книги из ГПНТБ / Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике

Для образцов термически обработанных и выдержан­ ных в течение 8 ч имеем:

Сравнение функций Fi(x) и F2(x) показывает, что ам­ плитуда колебаний после термообработки выросла на порядок. Структура термически обработанной проволоки отличается большей неоднородностью, чем деформиро­ ванной. Деформированная проволока имеет текстуру во­ лочения, что обеспечивает, по-видимому, большую одно­ родность. Указанная выше неоднородность могла бы быть обусловлена нестабильностью процесса отжига, раз­ личиями в условиях отжига образцов. Если это предпо­ ложение верно, то последующий отжиг должен усилить неоднородность. Сравнение функций F2(x) и F3(x) этого не подтверждает.

Сравнение первых членов функций F{(x) и F2(x) по­ казывает, что электрическое сопротивление (после тер­ мообработки) уменьшается, что связано, по-видимому, е отжигом дислокаций. Функции F2(x) и F3(x) отличают­ ся практически только первыми членами, что объясняет­ ся началом взаимодиффузии компонентов и образовани­ ем сплава на грани раздела металлов.

При исследовании неоднородности проволоки анали­ зируются причины, изменяющие спектр дисперсии. При этом варьируются технологические параметры и устанав­ ливается зависимость каждого члена ряда Фурье от параметра, вызывающего его изменение. Таким образом, опектр дисперсий случайных функций содержит инфор­ мацию об источниках неоднородности проволоки,

127

14.СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРОВОДНИКОВ

ИМЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЕЕ СОСТОЯНИЯ

При изготовлении большинства проводников осуществляется нанесение покрытий (обычно эмалевых). Лишь небольшое количество проводников используется без покрытий (например, голые провода для линий элек­ тропередачи или контактной сети электротранспорта).

Свойства поверхностей проводников, предназначен­ ных для нанесения покрытия, определяют надежность сцепления и качество покрытия. Поэтому изучение со­ стояния поверхности проводника и способов ее обработ­ ки является необходимым. Неудовлетворительное каче­ ство поверхности проводника заставляет нанести на его поверхность слой металла, обеспечивающий необходимые свойства, т. е. использовать биметаллы.

Состояние поверхности проводника после его произ­ водства обработкой давлением может быть различным. Поверхность всегда имеет шероховатость. После волоче­ ния через алмазные волоки шероховатость медной про­ волоки малых диаметров соответствует классу чистоты поверхности 12, стальной углеродистой проволоки клас­ сам 10—12 (в среднем 0,08 мкм). При волочении стали через твердосплавные волоки шероховатость соответст­ вует примерно классу чистоты поверхности 9. При ис­ пользовании трудно деформируемых металлов (ниобий и другие), способных налипать на инструмент (волоку), получается класс чистоты поверхности 6—8.

На поверхности проводников могут быть различные загрязнения: окислы и другие химические соединения; жиры масла и другие органические вещества; посторон­ ние твердые тела различного происхождения, остающие­ ся досле обработки или другим путем попадающие на поверхность (пыль, грязь, частицы металла). Кроме то­ го, сам проводник может иметь дефекты, вышедшие на поверхность при обработке давлением, в виде заусениц, раковин, отслоений, неметаллических включений, напри­ мер графитовых при волочении со смазкой, включающей графит, и т. п. Поверхность проводника адсорбирует также окружающие ее газы.

Загрязнение может быть сплошным (например, тон­ чайшая пленка окисла или технологической масляной смазки) и местным, т. е. в виде отдельных небольших участков, пятен, частиц. Контроль качества поверхности

128

проводников весьма сложен, так как природа загрязне­

ний различна.

Шероховатость поверхности можно определить с по­ мощью интерферометра Линника МИШ-4. Для этого про­ волоку следует намотать на плоский шаблон е рядовым расположением витков и по ширине интерференционных колец, наблюдаемых в микроскоп, на шаблоне рассчи­ тать шероховатость образца.

Наличие окисных пленок можно установить по изме­ нению цвета поверхности при сравнении со свежим сре­ зом металла. Весьма сложно выявить тончайшие жиро­ вые загрязнения. Иногда это удается сделать взвешива­ нием на точных аналитических весах и сравнением ре­ зультатов для отрезка проволоки до и после обработки обезжиривающим легкоиспаряющимся составом, напри­ мер эфиром.

Установить наличие жировых включений можно, ис­ пользуя реакцию жира со спиртом-ректификатом, прохо­ дящую с помутнением спирта. Малые количества жира можно обнаружить в составе спирта с помощью массопектрометра. Методом люминофорных индикаторов можно выявить жировые пятна площадью 2 мкм2.

При использовании метода измерения емкости двой­ ного слоя открываются возможности количественного определения микрозагрязнений проволоки органическими веществами. В основе современных методов измерения емкости двойного слоя лежит трактовка его как плоского конденсатора молекулярных размеров. Переменный ток проходит через границу фаз (раствор — металл) либо в виде емкостного тока, когда заряженные частицы не про­ ходят через границу раздела, а ток течет за счет заряда и разряда двойного электрического слоя или окислитель­ но-восстановительных процессов (фарадеевский ток).

При составлении электрической цепи, эквивалентной двойному электрическому слою, принимают, что сопро­ тивление фарадеевскому току и сопротивление от адсор­ бции включены параллельно.

Полное сопротивление двойного слоя представляет со­ бой сопротивление емкости слоя, которое практически не зависит от частоты в диапазоне 2—12 кгц; сопротивле­ ние фарадеевскому току зависит от частоты. Для того чтобы последнее сопротивление не маскировало полного сопротивления двойного слоя, обусловленного адсорбци­

ей органических веществ, подбирают раствор, где прак­ тически нет реакции с электродом.

Адсорбция органических веществ происходит в опре­

изучить полное сопротивление только одного измеряемо­ го электрода, необходимо чтобы размер поверхности у вспомогательного электрода был на порядок большим, чем у измеряемого. В этом случае сопротивлением вспо­ могательного электрода можно пренебречь и характери­ стики электрохимической ячейки будут определяться по существу только свойствами поверхности измеряемого электрода. Если на поверхности измеряемого электрода адсорбируются молекулы органических веществ, диэлек­ трическая проницаемость которых значительно отличает­ ся от диэлектрической проницаемости воды, то емкость двойного слоя резко изменяется.

Таким образом, эквивалентная схема полного сопро­ тивления в присутствии адсорбированных молекул орга­ нического вещества может быть представлена в виде двух параллельно соединенных конденсаторов, причем между обкладками одного из них находятся указанные молекулы, а между обкладками другого — молекулы воды.

Общая емкость этих конденсаторов определяется по

где Ci — емкость двойного слоя в водном растворе элек­ тролита с добавкой органического вещества в концентра­ ции, обеспечивающей его адсорбционное насыщение; Со — емкость двойного слоя в водном растворе электро­ лита; 0 — степень заполнения поверхности электрода ор­ ганическим веществом.

Таким образом, по изменению емкости двойного слоя вокруг исследуемой проволоки по сравнению с чистой проволокой можно судить о степени загрязнения ее по­ верхности органическими веществами.

Для измерения емкости использовался мост перемен­ ного тока Р-568 в комплекте с индикатором компенсации Ф-550 и генератором звуковой частоты ГЗ-ЗЗ. Для под­ держания постоянного потенциала исследуемого электро­ да (участка проволоки) использовался потенциостат П-5827. Структурная схема установки представлена на

130

рис. 33. Постоянное сопротивление 50 ком и конденсатор 10 мкф использовались для фильтрации высокочастотных

помех.

Все измерения проводились в специально сконстру­ ированной ячейке (рис. 34), в 'которой устанавливался измерительный электрод из платиновой сетки (электрод Фишера). Коаксиально помещался строго фиксирован-

ный по длине рабочий электрод (исследуемая проволо­ ка). Роль электрода сравнения выполнял 'насыщенный хлорсеребряный электрод типа ЭВЛ-1М. В качестве вспомогательного электрода использовалась платиновая проволока, запаянная в стекло. Для удаления кислорода исследуемый раствор непрерывно продувался азотом, который предварительно очищался от примесей кисло­ рода в нагретой до 300°С трубчатой печи, заполненной восстановленным медным порошком.

Рабочим электродом являлась проволока из нержаве­ ющей стали Х18Н9Т. Для предотвращения электродной реакции в качестве рабочего раствора был выбран 0,1 н. раствор КОН, для которого потенциал выделения водорода больше 1,2 в. Измерения емкости проводились в достаточно широком интервале потенциалов (0—1 в). Для .получения сравнительных данных рабочий электрод

тщательно обезжиривался венской известью с последую­ щей промывкой в холодной проточной, а затем в горячей, дважды перегнанной воде. В ячейку наливался рабочий раствор, помещались электроды и в течение 30 мин по-

новой кислоты при потен­ циале ф=300 мв.

давался очищенный азот. После этого устанавливался потенциал изучаемого электрода и через 1—2 мин прово­ дилось измерение емкости. Частота переменного напря­ жения была выбрана равной 9900 гц. Разброс экспери­ ментальных данных составлял 2—4%. Результаты иссле­ дований показаны на рис. 35—39.

Как видно из рис. 35, емкость слоя загрязненной про­ волоки резко уменьшается с частотой. Для качественного определения микрозагрязнений поверхности высокомоле­ кулярными органическими веществами необходимо изме­ рить емкость очищенной исследуемой проволоки в 0,1 н. растворе КОН, а затем в этом же растворе из­ мерить емкость неочищенной проволоки. Если емкость исследуемой проволоки незначительно (до 5%) отлича­ ется от емкости чистой проволоки, то поверхность не за­ грязнена органическими веществами. В том случае, если емкость отличается значительно (более 10%), то иссле­ дуемая проволока содержит адсорбированные на поверх-

132

ности высокомолекулярные органические вещества. Этот метод с успехом может быть использован для оценки адгезионных способностей смазок, применяемых при хо­ лодной обработке металлов давлением.

Обработка и очистка поверхности производится меха­ ническим, химическим и электрохимическим способами.

СМг/МКф

1/С

К механическому способу следует отнести наиболее рас­ пространенную операцию скальпирования. Эта операция производится после горячей обработки металла — ручье-

Рис. 39. Калибровочный график для определения степени заполнения органи­ ческим веществом измеряе­ мого образца.

вой прокатки. Катанку, получаемую после прокатки, под­ вергают скальпированию, т. е. строжке с помощью осо­ бой волоки—ножа. Верхний слой катанки имеет много дефектов, которые обусловливают в готовой проволоке заусеницы, закаты, расслоения, трещины. Если металл проводника был выплавлен в вакууме и прошел опера­ цию скальпирования, то подобных дефектов в нем гораз­

133

до меньше. Стальная проволока или проволока из туго­ плавких металлов может подвергаться 'при необходимо­ сти механической полировке.

При обезжиривании поверхности весьма эффективна химическая обработка. Жировые вещества по химиче­ ской природе делят на две основные группы: омыляемые и неомыляемые. К первой группе относят все раститель­ ные и животные жиры, которые представляют собой сложные эфиры глицерина и смеси высокомолекулярных органических кислот, чаще стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и т. п. Эти жиры называются омыляемы­ ми потому, что под действием щелочи они разлагаются, образуя мыла, представляющие собой растворимые вво­ де соли жирных кислот и глицерин.

Вторую группу жиров представляют минеральные' масла, состоящие из смеси углеводородов различного со­ става и различной консистенции — от очень легких жид­ костей до твердых тел (газолин, вазелин, парафин, раз­ личные смазочные масла). Под действием щелочи жиры этой группы не разлагаются, и поэтому называются не­ омыляемыми. Жировые вещества обеих трупп практиче­ ски нерастворимы в воде и удаляются с поверхности ме­ таллов путем химической или электрохимической обра­ ботки в некоторых растворах.

При химическом обезжиривании применяют растворы щелочей, щелочных солей и ряд специальных органиче­ ских растворителей. Обезжиривание в щелочных раство­ рах сводится к омылению животных и растительных жи­ ров и эмульгированию жиров различного происхождения. Минеральные масла или неомыляемые жиры химически не разлагаются щелочами, но они могут образовывать

с ними эмульсии и благодаря этому также отделяться от поверхности металла. Образование эмульсий обуслов­ ливается изменением поверхностного натяжения на гра­ нице раздела двух жидкостей.

Однако не всякий раствор щелочи может оказаться

твердого тела могут удерживать капельки масла на по­ верхности металла. Поэтому необходимо добавлять в раствор поверхностно активные вещества — эмульгато­ ры, обеспечивать перемещение слоев жидкости вокруг металла (вводить перемешивание, ультразвуковое поле, нагрев жидкости до кипения).

134

Эмульгаторы проникают на границу раздела масла и металла и понижают поверхностное натяжение между ними. Кроме того, образуя на поверхности каждой части­ цы масляной эмульсии прочный адсорбционный слой,

служить декстрин, желатин, столярный клей и т. п. Повышенная температура щелочных растворов уве­

личивает гидролиз щелочных солей, ускоряет реакцию омыления, способствует циркуляции раствора. Обезжи­ ривание в органических растворителях сводится к обыч­ ному процессу растворения омыляемых или неомыляе­ мых жиров. В качестве растворителей применяют керо­ син, бензин, толуол, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод и т. п. Существенными недостатками органиче­ ских растворителей, особенно хлорированных, является ядовитость, относительно высокая стоимость и воспламе­ няемость.

Часто более эффективным оказывается электрохими­ ческое обезжиривание, осуществляемое в щелочном рас­ творе с добавлением эмульгатора. Обрабатываемое изде­ лие может быть как анодом, так и катодом или последова­ тельно анодом и катодом. Электрохимическое обезжири­ вание сводится к эмульгированию жиров и масел выде­ ляющимися пузырьками водорода на катоде и кислоро­ да на аноде. Плотность тока должна быть такой, чтобы количество выделяющихся пузырьков газа было доста­ точным для механического отделения капелек масла. Обычно при электрохимическом обезжиривании плотность тока колеблется в пределах 3— 10 а/дм2 и устанавлива­ ется в зависимости от скорости прохождения проволоки через ванну и от требуемого качества очистки.

Удаление окислов с поверхности проводника достига­ ется химическим или электрохимическим травлением. Выбор способа травления зависит от природы металла, характера и толщины слоя покрывающих его окислов, а также от характера дальнейшей обработки, так как по­ сле удаления окислов возможно появление значительной шероховатости поверхности. Травление может быть ус­ пешным только в том случае, если поверхность изделия предварительно очищена от жировых загрязнений, по­ этому травление производят после обезжиривания; ис­ ключение представляет травление в щелочном растворе.

Химическое травление состоит в погружении провод-

135

ника в растворы кислот и щелочей, реагирующих с окис­ лами данного металла. Для меди наиболее распростра­ нено травление в 10%-ном растворе серной кислоты. При этом .происходит реакция

СиО+НгЭО^СиЗС^+НгО.

Для травления алюминия используют растворы ще­ лочей.

Электрохимическое травление бывает двух видов: анодное и катодное. Анодное травление основано на электролитическом растворении поверхностного слоя ме­ талла и механическом отрыве окислов выделяющимся кислородом. На катоде в это время происходит бурное выделение водорода. В качестве электролитов применяют растворы кислот или солей растравливаемого металла:

Катодное травление происходит за счет восстановле­ ния бурно выделяющимся водородом окислов металла и последующего механического их отделения от поверхно­ сти. Обычно в качестве электролита используется смесь серной и соляной кислот, а анодом служит свинец. Плот­ ность тока при анодном и катодном травлении состав­ ляет обычно 5— 10 а/дм2. Процесс катодного травления проводников почти совершенно исключает опасность перетравливания, однако может вызвать наводораживание, что поведет к хрупкости и водородной болезни, если медь содержит примеси кислорода.

Одним из наиболее эффективных методов электрохи­ мической обработки поверхности является полировка. Наибольший эффект от этой операции можно получить, совмещая ее с электрохимическим травлением окислов, которое нуждается в последующем уменьшении шерохо­ ватости. Электролитическая полировка основана на том, что поверхность изделия активна на микроскопических выступах и пассивна в микроскопических углублениях, что и приводит к выравниванию рельефа. Это возможно при образовании в микроуглублениях анода тонкой вяз­ кой пленки с большим электрическим сопротивлением. В результате плотность тока на выступающих участках металла становится во много раз выше, чем на впади­ нах, экранированных пленкой, что приводит к интенсив­ ному растравливанию выступов.

Электролиты для электролитической полировки при­ готавливаются на основе фосфорной и серной кислот или смеси этих кислот с хромовой или органической. Для по-

136