Специальные сплавы

Сплавы высокого сопротивления (ρ > 0,3 мк·Ом·м). Используют в электроизмерительных и электронагревательных приборах, резисторах, реостатах. Наиболее распространены:

Манганин (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) – хорошо вытягивается в проволоку диаметром до 0,02 мм. Для получения высокой стабильности отжигают при 350-550°С в вакууме.

Константан (60% Cu, 40% Ni) – хорошо обрабатывается (лента, проволока), температурный коэффициент ~ 0. Используют до 400 - 450°С. При нагреве до 900°С – 3 секунды даёт прочную окисную плёнку, что позволяет изготавливать реостаты без изоляции проволоки (до 1 В).

Даёт в паре с Cu или Fe высокую термоэдс, что используется в термопарах.

Нихромы (Ni – Cr – Mn – Fe). Хорошо вытягиваются. Т_раб 1000-1100°С. Используют в нагревательных элементах. Образуют прочную окисную пленку. Однако кратковременное частое включения – выключения уменьшают срок работы в 20-30 раз по сравнению с непрерывным режимом, из-за возникающих трещин в слое окисла.

Сплавы для термопар

Наиболее стабильны из металлических компонентов.

Копель (56% Cu, 44% Ni), алюмель (95% Ni, 5% Al, Si, Mn), хромель (90% Ni, 10% Cr), платинородий (90% Pt, 10% Rh). Объединяя их в пары можно получить высокие значения термоэдс. Наиболее распространены следующие термопары:

Pt Rh – Pt используют до 1600°С;

;

хромель – алюмель – до 900-1000°С.

Наибольшая термоэдс у хромель-копеля, далее у Fe-копеля, Cu-копеля, наименьшая у Pt Rh-Pt.

Большинство металлических термопар устойчиво в окислительной среде. При длительной работе удельная термоэдс уменьшается (загрязнение примесями, окисление, деформации). Наиболее точны Pt Rh – Pt термопары из-за инертности этих металлов.

Сплавы для корпусов приборов

1. сплавы Fe (стали) используют для корпусов полупроводниковых и электровакуумных приборов, работающих до 500°С. Положительный момент – малое газовыделение из сплавов.

2. сплав «ковар» (29% Ni, 17% Co, 54% Fe) обеспечивает хорошее сопряжение со стеклом - температурный коэффициент (4,4÷5,7)·10^-6 К^-1. Используют для впаивания в стёкла, вместо W и Mo.

Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относят металлы с Т_пл>1700°C. Широко используются особенно в электровакуумной технике, элементах электронных устройств и т.д. К ним относят: W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Zr, Re. Получают чаще всего методом порошковой металлургии и плавкой электронным или лазерным лучом.

Все они дают при нагревании летучие окислы, поэтому должны работать в вакууме или защищённой среде. Из них часто изготавливают испарители для установок вакуумного осаждения плёнок (т.к. у них очень малое давление насыщенного пара).

W – тяжёлый, твёрдый металл серого цвета. Т_пл 3400°С, ρ = 19,3. Исходное сырье – минералы: вольфрамит (FeWO₄+MnWO₄) и шеелит (CaWO₄) → WO₃ → далее восстановлением в атмосфере Н₂ при 900°С получают металлический порошок → при 2000 атм прессуют стержни, далее в атмосфере Н₂ ковка, волочение, прокатка. Технология сложна. За счёт ковки и волочения появляется волокнистая структура и гибкость. Нагрев тянутого W приводит к рекристаллизации и увеличению размеров зерен. Такой W становтся хрупким из-за слабого межзеренного сцепления. Поэтому проволоки и спирали при высоких температурах неформоустойчивы. Для улучшения механических свойств вводят присадки (Th₂O_3, SiO_2, Al₂O₃), они препятствуют росту кристаллов. Такой W называют непровисающий. Из него делают нити ламп накаливания.

W-важнейший материал электровакуумной техники (электроды, испарители, подогреватели, аноды в рентгеновских трубках и т. д.). Марка ВА с Si-Al-присадкой, ВТ-с Th₂O₃. W имеет наименьший температурный коэффициент линейного расширения, что используется в термически согласованных спаях.

Mo - по внешнему виду и по технологии обработки близок к W. Т_пл= 2620 , =10,2. Руда-молибденит MoS₂. Более пластичен, чем W, но химически более активен. Окисляется с 300 С. Из всех тугоплавких металлов самый электропроводный. Используется для изготовления деталей сложной формы, работающих в сложных температурных условиях: сетки и электроды электрических ламп, рентгеновских трубок, вакуумплотных соединений со стеклом, нагревательные элементы печей (до 1700 С). Марки МЧ (чистый), МК (с присадкой SiO₂) имеют высокую механическую прочность.

Ta - Т_пл = 3000 С, =16,6. Руда-танталит Fe(TaO₃)₂ , а также сопутствует другим тяжелым металлам. Технология-порошковая металлургия, как у W и Mo. Спекание только в вакуумных печах, так как склонен поглощать газы. Делают проволоку, прут, листы, фольгу, ленту. Марки: Т-повышенной чистоты, ТЧ-высокой чистоты, ТН-сплавы с Nb. Очень пластичен. Окисная пленка устойчива до 1500^С. Используется в особо ответственных узлах и изделиях вакуумной техники (испарители, катоды, сетки ламп, конденсаторы большой удельной емкости, тонкопленочные прецизионные резисторы). Пленки делают методом катодного или ионно-плазменного распыления в аргоне. Наиболее стабильны пленки Ta₂N для резисторов.

Cr - Т_пл=1900 С, =7,19. Недефицитен. Стоек к окислению, поэтому используется в защитных покрытиях, в том числе при повышенных температурах. Хромирование делают либо электролитически, либо за счет диффузии. Тонкие пленки Cr используют для изготовления резисторов и адгезионные слои для контактных площадок и токопроводящих соединений в ИС, а также в фотошаблонах. Cr обладает хорошей адгезией к стеклу, ситаллу, керамике, хорошо совместим с любым проводящим материалом. Легко напыляется.