Сплавы высокого сопротивления

Общие сведения. Определение понятия «сплав высокого сопро­тивления» и области применения этих сплавов уже были указаны выше (стр. 186). При использовании этих сплавов для электро­измерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления р, требуются высокая стабильность р во вре­мени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, и малый коэффициент термоЭДС в паре данного сплава с медью. Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000 °С и даже выше). Кроме того, во многих случаях требуется технологич­ность сплавов — возможность изготовления из них гибкой про­волоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка --сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавит—используемые для приборов, производимых в больших количествах, — реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников, — были де­шевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

Манганин. Это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Си —85%, Мп—12%, Ni — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum); желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение р манганина 0,42—0,48 мкОм-м; ар весьма мал, (5 —30)-10~с К"1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1—2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку: часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения сср и стабильности р во времени манга­ниновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг д__вакууме при температуре 550—600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжи­гаются при 200 °С. Предельно длительно допустимая рабочая тем­пература сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: ар = 450—600 МПа, МП = 15—30 %. Плотность манганина 8,4 Мг/м3.

Константин — сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ар в системе Си —Ni при довольно высоком значении р (см. рис. 7-3, а и б). Название «константан» объясняется значительным постоянством р при изменении температуры [для сплавов типа константана ар при нормальной температуре составляет минус (5—25)-10"в К"' при р = 0,48— 0,52 мкОмм].

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагреватель­ных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.

Существенным отличием константана от манганина является высо­кая термо-ЭДС константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-ЭДС в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К (рис. 7-27). Это является недостатком при использовании констан-тановых резисторов в измерительных схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с мед­ными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенцио-метрических методах измерений. Зато константан с успехом можег быть использован при изготовлении термопар, служащих для изме­рения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов (рис. 7-27), кривые 3 и 4).

Широкому применению констапгана препятствует большое со­держание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации К (стр. 183), потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось выше, имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется (см. рис. 7-10); чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сг, тем менее нагревостоек этот сплав.

Сплавы системы Fe — Ni — Сг называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами (табл. 7-6); сплавы системы Fe — Сг — А1 называются фехралями и хромалями (табл. 7-7). Происхождение названий этих сплавов не требует разъяс­нения. Следует отметить, что для самых различных сплавов по

принятым в СССР стандартам часто применяются условные обозна­чения, составляемые из букв и чисел. Буквы эти обозначают наи­более характерные элементы, входящие в состав сплава, причем буква входит в название элемента, но не обязательно является первой буквой этого названия (например, Б обозначает ниобий, В —воль­фрам, Г —марганец, Д —медь, К —кобальт, Л —бериллий, Н — никель, Т —титан, X —хром, Ю —алюминий и т. п.), а число — приблизительное содержание данного компонента в сплаве (в про­центах по массе); дополнительные цифры в начале обозначения определяют повышенное (цифра 0) или пониженное качество сплава. Так, в табл. 7-7 обозначение Х23Ю5 соответствует сплаву с содер­жанием хрома 23 % и алюминия —около 5 %.

Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента счлава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образу­ющегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности ме­талла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окис­ления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии пшмюетупе кислорода. Если же оксид нелетуч, то он при окислении образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагрева­тельного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же темпе­ратуре.

Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплаг, ,г? существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются1 и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементе» из ни­хрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В труб­чатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого со­противления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках; они могут работать весьма длительно без повре­ждений.

Некоторые свойства сплавов типа нихрома даны в табл. 7-6. Их механические параметры: ар = 650—700 МПа, МП = 25—30 %. Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в. константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента — никеля.

Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышлен­ных электрических печей. Некоторые свойства этих сплавов приведены в табл. 7-7.

СПЛАВЫ ДЛЯ ТЕРМОПАР

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: капель (56 % Си и 44 % N1), алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90 % Ni и 10 % Сг), пттинвродай (90 % Pt и 10 % Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платано родий — платина до 1600С,

медь — константан и медь — капель — до> 360С.

Наибольшую термо-ЭДС при данной разности температур развивает термопара хромель — копель. Знак термо-ЭДС у приведенных на рис. 7-27 термопар таков, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму (т. е-, от хромел» к копелю, от меди: к константаиу), а: в горячем спае — в обратном направлении.

Весьма значительными коэффициентами термо-ЭДС обладают некоторые полу­проводниковые материалы, которые, в частности, могут использоваться для изгото­вления термоэлектрических генераторов (см. стр. 266).

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ

Эта сплавы применяются в преобразователях деформации различных кон~ струкцдй иод действием механических (обычно растягивающих) усилий. Действи таких преобразователей основано на изменении сопротивления при деформациях тензометрического элемента.

Основным материалом для тензопреобразователей, работающих при сравни­тельно невысоких температурах, является описанный выше константан.

КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, яв­ляются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания элек­трических цепей (разрывные, а также скользящие контакты).

Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны обеспечивать высокую надежность (исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, а также приваривания их друг к другу под действием возникающей при разрыве контакта электрической дуги) при малом переходном электрическом сопротивлении контакта в замкнутом состоянии.

В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов, применяются различные сплавы и металлокерамические композиции. Большое применение имеет материал системы Ag—CdO при содер­жании оксида кадмия 12—20 % по массе. Такой материал получается при нагреве в окислительной атмосфере сплава серебро — кадмий. Для разрывных контактов в установках большой мощности применяют композиции kg с Со, Ni, Сг, VV, Мо и Ta^Cu__c W и Мо; Аи с W и Мо.

^Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для этой цели применяют холоднотянутую (твердую) медь, берилли-евую бронзу (см. выше), а также материалы системы Ag—-CdO. Щетки, служащие для создания скользящего контакта во вращающихся электрических машинах, описаны ниже на стр. 226.

Вопрос 34

ПРИПОИ

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка осуществляется или с целью создания механически прочного (иногда гер­метичного) шва, или с целью получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой на­греваются. Так как припой имеет температуру плавления значительно меньшую, чем у соединяемых металлов, то он плавится, в то время как спаиваемые металлы остаются твердыми. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твер­дого металла происходят сложные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями.

При этом припой диффундирует в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Припои принято делить на две группы: мягкие и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 °С, а к твердым— припои с температу­рой плавления свыше 500 °С. Кроме температуры плавления, припои существенно различаются и по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении ар не выше 50—70 МПа, а твердые — до 500 МПа.

Тип припоя выбирают, сообразуясь с родом спаиваемых металлов или сплавов, требуемой механической прочностью, коррозионной стойкостью, стоимостью и — при пайке токоведущих частей — с удельной электрической проводимостью припоя.

Мягкими припоями в основном являются припои оловянно-свинцовые (марка ПОС) с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Удельная про­водимость этих припоев составляет 9—13 % удельной проводимости стандартной меди, а температурный коэффициент линейного расширения а; — (26—27)-10 в Ю. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Еще более легкоплавки припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Они применяются там, где требуется пониженная температура пайки; механическая прочность их очень незначительна. Висмутовые припои обладают большой хрупкостью.

Наиболее распространенные твердые припои — медно-щшковые (ПМЦ) и се­ребряные (ПСр).

Обобщенные характеристики некоторых припоев приведены в табл. 7-8.

Не относящиеся к собственно припоям особые виды металлических материалов применяются в электровакуумной технике для вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, так что использование здесь особо тугоплавких, но дорогих металлов (вольфрам, молибден, платина) не требуется. Для этих материалов особую важность имеет температурный коэффициент линей­ного расширения а;, который для получения вакуумплотного ввода должен согласо­вываться с ос; стекла. Отметим ковар (марка 29НК), применяемый для впая в твер­дые стекла; это сплав примерного состава: Ni 29%, Со 18 %, Fe остальное; его р равно 0,49 мкОм-м, а; составляет (4—5)-10~в К *.

Платинит представляет собой биметаллическую проволоку с сердечником из никелевой стали марки Н42 (с содержанием Ni 42—44 % по массе) и наружным слоем из меди марки МО (стр. 198). Содержание меди в платините — от 25 до 30 % общей массы проволоки. Название «платинит» объясняется тем, что а; платини-товой проволоки близок к а; платины (см. табл. 7-1).

ФЛЮСЫ

Это вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Они должны:

1)растворять и удалять оксиды и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов;

2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный при­пой от окисления; 3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

По действию, оказываемому на металл, подвергающийся пайке, флюсы делятся на_иесколъко групп.

"" Активные или кислотные флюсы. Они приготовляются на основе активных веществ: соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов и т. д. Эти флюсы интенсивно растворяют оксидные пленки на поверхности металла, бла­годаря чему обеспечивается хорошая адгезия, а следовательно, и высокая меха­ническая прочность спая. Остаток флюса после пайки вызывает интенсивную кор­розию спая и основного металла. Применяются эти флюсы только в том случае, когда возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса.

При монтажной пайке электрорадиоприборов применение активных флюсов недопустимо.

Бескислотные флюсы. Так называют канифоль и флюсы, приготовляемые на ее основе с добавлением неактивных веществ (спирт, глицерин).

Активированные флюсы. Так называют флюсы, приготовляемые на основе кани­фоли с добавкой активаторов — небольших количеств солянокислого или фосфорно­кислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина и т. п. Вы­сокая активность некоторых активированных флюсов позволяет производить пайку без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.

8 Богородицкий Н. П. и др.

Антикоррозийные флюсы. Это флюсы на основе фосфорной кислоты с добавле­нием различных органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

Электроугольные изделия. Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода (электро­технические угольные изделия, вокращенно электроугольные изделия). Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивле­ния, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные рези­сторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электро­вакуумной технике.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно исполь­зовать сажу, графит или антрацит. Для получения стержневых электродов из­мельченная масса со связующим, в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия бо­лее сложной формы изготовляют в соответствующих пресс-формах. Угольные за­готовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искус­ственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

Обжиг обычных щеток для электрических машин ведут при температуре около 800 °С; графитированные щетки нагревают при обжиге до 2200 °С.

Угольные электроды (табл. 7-9), работа которых будет протекать при высоких температурах, обжигаются также при очень высокой температуре, вплоть до 3000 °С. Угольные электроды, как и другие угольные изделия, имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления (рис. 7-28).

Щетки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т. е. для подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам.

Щетки выпускают различных размеров (прилегающая к коллектору контактная поверхность щетки — от 4 X 4 до 35 X 35 мм, высота щетки — от 12 до 70 мм). Имеется несколько марок щеток, отличающихся друг от друга составом и техно­логическим процессом изготовления Для различных марок характерны определен­ные значения удельного сопротивления, допустимой плотности тока, линейной скорости на коллекторе, коэффициента трения, твердости щетки.

Различают щетки угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитиро-ванные, т. е. подвергнутые термической электрообработке — графитированию (ЭГ), медно-графитные — с содержанием металлической меди (М и МГ).

Щетки с содержанием порошкового металла обладают особенно малым электри­ческим сопротивлением и дают незначительное контактное падение напряжения (между щеткой и коллектором).

Важнейшие характеристики щеток приведены в табл. 7-10.

Угольные по­рошки для микрофонов изготовляются из антрацита. Удельное сопротивление по­рошка зависит от крупности зерен, режима обжига по­рошка и плотности засыпки.

Микрофонные порошки выпускают двух типов: мел­козернистые, проходящие сквозь сито с 52 отверстия­ми на 1 см2, и крупнозер­нистые, проходящие сквозь сито с 45 отверстиями на 1 см2.

Обжиг порошков, увели­чивающий их электрическое сопротивление, производят при температуре 600— 800 °С. Сопротивление порошков измеряют в кубике объемом 1 см*, куда порошоь засыпают из бюретки с высоты 1 см в течение 6—7 с. Значение р мелкозерни­стого порошка должно быть 0,4 Ом-м. Масса объема 1 см3, заполненного уголь­ным порошком вышеуказанным методом, должна равняться 0,8—0,9 г.

Порошки не должны слеживаться с течением времени и слипаться при воздей­ствии повышенной влажности.

Непроволочные резисторы, отличающиеся от проволочныл уменьшенными размерами и высоким верхним пределом номинального сопротивле­ния, широко применяются в автоматике, измерительной и вычислительной технике и некоторых других областях электротехники. Они должны иметь малую зави­симость сопротивления от напряжения и отличаться высокой стабильностью при воздействии температуры и влажности.

В качестве проводящих материалов непроволочных линейных резисторов могут быть использованы природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороугле-родистые пленки, а также высокоомные сплавы металлов и другие материалы.

Природный графит представляет собой одну из модификаций чистого углерода слоистой структуры (рис. 7-29) с большой анизотропией как электри­ческих, так и механических свойств. Основные свойства графита (а также пиро-литического углерода, см. ниже) приведены в табл. 7-11. Следует отметить, что чистый углерод в модификации алмаза представляет собой диэлектрик с весьма высоким удельным сопротивлением.

Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и мо­гут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.

Особенностью структуры пиролитического углерода является отсутствие стро­гой периодичности в расположении слоев (в отличие от графита) при сохранении их параллельности.

Бороуглеродистые пленки получаются пиролизом борорганических соединений, например В(С4Н9)3 или В(С3Н7)3. Эти пленки обладают малым температурным коэф­фициентом удельного сопротивления.

Проводниковые материалы особо высокой нагревостойкости. В некоторых слу­чаях [нагревательные элементы высокотемпературных электрических печей, элек­троды магнитогидродинамических (МГД-) генераторов ] требуются проводниковые материалы, которые могли бы достаточно надежно работать при температурах 1500— 2000 К и даже выше. В МГД-генераторах условия работы проводниковых матери­алов еще усложняются из-за соприкосновения материала g плазмой и возможности электролиза при прохождении через материал постоянного тока.

Проблема получения проводниковых материалов, полностью удовлетворя­ющих всем этим требованиям, окончательно еще не решена; по-видимому, решение может быть найдено исключительно в применении специальных керамических мате­риалов. Среди высоконагревостойких проводящих материалов могут быть отмечены некоторыз оквиды (прежде всего керамика диоксида циркония ZrO2> стабилизиро­ванная добавкой оксида иттрия Y2O3), кера­мика диоксида церия СеО2, некоторые хро­миты. На рис. 7-30 представлены темпера­турные 8авиеимооти р таких материалов. Некоторые свойства керамики ZrO2 — Y2O;, (после обжига, при пористости 25 % по объему): средняя плотность 2,9 Мг/м3,

щ = 13-10 * К *, коэффициент теплопроводности (при 1500°С) разен 1,45Вт/(м-К). Стабилизируя диоксид циркония ZrOa добавлением оксида иттрия Y2O3 (или оксидов некоторых других металлов), можно избежать структурных превращений чистого ZrO2 во время охлаждения после обжига, связанных е уменьшением объема и вызываемых этим повреждением обожженных изделий.

Вопрос 35