Материалы высокой электрической проводимости
К наиболее распространённым материалам высокой электрической проводимости относятся медь и алюминий.
Медь обладает малым удельным сопротивлением,
высокой механической прочностью, удовлетворительной стойкостью к
коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что
позволяет прокатывать её в листы, ленту и вытягивать в проволку. В
качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0. В
марке М1 содержится 99.9% чистой меди, а в общем количестве примесей
кислород составляет до 0.08%. Лучшими механическими свойствами обладает
вторая марка, в которой содержится 99.95% меди, а в составе примесей
имеется до 0.02% кислорода. Лучшая бескислородная медь содержит 99.97%
чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в вакуумных индукционных
печах) — 99.99%. Твердотянутую медь, полученную методом холодной
протяжки, используют, когда необходима высокая механическая прочность, а
мягкую (отожжённую) — когда важна гибкость, например для изготовления
монтажных проводов и шнуров. Электровакуумная медь идёт на изготовление
деталей электронных приборов. Медь используется также для изготовления
фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения
токопроводящих плёнок на подложках, обеспечивающих соединение между
функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки
обмоточных проводов приведены в таблице ниже.
Марка провода | Тип изоляции | Диаметр провода, мм |
---|---|---|
ПЭЛ | Эмалевая лакостойкая | 0.02-2.44 |
ПЭВ-1 | Эмалевая с одинарным и двойным винифлексовым покрытием | 0.06-2.44 |
ПЭЛБО | Эмалевая лакостойкая с одним слоем хлопчатобумажной обмотки | 0.2-2.1 |
ПЭЛБД | То же, но с двумя слоями хлопчатобумажной обмотки | 0.72-2.1 |
ПЭЛШО | То же, но с одним слоем шёлковой обмотки | 0.05-2.1 |
ПЭЛШД | Эмалевая лакостойкая с двумя слоями шёлковой обмотки | 0.86 |
ПЭЛШКО | Эмалевая лакостойкая с одним слоем обмотки из капрона | 0.05-2.1 |
ПЭЛШКД | Эмалевая лакостойкая с двумя слоями обмотки из капрона | 0.86 |
ПЭЛШЮ | Эмалевая лакостойкая с одним слоем обмотки из шёлка | 0.05-2.1 |
ПЭТСО | Эмалевая (Винифлекс) с одним слоем обмотки из стеклянной пряжи | 0.31-2.1 |
ПЭТКСОТ | То же, но с применением кремнийорганической эмали. | 0.33-1.56 |
ПЭЛБВ | Эмалевая лакостойкая с обмоткой из длинноволокнистой бумаги | 0.51-1.45 |
ПБ | Несколько слоёв кабельной бумаги | 0.31-5.2 |
ПБО | Один слой хлопчатобумажной обмотки | 0.2-2.1 |
ПБД | Два слоя хлопчатобумажной обмотки | 0.2-5.2 |
ПСД | Два слоя обмотки из стекловолокна, пропитанной глифталевым лаком | 0.31-5.2 |
ПСДК | Два слоя обмотки из стекловолокна, пропитанной кремнийорганическим лаком | 0.31-5.2 |
Алюминий приблизительно в 3.5 раза легче меди.
Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ,
содержащий до 0.5% примесей. Проволка, изготовленная из алюминия АЕ и
отожжённая при температуре 350 С°, обладает удельным
сопротивлением 0.028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до
0.03%) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги,
электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Основным
недостатком алюминия является малая механическая прочность, почти в три
раза меньшая, чем у меди. В радиотехнике алюминий применяют в виде
алюминиевой фольги в электролитических и бумажных конденсаторах; из
листового алюминия изготовляют пластины, каркасы и прочие детали
воздушных конденсаторов переменной емкости. Алюминиевые листы применяют
как конструктивный материал для изготовления панелей и каркасов
аппаратуры. Алюминий хорошо поддается всем видам обработки. При опиловке
алюминия рекомендуется, применять напильники с особо острой насечкой, а
резцы и фрезы необходимо затачивать острее, чем при обработке других
материалов. Распространено изготовление алюминиевых деталей литьем.
Алюминий стоек в отношении коррозии, так как покрывается на воздухе
оксидной пленкой, которая хорошо предохраняет его от дальнейшего
окисления. Для конструктивных целей широко применяются твердые сплавы
алюминия, например дюралюминий, обладающий несколько большей плотностью и
значительно более высокими механическими параметрами, чем алюминий.
Дюралюминий применяется листовой, угловой и в трубах.Наиболее
употребительные марки обмоточных проводов из алюминия приведены в
таблице ниже.
Марка провода | Тип изоляции | Диаметр провода без изоляции, мм |
---|---|---|
АПБ | Провод круглого или прямоугольного сечения, изолированный несколькими слоями обмотки из лент кабельной бумаги | 1.35-8.0 |
АПБД | То же, но изолированный двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжи | Прямоугольного сечения: Меньшая сторона: от 2,1 до 5,5 мм Большая сторона: от 4,1 до 14,5 мм |
АПСД | Провод круглого или прямоугольного сечения, изолированный двумя слоями обмотки из стекловолокна, пропитанной нагревостойким глифталевым лаком | 1.62-5.2 |
АПЛБД | Провод круглого или прямоугольного сечения, изолированный обмоткой из лавсанового волокна и одним слоем хлопчатобумажной обмотки | Круглое сечение: диаметр 1,35-8 |
Альдрей — сплав алюминия с магнием (0.3-0.5%), кремнием (0.4-0.7%) и железом (0.2-0.3%). Сохраняет лёгкость чистого алюминия, обладает близким к нему удельным сопротивлением (0.0317 мкОм*м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.
Дюралюминий — сплав алюминия с медью. Обладает свойствами алюминия, но значительно тверже и прочнее его. Выпускаются следующие основные марки:
- Д1 — характеризуется средней пластичностью и высокой прочностью после термической обработки (закаливания и старения). В отожженном состоянии можно гнуть и вытягивать. Коррозийная стойкость невысокая. Применяется для изготовления деталей, не требующих большой прочности: втулок, стоек, опор, промежуточных шайб, обшивок каркасов, деталей разъемов и фишек, а также деталей, требующих глубокой вытяжки — экранов, стаканов и т.п. В закаленном состоянии применяется в деталях, требующих повышенной прочности: опор изоляторов, кронштейнов, подвесок.
- Д6 — характеризуется повышенной прочностью, невысокой пластичностью. В основном применяется для изготовления труб.
- Д16 — сочетает высокую прочность с высокой пластичностью и удовлетворительной свариваемостью. Прочность приобретает после закаливания и естественного старения. Применяется для изготовления деталей, работающих при нормальных температурах и средних механических нагрузках: колпачков, крышек, экранов, фланцев, обойм, рефлекторов, каркасов, деталей штепсельных разъемов, шасси, панелей, заклепок, а также деталей глубокой вытяжки и профильной гибки. Закаленный применятся для изготовления оснований антенн, каркасов, блоков.
- Д18П — сочетает повышенную пластичность с удовлетворительной свариваемостью и обрабатываемостью. Основное применение — заклепки.
Силумин — сплав алюминия с кремнием. Обладает хорошими литейными свойствами, но хрупок. Марки СИЛ-1 и СИЛ-2. Применяется для изготовления шасси, шкивов, фасонных деталей и т.п.
Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, кремния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающих более высокими механическими свойствами, чем медь. Кадмиевая бронза обладает наибольшей электропроводностью среди всех тип бронз, хорошей механической прочностью и в три раза лучше сопротивляется истиранию, чем твердотянутая медь. Кроме того, будучи нагретой до 250 градусов Цельсия, кадмиевая бронза не теряет своей механической прочности, в то время как медь при этой температуре полностью отжигается. Бериллиевая бронза отличается высокой механической прочностью и хорошо сопротивляется износу. Ее применяют для изготовления проводов высокой прочности, пружинных, штепсельных и скользящих контактов, зажимов, ножей и губок выключателей и переключателей. Бериллиевая бронза так же не боится нагрева до 250 градусов Цельсия. Фосфористая бронза, так же как и бериллиевая, идет для производства токопроводящих пружин и скользящих контактов реостатов, переменных конденсаторов и т. п.
Латунь — сплав меди сцинком и другими добавками, обладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для изготовления различных токопроводящих деталей.
- Латунь Л62 — обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью при достаточной прочности. Пригодна для глубокой штамповки: экранов, кожухов, стаканов, фланцев, обрамлений, волноводов, а также деталей шасси, контактных лепестков, штепсельных вилок, шайб, гаек. Хорошо тянется и обрабатывается резанием.
- Латунь Л68 — характеризуется высокими пластическими и механическими свойствами, хорошо обрабатывается давлением как в холодном, так и в горячем состоянии, паяется, обрабатывается резанием. Устойчива против коррозии. Применяется для изготовления деталей, не требующих высоких механических свойств, и для деталей глубокой вытяжки.
- Латунь Л90 — обладает высокими механическими свойствами и стойкостью против коррозии. Хорошо обрабатывается в холодном состоянии. Применяется для изготовления деталей глубокой вытяжки, несущих большие механические нагрузки.
- Латунь ЛС59-1 — свинцовая, характеризуется высокими механическими свойствами и коррозийной устойчивостью. Хорошо сваривается, паяется и обрабатывается резанием. Применяется для изготовления деталей неответственного назначения: фишек и разъемов, арматуры для пластмасс, направляющих штырей, фиксаторов, фланцев, шайб.
Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов приведены в таблице ниже.
Сплав | Удельная проводимость, % к меди | Предел прочности, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % |
---|---|---|---|
Кадмиевая бронза (0.9% Cd) | 95 | До 310 | 50 |
Бронза (0.8% Cd, 0.6% Sn) | 55-60 | 290 | 55 |
Фосфористая бронза (7% Sn, 0.1% P) | 10-15 | До 400 | 60 |
Латунь (70% Cu, 30% Zn) | 25 | 320-350 | 70 |
Сталь и железо. Всякий сплав железа, содержащий от 0,01% до 1,7% углерода, считается сталью. Исторически деление на железо и сталь было проведено на основании чисто технологических признаков, в соответствии с которыми к железу отнесли сплавы, содержащие до 0,1% углерода и минимальное количество других примесей. В радиотехнике принято последнее подразделение на железо и сталь. Отсюда и названия — железо Армко, карбонильное железо, электролитическое железо и т. п., несмотря на то, что они содержат более 0,01% углерода. Железная проволока в качестве проводника тока особенно широко эксплоатируется в радиотрансляционной технике в виде фидерных линий и для абонентской проводки. Железная проволока имеет удельное объемное сопротивление в 7-8 раз выше, чем у меди, и быстро разрушается под действием коррозии, но отличается большой механической прочностью и низкой ценой по сравнению с медью и алюминием.
- Сталь декопированная — хорошо сваривается и штампуется. Предназначена для штампованных деталей, несущих малую нагрузку: колпачки, обоймы, крышки, кожухи, крепежные скобы. Возможная замена: сталь марок 0.8КП, 10КП, 10.
- Сталь Cт. 0 обыкновенного качества — хорошо сваривается и применяется для изготовления проволоки, сетки и т.п.
- Сталь Ст. 3 обыкновенного качества — мягкая, вязкая, хорошо сваривается. Применяется для сварных конструкций, приспособлений, щитков, кожухов, прокладок, угольников и т. п. Возможная замена: сталь марок 10 и 15.
- Сталь 10 (а также 08КП, 10КП) качественная машиностроительная — хорошо штампуется в холодном состоянии, допускает холодную высадку, хорошо сваривается. Предназначена для изготовления малонагружаемых деталей и конструкций, требующих сварки, штамповки, гибки, сплющивания, отбортовки. Сталь марки 10КП применяется для деталей, изготовляемых глубокой вытяжкой: крышки, колпачки, платы и т.п. Возможная замена: сталь марок 15, 20, 25, 15КП и 20КП.
- Сталь 20 качественная машиностроительная — хорошо сваривается и обрабатывается на металлорежущих станках. Пригодна для штамповки, гибки, вытяжки. Может подвергаться цементации и цианированию. Предназначена для изготовления ответственных штампованных деталей; для изготовления всех видов крепежа, а также деталей, от которых не требуется высокой прочности. Возможная замена: сталь марок 25, 30, 35 и 40.
- Сталь 30 качественная машиностроительная — хорошо куется и сваривается. Для повышения обрабатываемости и закаливаемости предварительно нормализуется. Закаливается в воде, после чего приобретает твердую прверхность и мягкую сердцевину. Предназначена для изготовления деталей, которые по условиям работы должны иметь высокую поверхностную твердость при вязкой сердцевине. Возможная замена: стали марок 35, 40 и 45.
- Сталь 40 качественная машиностроительная — обладает повышенной прочностью. После закалки обязателен отпуск. Применяется для изготовления мелких средненагружаемых деталей: втулок, винтов, гаек, колец, шайб, штифтов, осей, валов, шестерен, а также деталей, изготовляемых холодной высадкой. Возможная замена: стали марок 45 и 50.
- Сталь 45 качественная машиностроительная — высокопрочная и твердая при удовлетворительной вязкости. Сваривается, но после сварки необходима термическая обработка. Хорошо обрабатывается на металлорежущих станках. Применяется для изготовления деталей, требующих повышенной механической прочности: осей, зубчатых колес, деталей, изготовляемых холодной высадкой, ответственных крепежных деталей. Может работать на истирание.
- Сталь 50 качественная машиностроительная — высокопрочная и твердая при удовлетворительной вязкости. Сваривается, но затем требует термической обработки. Поддается закалке. Применение то же, что у стали 45.
- Сталь 65Г качественная машиностроительная — с повышенным содержанием марганца. Обладает высокой прочностью и износоустойчивостью при хороших пружинящих свойствах. Предназначена для изготовления деталей, работающих при знакопеременных нагрузках: рессор, пружин, пружинных шайб и т.п.
- Стали Н, П, В пружинная — углеродистая, предназначена для изготовления пружин, навиваемых в холодном состоянии и не подвергаемых закалке.
- Сталь А12 конструкционная автоматная — хорошо обрабатывается на металлорежущих станках. Может подвергаться цементации и цианированию. Предназначена для изготовления малонагружаемых мелких и средних деталей простой формы, требующих чистой поверхности и высокой поверхностной твердости: валов, упоров, втулок, осей и т.п. Возможная замена: стали марок А15, 15, 20, 30 и 35.
- Сталь У7А — для изготовления инструментов, подвергающихся ударам и толчкам: зубил, молотков, выколоток и т.п. Закаливается в воде и слабо в масле, обладает значительной вязкостью и твердостью, устойчива против смятия. Сваривается плохо. При высокой температуре механические свойства снижаются.
- Сталь У8А — применение то же, что у стали У7А, а также для пробойников, ножей по металлу и изготовления пружин.
- Сталь У10А — предназначена для изготовления инструмента, не подвергающегося ударам и требующего вязкости на острых лезвиях: резцов, сверл, фасонных штампов, метчиков, плашек и т.п.
Конструкционные легированные стали содержат, кроме углерода, примеси хрома, никеля, вольфрама, молибдена, ванадия и других металлов. Соответственно их называют: хромистая сталь, никелевая сталь и т.д. Эти присадки придают стали особые свойства. Хромистая сталь очень стойка против истирания и окисления. Никелевая сталь хорошо переносит удары. Хромоникелевая сталь марок 12ХНЗА, 1ХЗН4А и 20ХНЗА отличается высокой твердостью и вязкостью, а ее разновидность — нержавеющая сталь марки 14Х19Н9А (с присадкой марганца) — не подвержена коррозии. Хромансилевая сталь марки ЗОХГСА обладает высокой прочностью, большой вязкостью и хорошо закаливается.
Листовая электротехническая сталь в радиотехнике относится к разряду магнитных материалов. Поэтому сведения о ней приведены в соответствующем разделе.
Примерное содержание углерода в стали можно определить, наблюдая форму и цвет искр при обработке стали на наждачном круге. Малоуглеродистая сталь дает прямые соломенно-желтые искры почти без звездочек. Сталь с содержанием до 0,5% углерода дает маленькие светло-желтые искры. Углородистая (инструментальная) сталь с содержанием углерода до 0,7—1% дает светло-желтые искры с большим количеством звездочек. При содержании углерода до 1,2—1,4% световые линии укорачиваются, а число звездочек резко возрастает. Присутствие в стали хрома проявляется темно-красными линиями, а присутствие вольфрама — шарообразными искрами.
Цинк может применяться только как суррогат проводниковых материалов, так как его сопротивление в три раза выше, чем меди, и при нагревании до 100 градусов Цельсия цинк теряет прочность на 60—70% (медь на 9%). Сопротивление цинка коррозии ниже, чем алюминия. Кроме того, он имеет низкое сопротивление к длительной механической нагрузке.
Висмут используется, главным образом, в измерительной технике, благодаря следующим свойствам:
- Его удельное сопротивление увеличивается под действием магнитного поля, поэтому спирали из висмута применяют для измерения напряженности магнитного поля.
- Термопара, состоящая из висмута и серебра дает большую термоэлектродвижущую силу — 80 мкВ на градус Цельсия.
Ртуть — единственный металл, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре. В радиотехнике ртуть применяется в ртутных колбах для мощных выпрямителей, для контактов и т.п.
Серебро — металл белого цвета, хорошо поддающийся механической обработке. Обладает наивысшей электропроводностью и хорошо паяется. Применяется для изготовления контактов реле, как покрытие проводов, предназначенных для намотки высокочастотных катушек индуктивности, серебрения керамики (в производстве конденсаторов). Применяется и как антикоррозийное покрытие.
Платина — металл серого цвета. Хорошо вытягивается в проволоку и раскатывается в листы. Применяется для изготовления контактов реле, термопар и нагревательных элементов в измерительной технике.
Вольфрам — металл серебристо-белого цвета. Очень жароупорен, тверд и прочен. При комнатной температуре не окисляется. Применяется для изготовления контактов и в производстве электронных ламп.
Олово — мягкий металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Стоек против коррозии и поэтому используется в качестве антикоррозийного покрытия. Применяется в качестве припоя, чаще всего в сочетании с другими металлами.
Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резисторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и транзисторов и т.д.
Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддаётся механической обработке, устойчив к окислению. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элементов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов, защитного покрытия изделий из железа.
Инвар (Н-36) — сплав железа с 36% никеля, обладает очень низким коэффициентом линейного расширения в диапазоне температур от -100 до +100 С°. Применяется для изготовления токоотводов ламп, проходящих через стеклянные элементы.
Платинит (Н-47) — сплав железа с 47% никеля. Имеет коэффициент линейного расширения близкий к платине и стеклу. Применяется для изготовления токоотводов ламп, проходящих через стеклянные элементы.
Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, обладает удельным сопротивлением примерно в 2 раза меньшим чем у инвара и малым коэффициентом линейного расширения (аL=4.8*10-6 К-1). Температура плавления 1450 С°. Применяется для изготовления токоотводов ламп, проходящих через стеклянные элементы.
Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относительное удлинение при разрыве 55%), не стоек к вибрации, устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; подвержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих органических веществ. Свинец и его сплавы используют для изготовления защитных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохранителей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, поглощающего рентгеновское излучение. свинец и его соединения ядовиты.
Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Различают мягкие и твёрдые припои с температурой плавления соответственно до 300 и более 300 С°. Более подробно припои рассмотрим в статье припои и флюсы.
Список использованной литературы
- Справочник молодого радиста. В.Г. Бодиловский. — М.: Высшая школа, 1983.
- Рабчинская Г.И. Радиолюбительские материалы (краткий справочник), выпуск МРБ номер 87, Госэнергоиздат, 1950 год.
- Соболевский А.Г. Материалы в радиоэлектронике (справочник), выпуск МРБ номер 492, Госэнергоиздат, 1963 год.