1.2.1 Сплавы на основе меди.

Наиболее распространенными и широко применяемыми являются сплавы на основе меди, латуни и бронзы.

Латуни – двойные или многокомпонентные сплавы меди с цинком. В качестве второстепенных компонентов, улучшающих свойства латуней, в них могут добавляться другие элементы: олово, свинец, алюминий, никель. Структура и свойства латуней, в основном, зависят от содержания цинка. Практическое применение находят сплавы с содержанием цинка до 45 %. При этом содержании цинка латуни обладают наибольшей механической прочностью. Латуни, содержащие 30…32 % цинка, обладают наибольшей пластичностью. При содержании цинка до 39 % при температуре плюс 453 ⁰С цинк растворяется в меди, сплавы однофазные и называются α латунями. С увеличением процентного состава цинка в меди (до 45 %) сплавы двухфазные. В этом случае они являются композицией зерен α и β фаз и называются α + β латунями. Латуни прочнее, тверже и дешевле меди, хорошо обрабатываются в холодном и горячем состоянии. После холодной деформации прочность и твердость латуней возрастают, пластичность резко снижается. Отжиг при температуре от плюс 600 до плюс 800 ⁰С снижает состояние наклепа, сплав становится пластичным, его прочность и твердость уменьшаются. Обозначаются латуни буквами Л с цифрой: цифра указывает количество меди. Простые латуни марки Л68, Л63 применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования. Они легко перерабатываются в листы, проволоку, выдерживают резкие изгибы, свариваются и паяются. Для изготовления стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей пружинящих контактов и других токоведущих частей, требующих повышенной твердости и стойкости к действию электрических разрядов применяются латуни с добавкой марганца, например ЛМц 48-2.

Бронзами называются сплавы меди с любыми компонентами (оловом, алюминием и др.), кроме цинка и никеля (однако цинк может входить в состав сложных бронз в качестве второстепенного компонента). В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению, истиранию и коррозийной стойкости. Характерной особенностью бронз является их малая усадка при литье по сравнению с чугунами и сталями. Поэтому наиболее сложные по форме детали отливают из бронзы. В электротехнике стараются применять бронзы, сочетающие высокую проводимость с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронза), а также особо прочные сплавы с достаточно хорошей проводимостью (бериллиевые бронзы). Бронзы маркируются буквами Бр. Из проводниковых бронз изготавливаются провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные, упругие детали для электрических приборов.

1.2.2 Сплавы на основе меди высокого удельного электрического сопротивления. В данной лабораторной работе рассматриваются следующие сплавы: медь–никель, медь–вольфрам, цинк–магний и олово–свинец (сурьма) Эти сплавы характеризуются повышенным удельным электрическим сопротивлением r, малым температурным коэффициентом удельного сопротивления a_с и стойкостью к окислению при повышенных температурах.

Медно-никелевый сплав применяется для изготовления образцовых сопротивлений, шунтов и добавочных сопротивлений к электроизмерительным приборам, термопар.

Общим свойством таких сплавов является высокое удельное электрическое сопротивление (от 0,4 до 2,0 мкОм×м). Поэтому такие сплавы называются сплавами высокого сопротивления. Эти сплавы представляют собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой. Основные электрические свойства (ρ, αr) медно-никелевых сплавов зависят от процентного содержания компонентов в сплаве. К медно-никелевым сплавам относятся манганин, константан и нейзильбер.

Сплав на основе меди – манганин состоит из 84…86 % меди,

12…13 % марганца и 2…3 % никеля, выпускается двух марок МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3. Основной легирующей добавкой является марганец. Вследствие легирования марганцем зависимость удельного электрического сопротивления манганина от температуры имеет вид параболы с максимумом вблизи комнатных температур (плюс 32…плюс 40 ˚С). Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления в интервале температур плюс 10…плюс 40 ˚С находится в пределах (минус 2…плюс 25)·10^-6 °С^-1, благодаря чему удельное электрическое сопротивление сплава в интервале температур от минус 100 до плюс 100 °С изменяется незначительно, а это дает возможность применять манганин в точных электроизмерительных приборах. Для стабилизации электрических свойств манганиновой проволоки ее подвергают тепловой обработке – отжигу при температуре плюс 400 °С в нейтральной среде с медленным охлаждением и длительной выдержкой при комнатной температуре. Стабилизированный манганин способен выдерживать высокие температуры (допустимая рабочая температура плюс 200 °С), но начиная с плюс 60 °С, наблюдаются необратимые изменения его свойств. Поэтому точные сопротивления из манганиновой проволоки не рекомендуется нагревать свыше плюс 60 °С. Вторым достоинством манганина является очень малая термо-ЭДС, развиваемая этим сплавом в контакте с медью.

Из манганина изготавливают мягкие и твердые сорта проволоки диаметром от 0,02 до 6 мм, полосы и фольгу.

Константан также является медно-никелевым сплавом, но в отличие от манганина содержит больше никеля. Состав константана: 57…60 % меди, 39…41 % никеля и 1…2 % марганца. Наименование сплава МНМц40-1,5. Основное достоинство сплава – независимость удельного электрического сопротивления от температуры. Значение температурного коэффициента удельного электрического сопротивления приведено в таблице 1.2.

Константан отличается высокой механической прочностью сочетаемой с пластичностью, и это позволяет получать из него проволоку диаметром от 0,02 до 5 мм, фольгу, ленты, полосы.

Константан в паре с медью создает высокое значение удельной термо-ЭДС, что не позволяет применять константан в высокоточных электроизмерительных системах и приборах. Константановая проволока применяется для изготовления реостатов и термопар. По нагревостойкости константан превосходит манганин, допустимая рабочая температура

до плюс 500°С. Термопары медь-константан используются для измерения температур до плюс 500 °С, а железо-константан – до плюс 600 °С.

При нагревании голой константановой проволоки до плюс 900 °С в течение нескольких секунд и последующего охлаждения на воздухе на ее поверхности образуется сплошная пленка из окислов. Эта оксидная пленка имеет темно-серый цвет и обладает электроизоляционными свойствами. Такая проволока может использоваться (с естественной изоляции между витками), например в реостатах, если напряжение между витками не превышает 1В.

В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических изделий применяется медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ15-20. Состав сплава: 18…22 % цинка, 13,5...16,5 % никеля с кобальтом и остальное – медь. Содержание различных примесей не превышает 0,9 %.

Нейзильбер, внешне напоминающий серебро, имеет очень высокие механические характеристики, пластичен и отличается высокой коррозийной стойкостью. Но удельное электрическое сопротивление меньше, чем у других сплавов. Допустимая рабочая температура нейзильбера

200…250 °С, так как при более высоких температурах происходит диффузия цинка к границам зерен сплава и изделия становятся хрупкими. После холодной деформации сплав приобретает упругость.

Основные электрические и механические параметры данных сплавов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Основные параметры медно-никелевых сплавов

Параметры	Манганин	Константан	Нейзильбер
1 Плотность, кг/м^3	8400	8900	8700
2 Удельное электрическое сопротивление с, мкОм·м	0,42…0,48	0,48…0,52	0,30…0,32
3 Температурный коэффициент удельного сопротивления, ТКс×10^-6, ^оС^-1	-6…+50	-5…+25	360
4 Коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью мкВ/^оС	1…2	44…55	14,4
5 Температурный коэффициент линейного расширения, ТКl×10^-6, ^оС^-1	13	14,4	16,6
6 Предел прочности при растяжении ур, МПа	450…600	400…500	350… 1100
7 0тносительное удлинение при разрыве, %	15…0	20…40	3…30
8 Температура плавления, ^оС	910-960	1260	1080
9 Максимальная рабочая температура, ^оС	200	500	200…250

Сплав медь-вольфрам предназначен для сильноточных коммутирующих контактов. Сильноточные разрывные контакты изготавливаются из металлокерамических композиций (псевдосплавов), получаемых методом порошковой металлургии. Псевдосплав состоит из невзаимодействующих компонентов и представляет собой смесь двух фаз, одна из которых обладает значительно большей тугоплавкостью. Основу псевдосплава составляет медь или серебро. В данном псевдосплаве медная фаза обеспечивает высокую электропроводность и теплопроводность контактов, а тугоплавкая фаза в виде равномерных включений или непрерывного скелета вольфрама, графита или других тугоплавких металлов, повышает стойкость к механическому износу, электрической эрозии, термическую стойкость и препятствует свариванию контактов друг с другом.

При выборе компонентов для псевдосплава, важно, чтобы при работе, когда возможен нагрев контактных точек, не происходило взаимодействие двух фаз.

Так как псевдосплав представляет собой механическую смесь, то и физические параметры фаз (плотность, твердость, проводимость, теплопроводность и температурный коэффициент линейного расширения) суммируются.

Контакты из псевдосплава медь-вольфрам отличаются от серебряно-вольфрамовых более высоким сопротивлением износу, свариванию и оплавлению при больших токах и напряжениях, а также повышенными механическими характеристиками и удельным сопротивлением (для КМК-А61 r=0,041 мкОм·м, для КМК-Б20 r=0,060 мкОм·м).

Медь как контактный материал обладает многими достоинствами, но основной недостаток – это склонность к атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок с высоким сопротивлением. Вследствие повышенного переходного сопротивления, возрастающего с увеличением содержания вольфрама, медно-вольфрамовые контакты непригодны для слаботочных контактов и применяются в сильноточных аппаратах (контакторах, контроллерах), работающих при напряжениях (выше 100 В), способных пробить оксидную пленку и там, где требуются высокие контактные нажатия (не менее 3 Н). Поэтому композиция медь-вольфрам применяется для контактов, работающих в масле при высоких контактных нажатиях, в основном, для дуговых контактов масляных выключателей. Для повышения прочности в состав псевдосплава вводится 2…3 % никеля. Содержание вольфрама в псевдосплаве колеблется от 30 до 90 %. Металлокерамические контакты получают методом жидкофазного или твердофазного спекания. Форма и размеры контактов зависят от мощности аппарата, конструкции контактодержателя и т. п.