3.3. Проводниковые материалы

Основными проводниковыми материалами являются металлы, углеродистые материалы, растворы и расплавы электролитов. Тип электропроводности металлических проводников электронный (металлический), они проводники первого рода.

Механизм прохождения электрического тока в растворах и расплавах электролитов обусловлен направленным движением катионов и анионов, поэтому тип электропроводности электролитов ионный, и они проводники второго рода. Прохождение тока через электролит связано с переносом ионов растворенного или расплавленного вещества и выделением их на электродах. В результате состав электролита изменяется. Электролиты широко используются в гальванотехнике и при очистке металлов (рафинировании).

Количественно электропроводность проводников оценивается удельной электропроводностью γ или обратной ей величиной – удельным электросопротивлением ρ. В системе СИ удельная электропроводность γ измеряется в Ом/м, а удельное электрическое сопротивление ρ – в Омм. Для измерения ρ иногда используют внесистемную единицу Оммм²/м.

Наибольшее распространение в технике получили твердые металлические проводники. Высокая электро- и теплопроводность металлических проводников обусловлена большой концентрацией n электронов проводимости.

У серебра n = 5,910²⁸, у меди n = 8,510²⁸. Удельное электросопротивление металлических проводников изменяется в узком интервале.

Металлические проводники подразделяются на пять групп:

металлы высокой проводимости (серебро, медь, золото, алюминий и др.) и их сплавы, имеющие удельное электросопротивление не более 0,1 мкОм·м, они используются для изготовления проводов, кабелей, токопрово-дящих шин, обмоток трансформаторов и т. п.;

сверхпроводники – это чистые металлы (ртуть, свинец, алюминий), сплавы, например ниобий – титан, ванадий – галлий и др., обладающие при температуре, близкой к абсолютному нулю, незначительным удельным сопротивлением;

криопроводники – металлы высокой проводимости (медь, алюминий, бериллий), которые при криогенной температуре (ниже – 195С) приобретают высокую удельную электропроводность;

сплавы высокого сопротивления – это сплавы, образующие твердые растворы (константан, нихромы и др.), они используются для изготовления электронагревательных элементов, реостатов, резисторов и т. п. и имеют высокое удельное электросопротивление (не менее 0,3 мкОм·м);

контактные материалы – металлы, сплавы, угольные материалы, композиционные материалы и другие, используемые в скользящих и разрывных контактах в различных электрических цепях.

3.4. Проводниковые материалы высокой проводимости

Материалы этой группы имеют минимальное удельное электросопротивление, высокие механические свойства, коррозионную стойкость, легко обрабатываются. Наиболее распространенными являются медь, алюминий, серебро, их сплавы, а также стали.

3.4.1. Медь и ее сплавы

3.4.1.1. Медь – металл красновато-розового цвета, в природе встречается в самородном состоянии. Содержание в земной коре – около 0,01 %. Температура плавления – 1083С, плотность – 8,94 г/см³, решетка кубическая гранецентрированная (ГЦК), полиморфизмом не обладает. Основные свойства меди приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные свойства меди

Свойство меди	Марка меди
	МТ	ММ
Удельное сопротивление p, мкОм·м	0,0177 – 0,0180	0,01724
Предел прочности при растяжении в, МПа	250 – 300	200 – 280
Относительное удлинение δ, %	0,5 – 5,0	18 – 50
Относительное сужение Ψ, %	55	75
Твердость по Бринеллю, НВ	65 – 120	35 – 38

Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 10 мкм), легко прокатывается в листы, ленту и фольгу (до 5 мкм), сваривается всеми видами сварки, хорошо паяется и полируется. Недостатками меди являются ее высокая стоимость, большая литейная усадка, горячеломкость, плохая обрабатываемость резанием.

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц–1). Нагрев выше 185С вызывает окисление поверхности меди с образованием пленки окисла черного, а затем – красного цвета. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат – гидроксид меди).

Из медной руды получают сырую (черновую) медь, содержащую до 3 % примесей, которые значительно снижают ее электропроводность, поэтому медь, предназначенную для электротехнических целей, рафинируют (очищают), а затем переплавляют в слитки, которые подвергают горячей прокатке и получают катанку. Катанку протягивают через фильеры волочильных досок и получают проволоку заданных профиля и размеров.

Волочением получают твердую нагартованную (твердотянутую) медь (МТ). Наклеп повышает твердость и прочность меди, возрастает удельное электросопротивление, снижается пластичность (см. табл. 2).

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить высокую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных пластин электрических машин, шин для распределительных устройств и т. п.

Рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 550 – 650С. В результате отжига механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем удельное сопротивление меди. Отжигом получают мягкую (отожженную) медь (ММ), которая пластична и имеет электропроводность на 3 – 5 % выше, чем медь марки МТ. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают удельную проводимость металлов и сплавов (в процентах).

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожильных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т. д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Висмут, свинец и сера – самые вредные примеси меди, вызывающие ее красно- и хладноломкость.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее природы. Например, 0,5 % кадмия (Cd), цинка (Zn) или серебра (Ag) снижают электропроводность меди на 5 %, а бериллий (Be), железо (Fe), кремний (Si) или фосфор (P) – на 55 % и более.

По степени чистоты медь выпускается несколькими марками, основные из них приведены в табл. 3.

Буква «б» означает «бескислородная», с повышенной прочностью; «р» – медь раскислена фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» – медь катодная переплавленная.

В бескислородной меди допускается содержание кислорода не более 0,001 %, большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни». При нагревании меди в атмосфере водорода он взаимодействует с кислородом и образуются пары воды, которые скапливаются в микропорах меди, создают высокое давление, что вызывает разрушение (растрескивание).

Таблица 3

Основные марки меди

Марка меди	Содержание Сu, %, не менее	Марка меди	Содержание Сu, %, не менее
М00 б	99,99	М1 р	99,90
М00	99,96	М2	99,70
М0 б	99,97	М2 р	99,70
М0	99,95	М3	99,50
М1 б	99,95	М3 р	99,50
М1 у	99,90	М4	99,00
М1	99,90

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как у серебра.

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют ее сплавы – латуни и бронзы.

3.4.1.2. Латуни – это сплавы системы «медь – цинк» с максимальным содержанием цинка 45 %. При концентрации цинка до 39 % латуни однофазны, их структура – кристаллы α-твердого раствора цинка в меди. Большее содержание цинка приводит к образованию второй фазы β¹-твердого и хрупкого соединения СuZn. Максимальную пластичность имеют однофазные латуни при содержании 30 % цинка, с увеличением содержания цинка пластичность понижается. Прочность латуней растет с увеличением содержания цинка до 45 %, а затем под влиянием твердой и хрупкой β¹-фазы резко падает и такие латуни не используются. Латуни, содержащие до 10 % цинка, называются «томпак».

Однофазные латуни со структурой α-твердого раствора обрабатываются давлением только в холодном состоянии. Двухфазные латуни (более 39 % цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии (выше 454 – 468С), когда твердая и хрупкая β¹-фаза переходит в пластичную β-фазу. Латуни могут упрочняться наклепом. Рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 450 – 550С.

Простые латуни (медь – цинк) маркируются буквой «Л», цифра после которой показывает среднее процентное содержание меди, например, латуни Л96, Л70 однофазны, а Л60 двухфазна.

Легированные латуни называются сложными или специальными, в их марке после буквы «Л» записывается начальная буква названия элемента и цифра – его среднее процентное содержание. Некоторые составы латуней приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные марки латуней

Марка латуни	Структура	Прочность σв, МПа		Пластичность δ, %
		Н	М	Н	М
Л80	α	640	320	5	52
Л70	α	650	340	3	60
Л62	α + β	600	360	3	45
ЛО70-1	α	650	340	3	60
ЛН65-5	α	620	390	4	55
ЛАЖ60-1-1	α + β	750	450	8	45
ЛС59-1	α + β	650	400	16	45

Примечание: Н – после наклепа (степень деформации 50 %); М – после отжига 550С.

Оловянистые латуни обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Листами из этих латуней обшивали днища судов парусного флота, поэтому их называют «морская», «корабельная», «адмиралтейская», например ЛО70-1 и ЛО62-1.

Никелевая латунь ЛН65-5 обладает высокими антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и вязкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.

Алюминиевые латуни содержат до 4,5 % алюминия, однофазны (например, ЛА77-2), хорошо обрабатываются давлением, их легируют железом, никелем, марганцем ЛАН 59-3-2, ЛАЖ 60-1-1, ЛЖМц 59-1-1.

Свинцовистые латуни получили название «автоматные» (ЛС74-3, ЛС59-1, ЛЖС58-1-1), их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой с последующей обработкой на станках-автоматах.

Из латуней получают проволоку, прутки, листы, ленту, полосы, они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, болтов, шпилек, шайб, упругих элементов штепсельных разъемов и т. п.

3.4.1.3. Бронзы – это сплавы меди с оловом, кадмием, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами. Маркируют бронзы буквами «Бр», затем ставятся буквы, указывающие химические элементы, и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, БрБ2 – бериллиевая бронза, содержит 2 % бериллия; БрОЦС4-4-2,5 – оловянно-цинково-свинцовая бронза, содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца.

Атомы химических элементов, внедряясь в кристаллическую решетку меди, деформируют ее, увеличивая количество несовершенств, затрудняют подвижность дислокаций, повышая прочность и твердость, поэтому удельное сопротивление бронз, как и латуней, больше, чем у чистой меди. Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь и латунь. При определенном содержании вводимых компонентов отожженные бронзы пластичны (табл. 5) и хорошо поддаются пластической деформации (волочению, прокатке).

Таблица 5

Основные марки бронз

Марка бронзы	Уд.проводимость γ, % по отношению к меди		Прочность σв, МПа		Пластичность δ, %
	Н	М	Н	М	Н	М
БрКд0,9	85 – 90	95	700 – 7 730	300 – 310	4	50
БрКд0,08-0,6	50 – 55	55 – 60	700 – 730	290 – 300	4	55
БрБ2	8 – 10	30 – 35	1000 – 1100	490 – 500	3	45
БрОФ6,5-0,15	10 – 15	25 – 30	700 – 750	350 – 400	8	50
БрОЦ4-3	10 – 15	25 – 30	550	350	4	40
БрОЦС4-4-2,5	8 – 10	25	650	350	2	35

Примечание: Н – после наклепа; М – после рекристаллизационного отжига. Для бронзы БрБ2 – М – после закалки в воде; Н – после процесса старения.

Кадмиевая бронза (БрКд 0,9, см. табл. 4) при небольшом снижении удельной электропроводности обладает высокими механическими свойствами: прочностью, твердостью, износостойкостью. Эту бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и коллекторных пластин в электрических машинах.

Бериллиевая бронза БрБ2 (см. табл. 5) упрочняется термообработкой. После закалки с температуры 780С в воде имеет высокую пластичность δ (до 45 %). Старение (отпуск) при температуре 300 – 350С в течение 2 – 3 ч увеличивает прочность до 1100 МПа и твердость – до НВ350 – 400. Эта бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и износу, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой, поставляется в виде деформированных полуфабрикатов (полос, прутков, проволоки), используется для изготовления упругих элементов электроприборов (плоских пружин, пружинящих электроконтактов, мембран, деталей, работающих на износ, и т. п.). Недостаток бериллиевой бронзы – высокая стоимость.

Оловянные бронзы – сплавы меди с оловом с добавлением фосфора, цинка, свинца. Фосфор повышает твердость и прочность, цинк удешевляет бронзу (как заменитель олова), растворяясь в меди, на структуру не влияет, свинец улучшает обрабатываемость резания. При содержании олова до 5 – 6 % бронзы однофазны, их структура – кристаллы α-тердого раствора олова в меди. Эти бронзы пластичны, используются как деформируемые (см. табл. 5).

Указанные в табл. 5 марки оловянных бронз обладают пластичностью, обрабатываются давлением, из них получают ленты, полосы, прутки, проволоку для изготовления токопроводящих изделий.

Все другие составы бронз используются как конструкционный литейный материал для получения отливок и в электротехнике имеют весьма ограниченное применение.

Среди бронз отдельную группу составляют сплавы меди с никелем. Сплавы электротехнические – это сплавы высокого электросопротивления: манганин МНМц3-12, константан МНМц40-1,5 и копель МНМц45-0,5.

К сплавам конструкционным относятся сплавы мельхиор МН19 (19 – 20 % никеля) и нейзильбер МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка), они обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, применяются в приборостроении, для изготовления бытовых изделий, посуды и украшений.

Для изделий высокой прочности и коррозионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель, содержащий кроме меди и никеля железо и марганец – МНЖМц68-2,5-1,5 (68 % никеля, 2,5 % железа и 1,5 % марганца).