Электроматериаловедение - Проводниковая медь и сплавы

Медь является одним из главных проводниковых материалов благодаря большой проводимости, механической прочности и стойкости к атмосферной коррозии *. По электропроводности медь стоит на втором месте (после серебра).

*Коррозио (лат.) — разъедание, разрушение металлов под действием той или инок среды (газообразной или жидкой). Примером коррозии металла является ржавление железа — окисление его.

Проводниковая медь получается из слитков меди путем очистки ее от примесей в электролитической ванне с помощью постоянного тока. Кроме высокой проводимости, медь обладает хорошей пластичностью, поэтому из нее изготовляют волочением проволоку диаметром до 0,01 Мм, а при прокатке получают ленту толщиной до 0,1 мм и медную фольгу толщиной 0,01 мм. В нормальной атмосфере проводниковая медь устойчива к коррозии. Медные провода на воздухе медленно окисляются, покрываясь тонким слоем окиси меди (CuО). Образовавшаяся пленка окисла препятствует дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают: сероводород (H2S), аммиак (NH3), окислы азота (NO), пары азотной кислоты и некоторые другие реагенты. Медь имеет красновато-оранжевый цвет и обладает температурой плавления 1083° С. Температурный коэффициент линейного расширения меди равен 17-10—6 1/°С. Для изготовления всех проводниковых изделий применяют очищенную медь марок МО и Ml, отличающихся только содержанием кислорода. В меди марки МО содержится кислорода не более 0,02%, а в меди марки Ml — не более 0,05%. Содержание других примесей: висмута, сурьмы, мышьяка, никеля в меди обеих марок допускается в равных количествах. Серебро (как примесь) засчитывается в содержание меди, так как оно не снижает ее проводимость. Остальные примеси уменьшают проводимость меди. Общее количество примесей в меди марки МО не более 0,05%, а в меди марки Ml —не более 0,1 %. У изделий (проволока, шины) из мягкой (отожженной) меди (марка ММ) плотность 8,90 г/см3, предел прочности при растяжении (Т = 20-25 кГ/мма, относительное удлинение 6Л= 15ч-40%, удельное сопротивление Q = 0,0175001754 ом-мм2/м. У изделий из твердой (неотожженной) меди (марка МТ) плотность 8,96 г/см3; а = 36-н40 кГ/мм2; 6л = 0,5-2,5%; q = 0,0177-0,0180 ом-мм2/м. Провода меньшего диаметра обладают повышенной прочностью при растяжении и большей величиной удельного электрического сопротивления. Это объясняется искажением формы и уменьшением объема кристаллов металла при протяжке и волочении проводов малого диаметра. У мягких и твердых сортов проводниковых изделий (проводов) из меди температурный коэффициент электрического сопротивления принимается равным а= +0,00400 1/° С.

Рис. 17. Троллейный провод из меди Кроме проводов круглого и прямоугольного сечения, из меди изготовляют также провода фасонного сечения, например троллейный провод (рис. 17). Проволоку и шины из мягкой меди ММ применяют преимущественно для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов. Следует заметить, что провода прямоугольного сечения обеспечивают большой коэффициент заполнения обмотки по сравнению с проводами круглого сечения. Это значит, что при одном и том же объеме обмотки в ней можно поместить большее количество витков из прямоугольной меди и тем самым повысить мощность электрической машины или аппарата. Во избежание повреждения изоляции острые ребра у проводов прямоугольного сечения (шины) слегка закругляют. Проводниковые изделия из твердой меди МТ применяют, как правило, неизолированными (голыми). Это провода для воздушных линий, шины для электрических аппаратов и коллекторов электрических машин. От этих проводниковых изделий требуется повышенная механическая прочность, твердость и сопротивление истиранию. Медь — весьма ценный материал, который следует расходовать экономно, и там, где это возможно, медь необходимо заменять менее дефицитными материалами — проводниковым алюминием или железом.

§ 8. Проводниковые сплавы на основе меди (бронзы и латуни)

Из сплавов на основе меди наибольшее применение в электротехнике получили бронзы и латуни. Бронзы —это сплавы меди с оловом, алюминием и другими металлами, специально вводимыми с целью получения определенных свойств сплава. Раньше всех начали применяться оловянистые бронзы, в которых содержание олова составляет 8—20%. Оловянистые бронзы являются дорогостоящими сплавами, так как содержат дефицитное олово. Поэтому оловянистые бронзы стараются заменять другими бронзами, содержащими алюминий, кадмий, фосфор и другие вещества (легирующие* элементы).

* Легировать (лат.) —соединять, сплавлять.

Характерной особенностью бронз является их малая объемная усадка при литье (0,6—0,8%) по сравнению с чугуном и сталями, у которых усадка достигает 1,5—2,5%. Поэтому наиболее сложные по форме детали отливают из бронзы. Другие характерные свойства бронз — повышенная твердость, упругость (по сравнению с медью), большое сопротивление истиранию и стойкость к коррозии. Благодаря этим ценным свойствам бронзы широко применяют в машиностроении для изготовления втулок, шестерен, пружин (бронзовая лента) и других деталей. Марки бронз обозначаются буквами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие элементы и в каком количестве содержатся в данной бронзе (табл. 2). Таблица 2 Марки и состав некоторых бронз

Бронзы бывают литейные, из которых детали получают методом литья, и бронзы, обрабатываемые давлением (Бр. А7; Бр.-Б2 и др.). Плотность бронз находится в пределах: 8,2—8,9 г/сж3. В электротехнике стараются применять бронзы, проводимость которых близка к проводимости меди. Такими бронзами являются кадмиевая и кадмиево-оловянистая. Остальные бронзы нашли применение в электротехнике благодаря следующим свойствам: упругости, сопротивлению истиранию и высокой механической прочности. Из бронз изготовляют провода с повышенной механической прочностью, а также щеткодержатели, пружины и контактные детали для электрических аппаратов и приборов. Наибольшей пластичностью обладают алюминиевые бронзы. Бериллиевые бронзы отличаются очень высокой механической прочностью, сопротивлением к истиранию и к окислению на воздухе. Кроме бронз, в электротехнике нашли широкое применение сплавы меди с цинком — латуни, в которых содержание цинка может доходить до 43%. При этом содержании цинка латуни обладают наибольшей механической прочностью. Латуни, содержащие 30—32% цинка, обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготовляют изделия горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку и др. Без нагрева из листовой латуни можно изготовлять глубокой вытяжкой и штамповкой сложные детали: кожухи, колпачки, фасонные шайбы и др. В результате холодной обработки давлением у латуни увеличивается твердость и механическая прочность, но заметно снижается пластичность. Для восстановления пластичности латунь отжигают при температуре 500—600° С и медленно охлаждают до комнатной температуры. Латуни хорошо обрабатываются резанием. Изделия из латуни устойчивы к атмосферной коррозии, но деформированная (вытяжкой) латунь подвержена коррозии во влажной атмосфере в большей степени, чем медь. Для повышения коррозионной стойкости латуней в них вводят легирующие элементы: алюминий, никель, олово и др. Такие латуни называют специальными, например морская латунь (марка Л070-1) стойка к коррозии даже в морской воде. Марки латуней начинаются с буквы Л (латунь), за которой следуют буквы, указывающие на другие элементы (кроме меди), которые входят в состав латуней. Стоящие в конце марки цифры означают содержание (в процентах) меди и других компонентов (табл. 3). Таблица 3 Марки и состав некоторых латуней