10.6. Металлы и сплавы различного назначения

Благородные металлы – серебро, золото, платина. К ним также относят металлы платиновой группы: палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Высокая коррозионная стойкость обусловлена большим значением электрохимического потенциала. Они не окисляются в атмосферных условиях при комнатной и повышенной температуре. Отличаются высокой пластичностью, невысокой твердостью и прочностью. Эти свойства можно повысить холодной пластической деформацией.

Благородные металлы встречаются в природе в виде самородков и в различных рудах, из которых путем переработки удается получить металлы очень высокой чистоты. Большинство благородных металлов образуют между собой твердые растворы. Обладая низким сопротивлением, благородные металлы широко используются в качестве материалов для электрических контактов.

Серебро обладает наиболее высокой электропроводностью из всех материалов (ρ = 0,015 мкОм·м). Оно дешевле других благородных металлов, но дороже меди в 25 раз. Химическая стойкость серебра ниже, чем у других благородных металлов, коррозионная стойкость сохраняется до 200 °С. Высокая пластичность позволяет получать тонкую фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Серебро входит в состав многих контактных сплавов: от слаботочных до высоконагруженных контактов. Высокая теплопроводность обеспечивает наименьший нагрев контактов и быстрый отвод тепла. Серебро используют в качестве электродов при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов, для покрытия изделий из меди и латуни (серебрение) с целью защиты от окисления и повышения проводимости. Недостаток серебра – взаимодействие с сероводородом во влажном воздухе с образованием непроводящих пленок сульфида серебра Ag₂S. Поэтому его не следует применять рядом с материалами, содержащими серу: резиной, эбонитом и др.

Золото также обладает высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью (ρ = 0,0225 мкОм·м), но более высокой коррозионной стойкостью, чем серебро, не окисляется, не образует сернистых пленок. Оно применяется для прецизионных контактов, работающих при малых нажатиях и низком напряжении, без дугового режима. Тонкие пленки применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах. Из-за плохой адгезии к диэлектрическим подложкам пленки наносят вакуумным напылением на промежуточный слой хрома, реже меди. Механические свойства золота повышаются при образовании сплавов с никелем, платиной, упрочняемых закалкой со старением и сохраняющих высокие коррозионные свойства.

Платина имеет высокую пластичность, но среди всех благородных металлов наибольшее удельное сопротивление (ρ = 0,098 мкОм·м) и наименьшую теплопроводность. Поэтому в чистом виде для контактов не используется. Тонкие нити диаметром до 1 мкм используются для подвесов и струн в точных электроизмерительных приборах. Для платины характерна высокая химическая стойкость: окисление на воздухе происходит при температурах выше 540 °С. Сплавы платины с иридием и родием обладают более высокой твердостью и стойкостью к окислению до 1000 °С. Их применяют для термопар и ответственных прецизионных контактов в электроизмерительных приборах и радиоаппаратуре.

Палладий по свойствам близок к платине, часто служит заменителем платины, так как в 4–5 раз дешевле и в два раза легче. Стойкость к окислению ниже (металл тускнеет при температурах выше 350 °С). Характерная особенность твердого палладия – способность интенсивно поглощать водород (в более чем 850-кратном объеме по отношению к собственному объему). При нагреве в вакууме водород выделяется. Это свойство используется для заполнения водородом газоразрядных приборов. Сплавы палладия с серебром, золотом, иридием, медью, никелем применяют для прецизионных разрывных и скользящих контактов.

Родий, иридий, рутений и осмий используются в качестве легирующих элементов в контактных сплавах для повышения твердости. Из-за высокой стоимости контакты на основе металлов платиновой группы применяют в виде тонких покрытий на серебряном подслое.

Тугоплавкие металлы получают методами порошковой металлургии с использованием электровакуумных технологий выплавки и очистки. При нагревании на воздухе выше 600 °С окисляются с образованием летучих оксидов. В качестве нагревательных элементов работают только в вакууме или в защитной инертной среде. Тугоплавкие металлы имеют очень малое давление насыщенных паров – важное свойство при получении тонких пленок.

Вольфрам – материал электровакуумной техники. При ковке и волочении приобретает волокнистую структуру, проволока диаметром до 10 мкм имеет высокую прочность и гибкость. Вольфрам имеет небольшое удельное сопротивление (ρ = 0,055 мкОм·м). Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания впервые предложено А.Н. Лодыгиным в 1890 году. При высоких температурах нити и спирали из чистого вольфрама становятся пластичными и плохо сохраняют форму. В процессе рекристаллизации происходит интенсивный рост зерна до размеров поперечного сечения проволоки. Для улучшения свойств в вольфрам вводят присадки: оксид тория Th₂O₃ замедляет процесс рекристаллизации и препятствует росту зерна, оксиды кремния и алюминия улучшают формоустойчивость вольфрамовой проволоки.

Из вольфрама изготовляют катоды высокого напряжения мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок с рабочей температурой выше 2000 °С. Катоды из торированного вольфрама (с добавкой окиси тория) обладают стабильной эмиссией электронов и способны работать в высоком вакууме.

Вольфрам имеет наименьший температурный коэффициент линейного расширения среди всех чистых металлов и используется для изготовления термически стойких спаев с тугоплавкими стеклами. Вольфрам и его сплавы с молибденом, иридием, рением используют для нагревательных элементов, работающих выше 1200 °С, высоконагруженных разрывных контактов, термопар, измеряющих температуру до 3000 С.

Молибден имеет малое удельное сопротивление (ρ = 0,05 мкОм·м). Он менее тугоплавкий и твердый металл, чем вольфрам. Отожженный молибден с мелкозернистой структурой пластичнее вольфрама, он широко используется для деталей сложной конфигурации.

Молибден используется для нагревательных элементов в высокотемпературных (до 1700 °С) электрических печах, работающих в защитной атмосфере. Изготовляют сетки, электроды электронных ламп и другие вспомогательные детали электровакуумных приборов (крючки, нити, подвески), работающие в напряженном тепловом режиме.

Сплавы вольфрама с молибденом образуют твердые растворы во всем диапазоне концентраций. Сплавы, содержащие 45 % Мо, обладают максимальным удельным сопротивлением и твердостью, высокой эрозионной стойкостью. Применяют для высоконагруженных контактов в защитной среде, нитей накаливания электроламп и катодов подогрева. Сплавы имеют более высокие механические свойства, чем чистый вольфрам, но более низкие рабочие температуры.

Рений – твердый и прочный как вольфрам, пластичный как молибден, имеет высокое удельное сопротивление (ρ = 0,214 мкОм·м), стоек к дуге постоянного тока. Применяют в сплавах для высоконагруженных разрывных контактов, в производстве электровакуумных приборов. Меньше испаряется в атмосфере водорода, отличается длительным сроком службы. В радиоэлектронике рений применяют при производстве сверхточных навигационных приборов, для защиты от коррозии и износа деталей из меди, вольфрама и молибдена.

Тантал превосходит вольфрам по пластичности. Изготавливают проволоку и фольгу толщиной до 10 мкм. На поверхности образуется пленка Та₂О₅, устойчивая до 1500 °С. Это свойство используется при производстве электролитических и тонкопленочных конденсаторов высокой удельной емкости, получаемых путем анодного оксидирования.

Тантал широко используется в электровакуумной технике для ответственных деталей: анодов и сеток генераторных ламп, катодов накаливания. Благодаря способности поглощать газы, применяется в вакуумной аппаратуре в качестве стабилизатора высокого вакуума (геттера). Используется в тонкопленочных технологиях при производстве резисторов. На воздухе происходит активное растворение азота в танталовой пленке с образованием нитридной пленки Та₂N, обладающей высокой стабильностью свойств. Тантал применяется для изготовления пластин и проволоки в костной хирургии.

Хром обладает высокой стойкостью к окислению и используется для защитных покрытий изделий (хромирование), в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хром обладает хорошей адгезией к стеклу, керамике. Технология осаждения тонких пленок хрома на подложку используется в микроэлектронике. Хром входит в состав нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов для нагревательных приборов, термопар, магнитных материалов.

Ниобий по свойствам близок к танталу, обладая высокой способностью поглощать газы в интервале 400–900 °С, в электровакуумных приборах одновременно выполняет функции геттера. Ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов и применяется в качестве катодов накаливания в мощных генераторных лампах.

Цирконий – обладает высокой пластичностью. Порошкообразный цирконий воспламеняется при температуре выше 75 °С. Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды) имеют высокую электропроводность и применяются для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок печатного монтажа.

Гафний – по внешнему виду напоминает сталь, обладает пластичностью и стойкостью к окислению до 900 °С. Используется для изготовления катодов рентгеновских трубок, а также как добавка к вольфраму, молибдену, танталу для увеличения срока службы.

Металлы со средним значением температуры плавления. Наиболее часто применяются в электронной технике железо, никель и кобальт, которые обладают ферромагнитными свойствами.

Железо – дешевый металл. Удельное сопротивление чистого железа (0,1 мкОм·м) в 6–7 раз больше, чем меди. В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая 0,1–0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700–750 МПа и относительное удлинение при разрыве 5–8 %. Наибольшее влияние на электрические свойства железа оказывает кремний (см. рис. 10.11). Благодаря повышенному удельному сопротивлению электротехнические стали имеют меньшие потери на вихревые токи по сравнению с чистым железом. Вследствие высокой магнитной проницаемости скин-эффект проявляется в железе и сталях даже в полях промышленной частоты.

Х арактерная особенность ферромагнитных металлов и сплавов – нелинейная зависимость удельного сопротивления от температуры: при приближении к температуре Кюри намагниченность ферромагнетика уменьшается (рис. 10.12). Магнитные моменты атомов разупорядочиваются, что вызывает дополнительное рассеяние электронов проводимости. По правилу Маттиссена разные механизмы рассеяния электронов дают аддитивный вклад в полное сопротивление:

ρ = ρ_т + ρ_ост + ρ_м,

г де ρ_т и ρ_ост – удельные сопротивления, обусловленные рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и примесях; ρ_м – магнитный вклад в сопротивление, обусловленный беспорядком в системе спинов. До температуры Кюри магнитная составляющая сопротивления р_м увеличивается, выше – остается постоянной: зависимость полного сопротивления от температуры носит линейный характер.

Железо используется для изготовления корпусов электровакуумных и полупроводниковых приборов, работающих до 500 °С. Газовыделение из железа мало и не нарушает эксплуатацию приборов. Как проводник, железо используется в виде шин, рельсов, сердечников проводов линий электропередач.

Никель, в отличие от железа, более устойчив к коррозии, не тускнеет на воздухе и медленно растворяется в кислотах. Никель извлекают из сернистых или кислородных соединений металлургическим путем и подвергают электролитическому рафинированию. Чистый порошкообразный никель получают путем термического разложения карбонила никеля при 220 °С. По плотности никель близок к меди, после отжига имеет высокую механическую прочность (_в = 400–600 МПа) при большом относительном удлинении ( = 35–50 %). В холодном состоянии поддается всем видам механической обработки: ковке, прессованию, прокатке, штамповке, волочению. Из никеля изготавливают различные по размерам и сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Основной объект применения – металлические сплавы, в которых никель является основой или важным легирующим элементом, придающим сплавам те или иные свойства. Остальная часть никеля применяется в чистом виде и для защитных покрытий. Никель широко применяется в электровакуумной технике как материал для арматуры электронных ламп, некоторых типов катодов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов. Вредной примесью для никеля является сера, которая резко снижает механическую прочность.

Кобальт обладает близкими к никелю механическими и электрическими свойствами. Его используют в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, сплавов для электровакуумных приборов, сплавов с маленькими температурными коэффициентами линейного расширения. Кобальт и его сплавы применяются при производстве печатных схем в радиотехнической промышленности, изготовлении квантовых генераторов и усилителей.