- •Введение
- •1. Строение и свойства материалов
- •1.1. Классификация материалов
- •Плазма газ жидкость твердое тело
- •1.2. Кристаллическое строение материалов
- •1.3. Дефекты кристаллического строения
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты
- •1.3.3. Поверхностные и объемные дефекты
- •1.4. Свойства материалов и методы их испытаний
- •2. Кристаллизация металлов и сплавов
- •2.1. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация
- •2.2. Строение металлического слитка
- •2.3. Выращивание монокристаллов
- •2.3.1. Получение монокристаллов из расплава
- •2.3.2. Получение монокристаллов из раствора
- •2.3.2. Получение монокристаллов из паровой фазы
- •2.4. Аморфные металлические сплавы
- •3. Деформация и разрушение металлов
- •3.1. Упругая и пластическая деформация
- •3.2 Деформация моно- и поликристаллов
- •3.3. Влияние температуры на структуру деформированного металла
- •4. Основы теории двойных сплавов
- •4.1. Строение сплавов
- •4.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •4.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •4.4. Углеродистые стали
- •4.5. Чугуны
- •5. Основы термической обработки стали
- •5.1. Основные превращения в стали
- •5.2. Отжиг стали
- •5.3. Закалка и отпуск
- •6. Поверхностное упрочнение деталей
- •6.1. Упрочнение методом пластической деформации
- •6.2. Упрочнение методом поверхностной закалки
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •7. Легированные стали
- •7.1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства
- •7.2. Маркировка и классификация легированных сталей
- •7.3. Конструкционные стали
- •7.4. Инструментальные стали
- •7.5. Стали с особыми свойствами
- •8. Цветные металлы и сплавы
- •8.1. Титан и его сплавы
- •8.2. Алюминий и его сплавы
- •8.3. Магний и его сплавы
- •8.4. Медь и ее сплавы
- •8.5. Другие цветные металлы и сплавы
- •8.6. Материалы с памятью формы
- •9. Неметаллические и композиционные материалы
- •9.1. Полимеры
- •9.2. Пластмассы
- •9.3. Композиционные материалы
- •9.4. Керамические материалы
- •10. Материалы с особыми электрическими свойствами
- •10.1. Физическая природа электропроводности
- •10.2. Факторы, влияющие на удельное сопротивление
- •10.3. Материалы высокой проводимости
- •10.4. Сверхпроводящие металлы и сплавы
- •10.5. Материалы с высоким сопротивлением
- •10.6. Металлы и сплавы различного назначения
- •10.7. Материалы для припоев
- •11. Материалы с особыми магнитными свойствами
- •11.1. Классификация веществ по магнитным свойствам
- •11.2. Природа ферромагнитного состояния
- •11.3. Процессы намагничивания ферромагнетиков
- •Магнитная проницаемость, определяемая по формуле
- •11.4. Классификация магнитных материалов
- •11.4.1. Магнитомягкне материалы
- •Высокочастотные магнитомягкие материалы.
- •11.4.2. Магнитотвердые материалы
- •Заключение
- •Литература
- •Оглавление
10.3. Материалы высокой проводимости
Эти материалы применяются для изготовления электрических проводов различного назначения, токоведущих деталей приборов, аппаратуры и электрических контактов. Основные требования, предъявляемые к этим материалам: низкое удельное сопротивление ( < 0,1 мкОмм); достаточная прочность и пластичность; коррозионная стойкость; технологичность; способность подвергаться сварке и пайке; низкая стоимость. Используются алюминий, медь и их сплавы, а также благородные и тугоплавкие металлы.
Медь. Среди металлов (исключая серебро и золото) чистая медь имеет наименьшее удельное сопротивление ( = 0,017 мкОмм), обладает высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью (прокаткой, волочением, ковкой, а также пайкой и сваркой). Электротехническую медь получают путем переработки сульфидных руд с последующей электролитической очисткой. Полученные пластины протягивают в полуфабрикаты требуемого сечения (шины, полосы, прутки). Методом холодной протяжки получают твердую медь (МТ), после отжига – мягкую медь (ММ). Свойства наклепанной и отожженной меди приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Свойства меди
-
Марка
В, МПа
НВ
δ, %
, мкОмм
ММ
250–280
< 35
18–25
0,01754
МТ
340–450
65–120
0,5–2,5
0,0182
Отожженную медь применяют для проводов, жил кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, токоведущих деталей приборов. Твердую медь используют, если необходимо обеспечить высокую прочность, твердость и износостойкость (неизолированные провода, коллекторные пластины электрических машин и др.).
П о содержанию примесей медь делится на марки по ГОСТ 859–78. Железо, кремний и фосфор повышают удельное сопротивление меди на 50 % и более (рис. 10.5). Висмут и свинец вызывают растрескивание при горячей обработке давлением (красноломкость) из-за образования легкоплавких эвтектик. Кислород с медью образует оксиды, что затрудняет пайку, лужение. Водород вызывает хрупкость, образуя микротрещины.
Для электротехнических целей используют бескислородную медь марки М00 (до 0,01 % примесей), которую получают из электролитической переплавом в вакууме, а также медь марок М0 (0,05 % примесей) и М1 (0,1 % примесей). Из бескислородной меди изготовляют детали магнетронов, волноводов, резонаторов, приборов СВЧ. Медь применяют в микроэлектронике в виде тонких проводящих пленок.
Медь используется в спаях со стеклами. Коэффициент линейного расширения у меди больше, чем у стекол, но она обладает низким пределом текучести и высоким коэффициентом теплопроводности.
Сплавы на основе меди. Латуни и бронзы прочнее и дешевле чистой меди, устойчивы к коррозии, технологичны. Их применяют после холодной обработки давлением, либо в отожженном состоянии.
Из однофазных латуней путем обработки давлением в холодном состоянии изготовляют волноводы, платы приборов, крепежные изделия, детали разъемов и выключателей. Из более прочных двухфазных латуней детали приборов можно изготавливать обработкой резанием. Добавление 1–2 % марганца повышает стойкость латуни к дуговому разряду. Изготавливают штепсельные разъемы, зажимы, контакты.
Для пружинных контактов, мембран применяют холоднодеформированную оловянную бронзу. Недостаток – низкая электропроводность. Самой высокой электропроводностью среди всех бронз обладает кадмиевая бронза. Она прочнее отожженной меди в 3 раза. Кадмий повышает температуру рекристаллизации меди. Провода из твердотянутой бронзы не теряют прочности при нагреве до 250 °С. Бронзу применяют для коллекторных пластин, пружинных контактов, проводов повышенной прочности. Хромистая бронза имеет высокую электропроводность, обладает высокой износостойкостью и применяется для скользящих контактов. Бериллиевая бронза обладает высоким пределом упругости, твердостью, сопротивлением усталости и износу, высокой электропроводностью. После термообработки (закалка + старение) происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением метастабильной фазы – интерметаллида CuBe. Это обеспечивает дисперсионное упрочнение и повышение предела прочности до 1300 МПа. Применяют для изделий ответственного назначения: упругих токоведущих элементов точных приборов (пружинных контактов, мембран), деталей, работающих в сложных условиях – при больших давлениях и температурах.
Биметалл – сталь, покрытая слоем меди. Применяется для уменьшения расхода меди и повышения механических свойств. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий и электролитический. В первом случае сталь покрывают медью в литейной форме, затем ее прокатывают и растягивают. Холодный способ обеспечивает большую равномерность покрытия, но меньшую прочность сцепления. Биметаллическая проволока выпускается диаметром от 1 до 4 мм. Содержание меди в биметалле – не менее 50 % от веса проволоки. Биметаллическую проволоку применяют для линий связи, электропередач. Изготавливают шины распределительных устройств, полосы для рубильников, токоведущие части электрических аппаратов.
Алюминий – второй по значимости металл высокой проводимости после меди ( = 0,028 мкОм·м). При одинаковом сопротивлении и длине алюминиевый провод в два раза легче медного, хотя его сечение примерно в 1,6 раза больше. Алюминий обладает высокой пластичностью, позволяющей изготовлять проволоку различного сечения и фольгу толщиной до 6–7 мкм; хорошей способностью отражать световые и тепловые лучи, которая близка к отражающей способности серебра и увеличивается с повышением чистоты металла.
Технический алюминий получают путем электролиза глинозема Al2O3, алюминий высокой чистоты – дополнительным электролитическим рафинированием. На электропроводность алюминия различные примеси также влияют в неодинаковой степени (рис. 10.6). Наиболее сильно электропроводность снижают примеси хрома, ванадия и марганца, которые образуют с алюминием твердые растворы. Менее заметно влияют на электропроводность никель, кремний, железо, цинк. В меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки. Отрицательное влияние деформации на электропроводность устраняется отжигом.
Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты марки АЕ (0,5 % примесей), высокой чистоты А97 (0,03 %) и особой чистоты А999 (0,001 %). Алюминий используется для обмоточных, монтажных, установочных проводов, линий электропередач, кабельных жил. Пленки алюминия особой чистоты широко используют в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений и контактов.
А люминиевые провода применяют без изоляции. Тонкая, прочная пленка Al2O3 обладает высоким электрическим сопротивлением, а также защищает металл от коррозии. Более толстый слой пленки получают с помощью электрохимической обработки. Алюминиевая оксидная изоляция прочна механически и термически; применяется в электролитических конденсаторах, различных катушках без дополнительной межвитковой и межслойной изоляции (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение 100 В, толщиной 0,04 мм – 250 В). Недостаток изоляции: ограниченная гибкость, возникают трудности при пайке. Алюминиевые провода обычно соединяют холодной сваркой.
Промышленные алюминиевые сплавы содержат не менее двух-трех легирующих элементов, которые вводятся главным образом для повышения механической прочности. Например, для изготовления корпусов радиоаппаратуры и приборов широко используются дуралюмины. Для проводов воздушных линий электропередач применяют сплав альдрей – алюминий, содержащий магний, кремний и железо, который отличается повышенной пластичностью, прочностью до 350 МПа при хорошей электропроводности (ρ = 0,032 мкОм·м).