12.4. Механические свойства металлических проводников

В гл. 10.2.1 были рассмотрены механические свойства металлов при статических, динамических и знакопеременных нагрузках, влия­ние на механические свойства металлов дефектов их строения (гл. 10.2.3), типа и состава образуемых металлических сплавов (гл. 10.3), различных видов термической обработки (10.5) и обработки металлов давлением (11.3). Было показано, что механические харак­теристики металлов могут существенно изменяться при их легирова­нии, закалке и отжиге, а также при ОМД: ковке, волочении, прокат­ке в холодном состоянии. Влияние режима отжига на механические свойства меди и алюминия приводится в гл. 13.1.

Глава 13

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

По свойствам и области применения все проводниковые мате­риалы можно условно разбить на шесть групп: материалы высокой проводимости, сверхпроводники, криопроводники, материалы высо­кого сопротивления, проводниковые металлы различного назначе­ния и материалы для подвижных контактов.

13.1. Проводниковые материалы высокой проводимости

Материалы этой группы должны иметь минимальное удельное элек­трическое сопротивление, достаточно высокие механические свойства и коррозионную стойкость и легко обрабатываться.

Наиболее распространенными из этих материалов в электро- и радиотехнике являются медь, алюминий, серебро, их сплавы, а так­же стали.

13.1.1. Медь и ее сплавы

Медь Си — металл красноватого цвета, с высокой температу­рой плавления (Т_т = 1083 °С) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: у Си р = 1,72-Ю^-8 Ом м, а у Ag р = 1,58-10~⁸ Ом м. Обладает достаточно высокими значе­ниями предела прочности на разрыв а_в, твердости, пластичности, из­носостойкости и стойкостью к коррозии; ее плотность равна 8,92 Мг/м³. Основные электрофизические и механические характеристики меди приведены в табл. 12.1. Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легко прокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005 мм ), хорошо паяется.

Медь — сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования. Содержание меди в земной коре составляет ~310^_3 %; она химически малоактивна. В сухом и влаж­ном воздухе, а также в пресной воде при 20 °С медь достаточно ус­тойчива к коррозии; незначительно корродирует только в морской воде. В сухом воздухе ниже 185 °С с кислородом не взаимодействует. При нагревании до 375 °С медь окисляется с образованием однооки­си СиО, имеющей черный цвет, а выше 375 °С образуется полуокись Cu₂0, имеющая красный цвет. На нее мало влияют соляная и серная кислоты небольшой концентрации (до 80 %). Однако в концентри­рованной азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на ее поверхности постепенно образуется зеленый налет основ­ного карбоната меди (карбонат-гидроксид меди) Cu₂(0H)₂C0₃.

В природе медь встречается в самородном состоянии и, главным образом, в виде сульфидных руд. Из медной руды в результате ряда последовательных процессов обогащения, обжига и восстановления получают так называемую сырую, или черную медь, содержащую обычно до 3 % примесей. Эти примеси значительно снижают элек­тропроводность меди, поэтому медь, предназначенную для электро­технических целей, обязательно подвергают электролитической очи­стке — рафинированию. Рафинированную медь переплавляют в слитки массой 80—90 кг, которые прокатывают или протягивают че­рез волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

При изготовлении проволоки слитки сначала путем горячей про­катки превращают в катанку диаметром 8—18 мм, которую для удале­ния с поверхности окислов меди (СиО и Cu₂0) протравливают слабым раствором серной кислоты и далее протягивают в холодном состоянии через фильеры волочильной доски (см. гл. 11.3.2), получая проволоку заданного профиля и размеров. При прокатке и волочении в холодном состоянии получают твердую (твердотянутую) медь (МТ). Это медь упрочненная. Упрочнения металла путем пластичной деформации в хо­лодном состоянии называют наклепом. Благодаря наклепу медь приоб­ретает повышенную твердость, упругость, предел прочности на раз­рыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается относительное удлинение и относительное сужение перед разрывом (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Основные физические свойства медной и алюминиевой проволоки

Свойства	Медь		Алюминий
	МТ	ММ	AT	AM
Удельное сопротивление р,	0,0177-0,0180	0,01724	0,0290	0,0280
мкОмм, не более
Предел прочности на раз­	250-500	200-280	100-180	70-100
рыв св, МПа, не менее
Относительное удлинение	0,5-5,0	18-50	0,5-2,0	10-25
перед разрывом 5, %
Относительное сужение пе­	< 55	< 75	70-80	80-85
ред разрывом \|/, %
Твердость по Бринеллю, НВ	65-120	35-38	33	25
Модуль упругости, ГПа:
статический	122-132	117	72	66
динамический	112	74	66	54
Удельная ударная вязкость,	—	1560	1200	900
кДж/м2

Медь марки МТ применяют там, где требуются высокие значе­ния предела прочности на разрыв а_в, твердости и сопротивляемости истиранию. Например, для изготовления контактных проводов элек­

трифицированного транспорта, коллекторных пластин электриче­ских машин, шин для распредустройств и т. п.

Заметная рекристаллизация (разупрочнение) меди начинается при температуре примерно 200 °С, а температура рекристаллизационного отжига составляет -600 °С (табл. 13.2). Влияние температуры отжига на свойства меди показано на рис. 13.1, из которого видно, что при отжиге механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем ее удельное сопротивление. После отжига получают мягкую (отожжен­ную) медь (ММ), которая пластична, характеризуется большим удли­нением перед разрывом и имеет удельную электропроводность на 3—5 % выше, чем у МТ (см. табл. 13.1). Однако при отжиге предел прочности на разрыв и твердость снижаются. Отожженная медь слу­жит электротехническим стандартом, по отношению к которому вы­ражают в процентах при 20 °С удельную электропроводность метал­лов и сплавов. Удельная электропроводность стандартной меди при 20 °С равна 58 МСм/м, соответственно р = 0,017241 мкОмм, а ТКр = 4,3-Ю^-3 К"¹ (для интервала от 0 до 150 °С).

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

Р- СТ_В, 5,

мкОм м МПа % 0,0176 - 600 - 60

0,0174 - 500 - 50

0,0172 - 400 - 40

0,0170 - 300 - 30

0,0168 - 200 - 20

100 ■ 10

200 400 600 800 Т, °С

Рис. 13.1. Зависимость предела прочности на разрыв с_в, относительного удлинения перед разрывом 8 и удельного сопротивления р меди марки Ml от температуры Т отжига (продолжительность отжига 1 ч)

0^L 0

Ленточную медь широко используют для экранирования кабелей связи и радиочастотных кабелей. Несложный расчет с помощью формулы (12.10) показывает, что медный экран толщиной 0,5 мм (для Си у = 58,5-Ю⁶ См/м, |х_а = |х₀ |х = 12,5610~⁷ Гн/м) становится эф­

фективным при частоте поля не ниже 17 кГц. Следовательно, мед­ный экран эффективен в высокочастотных магнитных полях. В низ­кочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью |х (см. гл. 14.1). В ряде случаев для за­щиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покры­вают никелем, серебром, золотом.

Таблица 13.2

Тепловые свойства меди и алюминия

Свойства	Медь	Алюминий
Температура, °С:
плавления	1083	657-660
литья	1150-1200	700-760
горячей обработки	900-1500	-
начала рекристаллизации (разупрочнения)	-200	-150
рекристаллизационного отжига	500-700	350-400
Температурный коэффициент линейного расшире­	16,4	24
ния при 20-200 °С, (Х/-106, К"1
Удельная теплоемкость при 20 °С, ДжДкг-К)	386	920-960
Удельная теплота плавления, МДж/кг	0,213	0,394
Коэффициент теплопроводности при 20 °С, Вт/(м К)	385-406	209

Удельная электропроводность меди зависит не только от концен­трации примеси, но и от ее химической природы (см. рис. 12.4). На­пример, 0,5 % Zn, Cd или Ag снижают удельную электропроводность меди на 5 %, при той же концентрации Ni, Sn или А1 — на 25—40 %, a Be, As, Fe, Si или P — на 55 % и более. Очень вредно присутствие в меди кислорода — он приводит к образованию оксидов меди, вызы­вающих увеличение удельного сопротивления. Наличие серы снижа­ет пластичность меди, в результате при низких температурах она ста­новится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам кристаллических зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Маркировка меди. По степени чистоты медь стандартизируется на следующие марки:

Марка	Содержание Си, %, не менее	Марка	Содержание Си, %, не менее
М006	99,99	М1р	99,90
моо	99,96	М2	99,70
М06	99,97	М2р	99,70
МО	99,95	МЗ	99,50
М1б	99,95	МЗр	99,50
М1у	99,90	М4	99,00
Ml	99,90

Буква «б» означает, что медь «бескислородная», с повышенной механической прочностью; «р» — медь, раскисленная фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» — медь катодная пере­плавленная.

В марках меди, предназначенной для электротехнических целей, определяют только содержание Си и удельное электрическое сопро­тивление. Например, для меди марки МОб, М16 и Ml при 20 °С у отожженных образцов р не должно превышать 1,724-10~⁸ Ом-м, а для марки М006 — не более 1,706-Ю^-8 Ом-м.

В бескислородной меди допускается содержание кислорода не бо­лее 0,001 %. Большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни», которая проявляется в том, что при нагревании меди в ат­мосфере водорода (распространенная технологическая среда в элек­тровакуумной технике) последний взаимодействует с содержащимся в меди кислородом в виде закиси (полуокиси) меди Cu₂0, и образу­ются пары воды. Пары воды скапливаются в микропорах меди и соз­дают высокое давление, приводящее к охрупчиванию металла. Бес­кислородная медь со специальными легирующими добавками обладает повышенными механическими свойствами.

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как и у серебра. Вакуумную медь получают путем ее переплавления в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давле­нии ~10"³ Па.

Сплавы меди

В случаях_у когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в каче­стве проводникового материала используют ее сплавы — бронзы и ла­туни. Эти сплавы состоят из одной или нескольких фаз, представляю­щих твердые растворы и (или) химические соединения.

Бронзы — это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn, Si, Р, Be, Сг, Mg, Cd и др.), которые дают название бронзам. Маркируют бронзы бук­вами Бр, после которых идут буквы, указывающие легирующие элементы, и цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах. Например, бронза марки БрБ2 — бериллиевая бронза (содержит Be ~2 %, остальное Си), марки БрОЦС6-6-3 — оловянно-цинково-свинцовая бронза (содержит Sn 6 %, Zn 6 %, Pb 3 %, остальное медь). Атомы примеси (в том числе легирую­щей), внедряясь в кристаллическую решетку, увеличивают ее де­формацию и концентрацию дефектов, повышая р. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопротивление бронз больше [р = (1,8 — 2,8)-10"⁸ Ом-м], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (о_в = 250—1100 МПа) и твер­дость (НВ = 20—260 МПа) и износостойкость, но меньше относи­тельное удлинение перед разрывом (8 = 2—65 %). Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках и обладают более вы­сокими литейными свойствами, чем медь. У кадмиевой бронзы при сравнительно небольшом снижении удельной электропровод­ности существенно повышены предел прочность на разрыв о_в, твердость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применя­ют, например, в качестве коллекторных пластин в электрических машинах. Еще большей механической прочностью обладает бе- риллиевая бронза, которую широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей комму­тирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некото­рые виды бронз являются дисперсионно-твердеющими; их уп­рочняют специальной термообработкой. У твердотянутых бронз предел прочности на разрыв о_в и удельное сопротивление р выше, чем у отожженных бронз (состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 13.3).

Таблица 13.3

Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов

Наименование сплава и его состав	Удельная проводи­мость по отношению к стандартной меди, %	Предел проч­ности на раз­рыв ов, МПа	Относительное удлинение пе­ред разрывом, %
Кадмиевая бронза (Cd 0,9 %)	95 83-90	До 310 До 730	50 4
Кадмиево-оловянистая бронза (Cd 0,8 %; Sn 0,6 %)	55-60 50-55	290 До 730	55 4
Бериллиевая бронза Бр Б2 (Be 2,25 %)	17 10	490-600 1100	30-50 7
Оловянно-фосфористая бронза БрОФ 6,5-0,15 (Sn 6,5 %, Р 0,15%)	10-15 10-15	400 1050	60 3
Латунь Л68 (Си 68 %, осталь­ное Zn)	40 30	380 880	65 5
Латунь Л59-1 (Си 59 %, Pb 1 %, остальное Zn)	OIO	350 450	25 5

Примечание. В числителе — значения характеристик для отожженных образ­цов, в знаменателе — для твердотянутых.

Латуни — это сплавы системы Си—Zn с максимальным содержа­нием Zn 45 %. При повышении концентрации Zn до 45 % увеличи­вается предел прочности на разрыв а_в. Максимальная пластичность наблюдается при содержании Zn около 37 %. В некоторые марки ла- туней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количестве один или несколько химических элементов (Sn, Pb, Fe, Mn, Ni или Al). Маркируют латуни буквой JI и цифрой, указываю­щей процентное содержание меди. Например, латунь марки Л63 со­держит меди 63 %, остальное цинк. У латуней сложного состава в маркировке указывается легирующий элемент. Например, латунь марки ЛС59-1 — это свинцовая латунь, содержащая Си 59 %, свинца 1 %, остальное цинк. Главная отличительная особенность латуни от чистой меди — повышенная механическая прочность при достаточно высокой пластичности. Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, штырей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепсельных разъемов. Состав и свойства некоторых латуней приве­дены в табл. 13.3.