Металлы и сплавы с особыми свойствами
По электрическим свойствам материалы могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками.
Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости, криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электросопротивлением.
Среди металлов высокой электрической проводимости широко распространены медь (удельное электросопротивление ρ = 0,017 мкОм · м), алюминий (ρ = 0,028 мкОм · м) и железо (ρ = 0,098 мкОм · м). Имеют практическое значение также серебро (ρ = 0,006 мкОм · м) и золото (ρ = 0,022 мкОм · м).
Электрические и механические характеристики меди в значительной степени определяются наличием примесей и напряженностью структуры металла. Наименьшим электрическим сопротивлением обладает чистая медь. Любые примеси снижают ее электропроводность. Деформационное упрочнение ухудшает проводниковые свойства меди, но увеличивают ее механическую прочность. Холоднотянутая (твердая) медь ─ МТ применяется в основном там, где необходимы, наряду с достаточной электрической проводимостью (ρ =
= 0,018 мкОм·м), прочность, твердость, высокое сопротивление истирающим нагрузкам (например, контактные провода, коллекторные пластины электрических машин). Отожженная (мягкая) медь ─ ММ имеет высокую электрическую проводимость (ρ ≤ 0,01724 мкОм·м) и применяется в виде проволок для изготовления токопроводящих жил кабелей, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волноводов и т. д.
Алюминий как проводниковый материал занимает второе место после меди. Для электротехнических целей используют специальные марки алюминия А5Е (общее содержание примесей 0,5 %) и А7Е (примесей 0,3 %), в которых содержание железа и кремния находится в определенном соотношении, а концентрация Ti, V, Cr и Mn снижена до тысячных долей процента. Удельное электрическое сопротивление проводникового алюминия не более
0,0289 мкОм·м.
Железо значительно уступает меди и алюминию по электрической проводимости, но оно обладает более высокими механическими характеристиками. В качестве проводникового материала железо (низкоуглеродистые стали) применяют в тех случаях, когда прочностные свойства имеют решающее значение, например, для рельсов подвижного состава с электрической тягой.
К проводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком охлаждении (ниже ─173 ºС) высокую электрическую проводимость, но не переходящие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Al). При температуре жидкого азота минус 195,6 ºС удельное электрическое сопротивление составляет около
0,003 мкОм·м, а при температуре жидкого водорода минус 252,6 ºС ─ около 0,00005 мкОм·м.
К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не менее 0,3 мкОм·м) относятся медноникелевые сплавы: манганин (МНМц 3-12), константан (МНМц 40-1,5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60); на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель 0Х23Ю5) и др.
Манганин ─ сплав на основе Cu, легированный 3 % Ni и 12 % Mn, обладает стабильным удельным электрическим сопротивлением в интервале температур от ─100 до +100 ºС. Низкое значение термоЭДС в паре с медью и высокая стабильность электросопротивления во времени позволяют широко использовать манганин при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов высоких классов точности.
Константан (около 40 % Ni и 1,5 % Mn, основа Cu) по стойкости к нагреву превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и электронагревательных приборах, работающих при температуре до 500 ºС. Высокая термоэлектродвижущая сила константана в паре с медью и железом исключает возможность применения его в электроизмерительных приборах, однако, она позволяет применять константан при изготовлении термопар.
Сплавы высокого электросопротивления (нихром, фехраль, хромель и др.) применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов и печей. Рабочие температуры таких сплавов 900…1200 ºС.
Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойст-вом которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно положения равновесия. Происходит поляризация, т.е. разделение центров положительного и отрицательного зарядов. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Мерой поляризуемости диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, равная отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости такого же конденсатора с вакуумом. Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме диэлектрика некоторой критической величины напряженности электрического поля происходит пробой. Под напряженностью электрического поля понимают отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между подводящими напряжение электродами. Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, а достигнутую к этому моменту напряженность – электрической прочностью.
В приборостроении в ряде случаев требуются материалы с минимальным или заданным по величине температурным коэффициентом линейного расширения, материалы с малым температурным коэффициентом модуля упругости и др. Сплавы, имеющие подобные свойства, принадлежат системе Fe-Ni.
Минимальное значение температурного коэффициента линейного расширения (1,5 · 10 1/ ºС) в интервале температур от –60 до +100 ºС имеет сплав с 36% никеля – 36Н, называемый инвар. Малое значение температурного коэффициента линейного расширения сплавов инварного типа имеет ферромагнитную природу и связано с большой магнитострикцией, т. е. изменением размеров ферромагнетика при его намагничивании. Размеры изделий инварного сплава определяются двумя составляющими: нормальной, зависящей от энергии связи между атомами, и магнитострикционным увеличением размера, вызванным внутренним магнитным полем ферромагнетика. С увеличением температуры размер любого тела растет вследствие ослабления межатомных связей, но в сплавах инварного типа этот рост компенсируется уменьшением магнитострикциионной составляющей, поскольку увеличение тепловых колебаний атомов влечет за собой снижение намагниченности, а, следовательно, и магнито-стрикции.
Частичная замена в инваре никеля на кобальт и дополнительное легирование медью уменьшает коэффициент линейного расширения сплава в том же температурном интервале до 1,0 · 10 1/ ºС (32НКД – суперинвар). Сплав 29НК (ковар) имеет такой же коэффициент, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. У сплава 47НД (платинит) коэффициент линейного расширения такой же, как у обычного стекла и у платины. Сплавы с малым температурным коэффициентом модуля упругости называют элинварными, например, 36НХ (элинвар), 42НХТЮ, 44НХТЮ.
Ферромагнитные материалы в зависимости от конфигурации их петли магнитного гистерезиса подразделяют на магнито-твердые и магнито-мягкие.
Магнитотвердые сплавы используют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной (размагничивающей) силой Нс > 4 кА/м и обладают значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам Нс и остаточной магнитной индукции μ.
Увеличение коэрцитивной силы магнитотвердых материалов достигается получением неоднородной напряженной структуры, представленной высокоуглеродистым мартенситом с высокой плотностью дефектов строения.
Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть исполь-зованы углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют высоко-углеродистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХ3, ЕХ5К5 и др.). Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали, повышают ее коэрцитивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК40Т8АА, обладающие значительно большей коэрцитивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве материалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Fe-Ni-Al, сплавы на основе РЗМ (Sm, Pr, Y), получаемые методом порошковой металлургии.
Из магнитомягких сплавов изготавливают электромагниты, магнитопроводы электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппаратов. Основные требования, предъявляемые к магнитомягким материалам, – низкая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание. Низкие значения Н и высокая магнитная проницаемость достигаются в ферромагнетиках при однофазной близкой к равновесию структуре с минимумом внутренних напряжений.
Магнитомягким материалом является, например, техническое железо. Оно обладает достаточно высокой начальной и максимальной магнитной проницаемостью (μн= 0,3 и μmax = 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой (Нc=
=64 А/м). Недостатком железа является низкое удельное электро-сопротивление (не более 0,1 мкОм·м), обусловливающее значительные тепловые потери, связанные с вихревыми токами, возникающими при перемагничивании. Поэтому применение технического железа ограничено устройствами, работающими на постоянном токе.
Наиболее широкое распространение в качестве магнитомягких материалов, работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), получили кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния – увеличение удельного электросопротивления стали и, следовательно, сокращение потерь при перемагничивании. Дальнейшее уменьшение тепловых потерь достигается изготовлением магнитопроводов (роторов и статоров двигателей, сердечников трансформаторов и т.д.) из набора тонколистовых деталей с прослойкой изоляции (полимеров, оксидов).
Электротехнические стали маркируют четырехзначными цифрами. Первая цифра характеризует вид и структуру проката: 1 – горячекатаная изотропная сталь, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой. Вторая цифра указывает на содержание кремния: 0 – менее 0,4 %, 1 – более 0,4 % до 0,8 %, 2 – более 0,8 до 1,8 %,… 5 – более 3,8 до 4,8 %. Третья цифра определяет тепловые потери при определенных значениях индукции В и частоты f. Например, единица указывает, что потери нормированы при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц (Р1,5/50). Четвертая цифра – код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем потери меньше.
В радиотехнике, в телефонии для достижения больших значений индукции в слабых магнитных полях для магнитопроводов применяют железоникелевые сплавы – пермаллои, содержащие 45…83 % Ni и отличающиеся высокой магнитной проницаемостью (μн до 88 мГн/м и μmax до 310 мГн/м). К пермаллоям относятся, например, сплавы 45Н, 50Н (низконикелевые); 79НМ, 81НМА (высоконикелевые). Пермаллои применяют при частотах до 25 кГц. Наряду с пермаллоями применяют литейные сплавы системы Fe-Al-Si (альсиферы), обладающие свойствами, близкими к пермаллоям. Альсиферы не содержат дорогостоящих легирующих элементов, но они менее технологичны.
.