Металлы и сплавы с особыми свойствами и электротехнические материалы

По электрическим свойствам материалы могут быть проводниками, полу­проводниками и диэлектриками.

Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости, криопроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Среди металлов высокой электрической проводимости широко распро­странены медь (удельное электрическое сопротивление r = 0, 017 мкОм× м), алюминий (r = 0, 028 мкОм× м) и железо (r = 0, 098 мкОм× м). Имеют практическое значение также серебро (r = 0, 006 мкОм× м) и золото (r = 0, 022 мкОм× м).

Электрические и механические характеристики меди в значительной степе­ни определяются наличием примесей и напряженностью структуры металла. Наименьшим электрическим сопротивлением обладает чистая медь. Любые при­меси снижают ее электропроводность. Деформационное упрочнение ухудшает проводниковые свойства меди, но увеличивает ее механическую прочность. Хо­лоднотянутая (твердая) медь - МТ применяется в основном там, где необходи­мы, наряду с достаточной электрической проводимостью (r = 0, 018 мкОм× м), прочность, твердость, высокое сопротивление истирающим нагрузкам (например, контактные провода, коллекторные пластины электрических машин).

Отожжен­ная (мягкая) медь - ММ имеет высокую электрическую проводимость (r не более 0, 01724 мкОм× м) и применяется в виде проволок для изготовления токопроводящих жил кабелей, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волно­водов и т.д.

Алюминий как проводниковый материал занимает второе место после меди. Для электротехнических целей используют специальные марки алюминия А5Е (общее содержание примесей 0, 5%) и А7Е (примесей 0, 3%), в которых содержа­ние железа и кремния находится в определенном соотношении, а концентрация Ti, V, Cr и Мn снижена до тысячных долей процента. Удельное электрическое сопротивление проводникового алюминия не более 0, 0289 мкОм× м.

Железо значительно уступает меди и алюминию по электрической прово­димости, но оно обладает более высокими механическими характеристиками. В качестве проводникового материала железо (низкоуглеродистые стали) приме­няют в тех случаях, когда прочностные свойства имеют решающее значение, на­пример, для рельсов подвижного состава с электрической тягой.

К криопроводникам относятся материалы, приобретающие при глубоком ох­лаждении (ниже -173°С) высокую электрическую проводимость, но не переходя­щие в сверхпроводниковое состояние. Одним из таких материалов является алюми­ний особой чистоты А999 (99, 999% Аl). При температуре жидкого азота минус 195, 6°С удельное электрическое сопротивление составляет около 3× 10^-3 мкОм× м, а при температуре жидкого водорода минус 252, 6°С - около 5× 10^-5 мкОм× м.

К сплавам с повышенным удельным электрическим сопротивлением (не ме­нее 0, 3 мкОм× м) относятся медноникелевые сплавы: манганин (МНМц 3-12), константан (МНМц 40-1, 5); сплавы на основе никеля: нихромы (Х20Н80, Х15Н60); на железной основе: фехраль (Х13Ю4), хромель (0Х23Ю5) и др.

Манганин - сплав на основе Сu, легированный 3 % Ni и 12 % Мn, обладает стабильным удельным электрическим сопротивлением в интервале температур от -100 до + 100°С. Низкое значение термоЭДС в паре с медью и высокая стабиль­ность электросопротивления во времени позволяют широко использовать манга­нин при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов высоких классов точности. Константан (около 40 % Ni и 1, 5 % Мn, основа - Сu) по стойкости к нагре­ву превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и электро­нагревательных приборах, работающих при температуре до 500°С. Высокая тер­моэлектродвижущая сила константана в паре с медью и железом исключает воз­можность применения его в электроизмерительных приборах, однако, она позво­ляет применять константан при изготовлении термопар.

Сплавы высокого электрического сопротивления (нихромы, фехраль, хромель и др.) применяют для изготовления нагревательных элементов электрических приборов и печей. Рабочие температуры таких сплавов 900... 1200⁰C.

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В диэлек­триках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно положения равновесия. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Мерой поляризуемости диэлек­трика является относительная диэлектрическая проницаемость, равная отноше­нию емкости конденсатора с диэлектриком к емкости такого же конденсатора с вакуумом. Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме диэлектрика некоторой кри­тической величины напряженности электрического поля происходит пробой. (Под напряженностью электрического поля понимают отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между подводящими напряжение элек­тродами). Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжени­ем, а достигнутую к этому моменту напряженность - электрической прочностью.

В приборостроении в ряде случаев требуются материалы с минимальным или заданным по величине температурным коэффициентом линейного расшире­ния, материалы с малым температурным коэффициентом модуля упругости и др. Сплавы, имеющие подобные свойства, принадлежат системе Fe-Ni.

Минимальное значение температурного коэффициента линейного расшире­ния (1, 5× 10^-6 1/°С) в интервале температур от -60 до + 100°С имеет сплав с 36% никеля - 36Н, называемый инвар. Малое значение температурного коэффициента линейного расширения сплавов инварного типа имеет ферромагнитную природу и связано с большой магнитострикцией, т.е. изменением размеров ферромагнети­ка при его намагничивании. Размеры изделий инварного сплава определяются двумя составляющими: нормальной, зависящей от энергии связи между атомами, и магнитотгрикционным увеличением размера, вызванным внутренним магнит­ным полем ферромагнетика. С увеличением температуры размер любого тела растет вследствие ослабления межатомных связей, но в сплавах инварного типа этот рост компенсируется уменьшением магнитострикционной составляющей, поскольку увеличение тепловых колебаний атомов влечет за собой снижение намагниченности, а, следовательно, и магнитострикции.

Частичная замена в инваре никеля на кобальт и дополнительное легирова­ние медью уменьшает коэффициент линейного расширения сплава в том же температурном интервале до 1, 0× 10^-6 °С^-1 (32НКД - суперинвар). Сплав 29НК (ковар) имеет такой же коэффициент, как термостойкое стекло, вольфрам и молиб­ден. У сплава 47НД (платинит) коэффициент линейного расширения такой же, как у обычного стекла и у платины.

Сплавы с малым температурным коэффициентом модуля упругости назы­вают элинварными, например 36НХ (элинвар), 42НХТЮ, 44НХТЮ.

Ферромагнитные материалы в зависимости от конфигурации их петли маг­нитного гистерезиса подразделяют на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые сплавы используют для изготовления постоянных маг­нитов. Они имеют широкую петлю гистерезиса с большой коэрцитивной (размаг­ничивающей) силой Н_с > 4 кА/м и обладают значительной магнитной энергией, пропорциональной величинам Н_с и остаточной магнитной индукции В_r.

Увеличение коэрцитивной силы магнитно-твердых сталей достигается по­лучением неоднородной напряженной структуры, представленной высокоуглеро­дистым мартенситом с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов небольшой мощности могут быть использованы углеродистые инструментальные стали. Обычно применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом и кобальтом (ЕХЗ, ЕХ5К5 и др.). Легирующие эле­менты увеличивают прокаливаемость стали, повышают ее коэрцитивную силу и магнитную энергию. Широкое применение получили литые сплавы типа алнико, например ЮНДК15, ЮНДК40Т8АА, обладающие значительно большей коэрци­тивной силой и магнитной энергией, чем легированные стали. В качестве мате­риалов постоянных магнитов применяют сплавы системы Fe-Ni-Al, сплавы на основе РЗМ (Sm, Pr, Y), получаемые методом порошковой металлургии.

Из магнитно-мягких сплавов изготавливают электромагниты, магнитопро-воды электрических машин, трансформаторов, электрических приборов и аппара­тов. Основные требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам, -низкая коэрцитивная сила (узкая петля гистерезиса), высокая магнитная прони­цаемость, высокая индукция насыщения, малые потери на вихревые токи и перемагничивание. Низкие значения Н_с и высокая магнитная проницаемость m дости­гаются в ферромагнетиках при однофазной близкой к равновесию структуре с минимумом внутренних напряжений.

Магнитно-мягким материалом является, например, техническое железо. Оно обладает достаточно высокой начальной и максимальной магнитной проницаемо­стью (m_н = 0, 3 и m_max = 9 мГн/м) и низкой коэрцитивной силой (Н_с = 64 А/м). Не­достатком железа является низкое удельное электрическое сопротивление (r не более 0, 1 мкОм× м), обусловливающее значительные тепловые потери, связанные с вихревыми токами, возникающими при перемагничивании. Поэтому применение технического железа ограничено устройствами, работающими на постоянном токе.

Наиболее широкое распространение в качестве магнитно-мягких материа­лов, работающих в полях промышленной частоты (низкочастотные поля), полу­чили кремнийсодержащие (электротехнические) стали. Основное назначение кремния - увеличение удельного электрического сопротивления стали, и, следовательно, сокращение потерь при перемагничивании. Дальнейшее уменьшение тепловых потерь достигается изготовлением магнитопроводов (роторов и статоров двигате­лей, сердечников трансформаторов и т.д.) из набора тонколистовых деталей с прослойкой изоляции (полимеров, оксидов).

Электротехнические стали маркируют четырехзначными числами. Первая цифра характеризует вид и структуру проката: 1 - горячекатаная изотропная сталь, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребро­вой текстурой. Вторая цифра указывает на содержание кремния: 0 - менее 0, 4 %, 1 - более 0, 4 до 0, 8 %, 2 - более 0, 8 до 1, 8 %,... 5 - более 3, 8 до 4, 8 %. Тре­тья цифра определяет тепловые потери при определенных значениях индукции В и частоты f. Например, единица указывает, что потери нормированы при В = 1, 5 Тл и f = 50 Гц (P_{1, 5/50}). Четвертая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем потери меньше.

В радиотехнике, в телефонии для достижения больших значений индукции в слабых магнитных полях для магнитопроводов применяют железоникелевые сплавы - пермаллои, содержащие 45... 83 % Ni и отличающиеся высокой маг­нитной проницаемостью (m_н до 88 мГн/м и m _тах до 310 мГн/м). К пермаллоям относятся, например, сплавы 45Н, 50Н (низконикелевые); 79НМ, 81НМА (высо­коникелевые). Пермаллои применяют при частотах до 25 кГц. Наряду с пермал­лоями применяют литейные сплавы системы Fe-Al-Si (альсиферы), обладающие свойствами, близкими к пермаллоям. Альсиферы не содержат дорогостоящих легирующих элементов, но они менее технологичны.

Для работы в высокочастотных полях в качестве магнитопроводов приме­няют магнитодиэлектрики и ферриты. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из конгломерата тонкодисперсных низ­кокоэрцитивных частиц, например, размолотого альсифера, скрепленных про­слойками органического или неорганического диэлектрика. Высокое удельное электрическое сопротивление магнитодиэлектрика обусловливает малые потери на вих­ревые токи и определяет возможность его применения в высокочастотной про­водной связи, радиоэлектронике и т.д.

Ферриты представляют собой материалы, состоящие из оксидов Fe, Zn, Mn, Ni, получаемые методом порошковой металлургии. Ферриты широко применяют в устройствах, работающих в слабых полях на низких и высоких радиочастотах.