мак­ симумом или минимумом. Причем экстре­ мальные точки на этих кривых находятся вбли­ зи эквиатомного состава (рис. 5.34, б).

Зависимость удельного электросопротив­ ления и ТКС в системе Cu-Ni подчиняется классическим закономерностям: минимальные значения ТКС и максимальные значения удельного электросопротивления имеют спла­ вы с 40...45 %Ni. Минимальный ТКС сплава Cu - 43%Ni в интервале температур 20... 100 °С составляет 210-6 К-1, этот же сплав имеет удельное электросопротивление порядка 50-10"2 мкОм-м, что почти в 30 раз превышает

СПЛАВЫ НИКЕЛЕВЫЕ-МЕДНО

СПЛАВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

К)

Рис. 5.34. Диаграмма состояния системы Cu-Ni (а) и физические и механические свойства сплавов системы Cu-Ni (6) (термоЭДС дана относительно платины при 100 °С)

электросопротивление чистой меди (1,724х х10-2 мкОм м). Никель существенно упрочняет медь, и максимальную прочность и твердость имеют сплавы с 45... 50 % Ni.

Для практического использования медно­ никелевых сплавов в качестве материалов электротехнического назначения важно, что никель, существенно упрочня медь, сохраняет присущую ей пластичность и вязкость. Элек­ тротехнические сплавы применяются главным образом в виде проволоки или ленты. Поэтому высокая пластичность медно-никелевых спла­ вов - твердых растворов позволяет получать путем волочения проволоку малых диаметров и прокатывать ленту тонких сечений.

Наиболее распространенными современ­ ными сплавами для точных измерительных приборов, применяемыми в приборостроении, электронной технике, радиотехнике в качестве резистивных материалов, являются константан МНМц40-1,5 (Си - 40 % Ni - 1,5 % Мп) и ман­ ганин МНМцЗ-12 (Си - 3 % Ni - 12 % Мп) (см. табл. 5.38).

Эти сплавы применяют для изготовления проволочных резисторов, используемых в ра­ диоэлектронной аппаратуре, реостатов и пере­ менных сопротивлений, образцовых сопротив­ лений, шунтов и других элементов электриче­ ских аппаратов [6, 30, 45, 77].

Прецизионные сплавы для точных рези­ сторов образцовых мер, измерительных прибо­ ров и вычислительных машин должны отли­ чаться исключительно высокой временной и температурной стабильностью своих электри­ ческих параметров и обладать малой термо­ ЭДС в паре с медью (или другими соедини­ тельными проводами) во избежание погрешно­ стей от дополнительного источника ошибок. Требование малой термоЭДС в паре с медью вызвано тем, что в электрической схеме прибо­ ра монтаж резисторных элементов ведут с по­ мощью медных проводов. ТермоЭДС, возни­ кающая в контакте проволочного резистора с соединительными медными проводами, может изменить электрические параметры схемы, что нарушит режим работы прибора и уменьшит точность его показаний [23, 46, 84].

Манганин МНМцЗ-12. Одним из наибо­ лее распространенных и стабильных резистор­ ных медных сплавов является манганин МНМцЗ-12. Манганин - это важнейший пре­ цизионный сплав на медной основе. Он являет­ ся типичным представителем сплавов - твер­ дых растворов на базе системы Cu-Mn. Добав­ ка никеля (3 %) входит в медно-марганцевый твердый раствор, так что сплав МНМцЗ-12 является однофазным а-раствором.

В двойной системе Cu-Mn закономерно­ сти изменения физических и механических свойств в зависимости от состава качественно такие же, как и в системе Cu-Ni: с увеличением содержания марганца от 0 до 18 % удельное электросопротивление резко возрастает от 0,018 до 0,58 мкОмм, а ТКС падает с 4,2-10*^ до 0,03 10-6 К"1 Благодаря этому манганин МНМц 3-12, созданный на базе тройной сис­ темы Cu-Ni-Mn, обладает малым температур­ ным коэффициентом электросопротивления (~М 0"5К"1) и высоким значением удельного электросопротивления (0,47 мкОмм) (см. табл. 5.39).

Манганин МНМцЗ-12 выпускается в ви­ де проволоки диаметром от 0,02 мм и более, а также в виде микропроводов диаметром З...10мкм в стеклянной оболочке. После ста­ билизирующей термической обработки (отжиг при постоянно снижающихся температурах, начиная с 400 °С и кончая 20 °С) он приобрета­ ет уже не изменяющиеся при эксплуатации электрические свойства и весьма малую тер­ моЭДС в паре с медью: - 1мкВ/°С; сплав от­ личается также достаточно высокой прочно­ стью (ав = 500...550 МПа), но невысокой пла­ стичностью (табл. 5.40). В состоянии поставки

Марка

МН43-0,5

(копель)

МНМц40-1,5 (константан)

МНМцЗ-12 (манганин)

МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3 (манганин)

МН0,6 (ТП)

МН16 (ТБ)

5.40. Гарантируемые механические и физические свойства проволоки из медно-никелевых электротехнических сплавов

СПЛАВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

для катушек из манганиновой проволоки после намотки применяют дополнительный отжиг при 200 °С в течение нескольких часов. Манга­ нин применяется в образцовых сопротивлени­ ях, в магазинах, уравновешенных мостах, для добавочных сопротивлений и шунтов измери­ тельных приборов высокого класса точности 0,1; 0,2; 0,5.

Основным недостатком манганина явля­ ется узкий интервал температур стабильной работы (± 60 °С) и относительно малые значе­ ния удельного электросопротивления (по срав­ нению со сплавами на основе марганца трой­ ной системы Mn-Cu-Ni) и пластичности. До­ пустимая рабочая температура для манганина составляет 100 °С, однако для образцовых со­ противлений ее ограничивают 60 °С, так как при более высоких температурах служебные

характеристики манганина несколько изменя­ ются.

В манганине МНМцЗ-12 при длительной работе происходит процесс старения (в твердом растворе протекают процессы типа К-состояния и упорядочения), сопровождающиеся измене­ нием электрических свойств. Для стабилизации свойств в манганин вводят небольшие добавки алюминия и железа (см. табл. 5.38, манганин МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3). Добавки алюминия и железа (по 0,3 % каждого элемента) входят в твердый раствор, практически не изменяя ме­ ханические свойства и удельное электросопро­ тивление, но несколько уменьшая ТКС (см. табл. 5.40) и повышая надежность работы ман­ ганина при длительной эксплуатации прибо­ ров. Свойства и режимы обработки манганина приведены в табл. 5.41.

Для тезорезисторов тсзочувствительность должна быть менее 2. Она может быть рассчи­ тана по формуле:

РР

где р - удельное электросопротивление; Ар - изменение р под влиянием внешней нагрузки Р\ F - площадь поперечного сечения проволо­ ки, из которой изготовлен тезодатчик; Е и \х-

соответственно модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона (физические констан­ ты материала тензодатчика). Итак, константан МНМц40-1,5 применяют для изготовления реостатов, потенциометров, тензодатчиков, электродов термопар и нагревательных прибо­ ров с рабочей температурой до 500 °С.

Химический состав константана МНМц40-1,5 приведен в табл. 5.38, его физи­ ческие, механические, технологические свой­ ства и режимы обработки - в табл. 5.42.