Билет №25 (Ответы на экзамен 2)

5

Билет №25

13.1.1. Медь и ее сплавы

Медь Сu — металл красноватого цвета, с высокой температу­рой плавления (Тпл= 1083°С) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: у Cu ρ= 1,72•10^-8 Ом•м, а у Ag = 1,58•10^-8 Ом •м. Обладает достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к коррозии. Ос­новные физические свойства меди приведены в табл. 12.1. Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легпрокатывается 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 ~3•10^-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 СuО, имеющей черный цвет, а выше 375°С образуется полуокись Сu₂О, 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) Сu₂(ОН)₂СО₃ .

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 болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают или протягивают через волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

П ри изготовлении проволоки болванки сначала путем горячей прокатки превращают в катанку диаметром 8—18 мм, которую для

Рис.13.1. Зависимость предела прочности на разрыв σв, относительно удлинения перед разрывом ∆L/L и удельного сопротивления ρ меди марки Ml от температуры отжига (время отжига 1 час)

удаления с поверхности окислов меди (СuО и Сu₂О) 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 холодно^ прокатке и волочении получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу (нагартовки) приобретает повы­шенную твердость, упругость, предел прочности на разрыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается от­носительное удлинение и относительное сужение перед разрывом.

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить вы­сокую механическую прочность σв, твердость и сопротивляемость истиранию. Например, для изготовления контактных проводов элек­трифицированного транспорта, коллекторных пластин электриче­ских машин, шин для распредустройств и т..п.

Рекристаллизация 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 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 проводимость металлов и сплавов. Удельная электро-пооводность стандартной меди при 20°С равна 58 МСм/м, соответст­венно р = 0,017241 мкОм•м, а ТКр = 4,3•10^-3 К^-1 .

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 марок МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

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 γ = 58,5•10^-6 См/м, μа = μо μ = 12,56•10^-7 Гн/м) становится эф­фективным 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 μ (см. гл. 14.1). В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покры­вают никелем, серебром, золотом.

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, Fе, Si или Р — 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 медь стано­вится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

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

Марка Содержание Си, %, Марка Содержание Си, %

не менее не менее

МООб 99,99 М1р 99,90

МОО 99,96 М2 99,70

МОб 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.

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 ~1 •10^-3 Па.

Сплавы меди

В случаях, 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.

Бронзы — это сплавы меди с небольшим содержанием одного или нескольких химических элементов (Sn, Si, P, Be, Cr, 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 Ве~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. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопро­тивление бронз больше [ρ = (1,8 - 2,8) •10^-8 Ом•м ], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (σв = 250—1100 МПа) и твер­дость (НВ = 20—260 МПа), меньше относительное удлинение перед разрывом (δ = 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 механиче­ская прочность, твердость и стойкость к истиранию. Кадмиевую бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифици­рованного транспорта и коллекторных пластин в электрических ма­шинах. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и других деталей коммутирующих узлов, выключателей, электрических машин. Некоторые виды бронз упроч­няют термообработкой. У твердотянутых бронз механическая проч­ность σв и удельное сопротивление ρ выше, чем у отожженных бронз (состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 13.3).

Латуни — это сплавы системы Си—Zn с максимальным содержанием Zn 45 %. При повышении концентрации Zn до 45% увеличива­ется механическая прочность ав. Максимальная пластичность наблю­дается при содержании Zn около 37%. В некоторые марки латуней для улучшения того или иного свойства вводят в небольшом количе­стве один или несколько химических элементов (Sn, Pb, Fe, Mn, Nj или Al). Маркируют латуни буквой Л и цифрой, указывающей про­центное содержание меди. Например, латунь марки Л63 содержит меди 63%, остальное цинк. У сложных латуней 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 ав при достаточно высоком удлине­нии перед разрывом 5. 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.

13.1.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий А1 — это серебристо-белый металл, легкий и легко­плавкий, с высокой электро- и теплопроводностью и пластичностью (см. табл. 12.1). По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Его ρ = 2,8•10^-8 Ом•м, Tпл= 657—660°С, плот­ность 2,7 Мг/м³ . Из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления (см. табл. 13.2) для нагрева от 20°С до Тпл и рас­плавления алюминиевой проволоки требуется в 1,58 раза больше те­пловой энергии, чем для нагрева от 20°С до Тпл и расплавления такой же массы медной проволоки. Преимущество алюминия как провод­никового материала заключается в том, что он дешевле и более дос­тупен, чем медь. Удельное сопротивление алюминия больше р меди в 1,63 раза, плотность — в 3,5 раза меньше. Поэтому два одинаковых по длине отрезка проволоки из алюминия и меди с одним и тем же сопротивлением окажутся разными по диаметру и массе. Несмотря на то, что диаметр алюминиевой проволоки примерно в 1,35 раза больше диаметра проволоки из меди, алюминиевая проволока будет легче медной примерно в 2 раза. Это положение имеет немаловаж­ное значение для облегчения веса электротехнических конструкций.

Алюминий — самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет ~8,8%. Производство алю­миния проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов А12О3-хН2О или нефелинов K2O-Al2O3-2SiO2 и др.) получают чистый глинозем А12О3, который растворяют в расплавленном крио­лите (Na3[AlF6] ) и при ~950°С путем электролиза выделяют алюми­ний. Выплавка (электролиз) алюминия — очень энергоемкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт-ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Полученный металл содержит алюминия обычно 99,7%. Путем электролитического рафинирования его чисто­ту можно довести до 99,99% и более. Для полупроводниковой техни­ки алюминий дополнительно очищают методом зонной плавки (см. гл. 9.1) до чистоты 99,9999%.

Присутствие в алюминии примеси существенно снижает его удельную электропроводность и изменяет механические свойства. При этом на электропроводность алюминия влияет не только кон­центрация примеси, но и ее природа (рис. 13.2). Присутствие в алю­минии Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5% снижает удельную элек­тропроводность на 2—3%, присутствие в том же количестве Си, Ag или Mg снижает у на 5—10%. Особенно сильно снижают у алюминия такие примеси, как Ti, Mn и V.

Благодаря высокой пластичности, алюминий хорошо поддается прокатке и волочению, которые производят аналогично соответст­вующим операциям для меди. При холодном волочении и прокатке в результате наклепа получают твердый алюминий (AT), который имеет повышенные механическую прочность, твердость и удельное сопро­тивление. Механические свойства и удельное сопротивление наклепаного алюминия можно понизить путем рекристаллизационного отжига, проводимого при температуре 350—400°С (см. табл. 13.2). После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (AM). Ме­тодом волочения или прокатки из алюминия, так же как из меди, получают проволоку (круглую диаметром от 0,08 до 10 мм, прямо­угольную, сегментную или секторную) или пластины, ленту и фольгу (толщиной до 5—7 мкм).