Сплави високого опору та спеціальні сплави. Контактні матеріали. Неметалеві провідники

3. Сплави високого опору та спеціальні сплави. Контактні матеріали. Неметалеві провідники

Сплави високого опору мають при нормальній температурі питомий опір ρ ≥ 0,3 [мкОм· м]

При використанні сплавів високого опору:

у вимірювальних приладах та в якості зразкових резисторів, вони повинні мати:

високий питомий опір;

високу стабільність питомого опору в часі;

малий температурний коефіцієнт питомого опору α_ρ;

малий коефіцієнт термо – е.р.с. у парі з міддю.

в електронагрівальних елементах:

повинні бути здатними працювати тривалий час у повітряному середовищі при високих температурах до 1000 ⁰С.

Бажано, щоб сплави, які використовуються для приладів, що виготовляються у великих кількостях були дешевими і не містили дефіцитних компонентів.

Манганін – найбільш широко використовується для виготовлення зразкових резисторів. Склад: мідь (Cu) – 85%; марганець (Mn) – 12%; нікель (Ni) – 3%.

Назва походить від латинської назви марганцю – «manganum». Сплав має жовтуватий колір завдяки вмісту великої кількості міді.

Параметри манганіну:

питомий опір ρ=0,42÷0,48 [мкОм·м];

температурний коефіцієнт питомого опору α_ρ=(5÷30)·10^–6[К^-1];

коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю складає 1÷2 [мкВ/K];

максимальна робоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися ≤ 200 ⁰С;

щільність 8,4 [Мг/м³];

межа міцності при розтягуванні σ_ρ=450÷600 [МПа];

відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=15÷30%.

Манганін може витягуватися в тонкий дріт (діаметром до 0,02 [мм]). Для забезпечення малого температурного коефіцієнта питомого опору α_ρ та стабільного в часі питомого опору ρ – манганіновий дріт проходить термічну обробку, шляхом її випалювання у вакуумі при температурі 550÷600 ⁰С з наступним повільним охолодженням. Намотані котушки іноді додатково відпалюються при температурі 200⁰С.

Константан – сплав в склад якого входять: мідь (Cu) – 60%; нікель (Ni) – 40%. Назва «константан» пояснюється значною стабільністю його питомого опору при зміні температури. Стійкість до нагрівання у константану є вищою ніж у манганіну, тому перший може застосовуватися для виготовлення реостатів, електронагрівальних елементів та термопар для вимірювання температури в межах декілька сотень градусів.

Параметри константану:

питомий опір ρ=0,48÷0,52 [мкОм·м];

температурний коефіцієнт питомого опору α_ρ=(5÷25)·10^–6[К^-1];

коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю складає 45÷55 [мкВ/K], що обмежує його застосування у вимірювальних схемах;

максимальна робоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися 450 ⁰С;

щільність 8,9 [Мг/м³];

межа міцності при розтягуванні σ_ρ=400÷500 [МПа];

відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=20÷40%.

Широке застосування константану обмежує наявність в його складі дорогого та дефіцитного нікелю.

Сплави на основі заліза – застосовуються в основному для електронагрівальних елементів. Сплави системи Fe-Ni-Cr – називаються ніхромами, при підвищеному вмісті Fe – фероніхромами. Сплави системи Fe-Cr-Al – називаються фехралями та хромалями. Для характеристики сплавів застосовуються умовні позначення, що складаються з букв та чисел. Букви позначають найбільш характерні елементи, що містяться в сплаві, причому вони можуть бути не першими у назві елемента (Б – ніобій, В-вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, К – кобальт, Л – берилій, Н – нікель, Т – титан, Х – хром, Ю – алюміній), а число приблизний вміст даного компонента в сплаві.

Марка сплаву	Склад сплаву, %					Щільність, Мг/м3	ρ, мкОм·м	αρ·10-6, K-1	tМАКС, 0С	σР,МПа	∆ℓ/ℓ, %
	Cr	Ni	Mn		Аl
Х15Н60	15÷18	55÷61	1,5		-	8,2÷8,3	1,1÷1,2	100÷200	1000	-	-
Х20Н80	20÷23	75÷78	1,5	-		8,4÷8,5	1,0÷1,1	100÷200	1100	-	-
Параметри хромалюмінієвих сплавів
Х13Ю4	12÷15	0,6	0,7	3,5÷5,5		7,1÷7,5	1,2÷1,35	100÷120	900	700	20
Х23Ю5	22÷25	0,6	0,7	4,5÷5,5		6,9÷7,3	1,3÷1,5	65	1200	800	10÷15

Решта% в складі сплавів містить залізо (Fe)

Великий вплив на термін експлуатації нагрівального елемента, що працює в повітряному середовищі, мають властивості оксиду, що утворюється на поверхні сплаву. Чим менше оксид улітучується з поверхні металу, тим він краще захищає метал від подальшого окислення в умовах високих температур.

Спеціальні сплави

Сплави для термопар

Для виготовлення термопар використовують наступні сплави:

копель: 56% Cu + 44% Ni;

алюмель: 95% Ni + Al, Si, Mg;

хромель: 90% Ni + 10% Cr;

платинородій: 90 Pt + 10 Rh (радій).

Термопари можуть використовуватися для вимірювання наступних температур:

платинородій – платина – до 1600 ⁰С;

хромель – алюмель – до 900÷1000 ⁰С

хромель – копель, залізо – копель, залізо – константан – 600 ⁰С;

мідь – константан, мідь – копель – до 350 ⁰С.

Найбільшу термо – е.р.с при заданій різниці температур розвиває термопара хромель – копель. В холодному спаї струм протікає від першого названого в парі матеріалу до другого, в гарячому спаї навпаки.

Тензометричні сплави – використовуються в перетворювачах деформації різноманітних конструкцій під дією механічних зусиль (як правило розтягування). Принцип дії заснований на зміні опору при деформаціях тензометричного елемента. Коефіцієнт тензочутливості визначається за формулою.

,

де Δ R – зміна опору R при зміні Δl довжини елемента l. Значення d може бути розраховано за формулою:

,

де Δρ зміна питомого опору ρ матеріалу тензоперетворювача, під впливом механічного навантаження F, S – площа поперечного перерізу дроту перетворювача, Е – модуль Юнга, μ – коефіцієнт Пуасона матеріалу дроту. Основним матеріалом для тензометричних перетворювачів є константан.

Контактні матеріали

Матеріали для розривних контактів, що використовуються для розмикання електричних кіл при значних струмах та напругах, повинні забезпечити високу надійність, при малому перехідному електричному опорі контакту в замкнутому стані (унеможливлення обгоряння контактуючих поверхонь, а також приварювання їх один до одного під дією електричної дуги, що виникає при розмиканні контакту).

В якості контактних матеріалів найбільш поширений матеріал системи Ag – CdO при вмісті оксиду кадмію 12÷20%. Такий матеріал отримується при нагріванні в окислювальній атмосфері сплаву срібло – кадмій. Для розривних контактів в установках великої потужності застосовуються композиції: сріла Ag з кобальтом Со, нікелем Ni, хромом Cr, вольфрамом W, молібденом Mo та танталом Ta; міді Сu з вольфрамом W та молібденом Mo; золота Au з вольфрамом W та молібденом Mo. Матеріали для рухомих контактів повинні мати високу стійкість до стирання. Цим вимогам відповідають тверда мідь, берилієва бронза, а також матеріали системи Ag – CdO.

Припої – це спеціальні сплави, які використовують при пайці. Пайка – це створення механічно міцного шва з малим перехідним опором. При пайці місце з’єднання та припою нагрівається. Температура плавлення припою є значно меншою за температуру плавлення металів, які паяються.

Розрізняють припої двох груп: м’які та тверді.

До м’яких відносяться припої з температурою плавлення до 400 ⁰С до твердих більше 500 ⁰С. М’які припої мають межу міцності при розтягуванні σ_ρ=50÷70 [МПа], а тверді до 500 [МПа], м’які припої в основному є олов’яно – свинцеві (марка ПОС) з вмістом олова від 18% (ПОС – 18) до 90% (ПОС – 90). Питома провідність цих припоїв становить 9÷13% питомої провідності стандартної міді, а температурний коефіцієнт лінійного розширення α_ℓ = 26·10^-6 [К ^–1]. Існують також м'які припої з добавками алюмінію та срібла. Там де необхідна понижена температура плавлення застосовують легкоплавкі припої, в склад яких входять вісмут та кадмій, але їх механічна міцність є дуже незначною.

Найбільш поширеними твердими припоями є мідно – цинкові від ПМЦ-36 (Сu 36%, Zn 64%) до ПМЦ-54 (Сu 54%, Zn 46%) та срібні від ПСр-25 (Ag 25%, Zn 35%, Cu 40%) до ПСр-70 (Ag 70%, Zn 4%, Cu 26%).

Флюси – це допоміжні матеріали для отримання надійної пайки, вони повинні:

розчиняти оксиди з поверхні металів, які паяються;

захищати поверхню металу та розплавлений припой від окислення;

зменшувати поверхневе натягування розплавленого припою та змочування ним поверхонь, що приєднуються.

За дією, яку спричиняють на метал, що паяється флюси, вони поділяються на:

1) Активні або кислотні флюси – виготовляються на основі активних речовин: соляної кислоти, хлористих та фтористих з’єднань металів, тощо. Ці флюси здатні інтенсивно розчиняти оксидні плівки на поверхні металу, завдяки чому забезпечується добра адгезія, а відповідно і висока механічна міцність спаювання. Оскільки залишки флюсу здатні викликати корозію, як основного металу так і місця спаювання, такі флюси можна застосовувати, якщо є можливість промивки місця спаювання та повного видалення залишків флюсу.

2) Безкислотні флюси – так називають каніфоль і флюси на його основі з додаванням неактивних речовин (спирту та гліцерину).

3) Активовані флюси – це флюси на основі каніфолі з добавкою активаторів – невеликої кількості солянокислого або фосфорнокислого аніліну, саліцилової кислоти, солянокислого діетиламіну. Висока активність деяких активованих флюсів дозволяє виконувати спаювання без попереднього видалення оксидів після обезжирювання.

4)  Антикорозійні флюси – це флюси на основі

фосфорної кислоти з добавками різних органічних сполук і розчинників, а також флюси на основі органічних кислот. Залишки таких флюсів не викликають корозії.

З числа твердих неметалевих провідників найбільше значення мають матеріали на основі – вуглецю (електровугільні). З вугілля виготовляють контакти для електричних машин та генераторів, електроди для прожекторів, електроди для дугових електричних печей, високоомні резистори, розрядники для телефонних мереж. В якості сировини для електровугільних виробів використовують сажу, графіт або антрацит.

Вугільні електроди, які працюватимуть при високих температурах обробляються при температурі 3000 ⁰С. Вугільні електроди, як і інші вугільні вироби мають негативний температурний коефіцієнт питомого опору.

Щітки призначені для утворення рухомого контакту між нерухомою частиною електричної машини та частиною, що обертається та підведення (відведення) струму до колектора або контактних кілець. Розрізняють щітки вугільно-графітні (УГ), графітні (Г), електрографітовані (ЕГ), щітки з домішками міді (М та МГ). Ці щітки мають малий питомий опір.

Вугільний порошок для мікрофонів виготовляють з антрациту. Питомий опір порошку залежить від розмірів зерен, режиму обпалювання та щільності завантаження. Мікрофонні порошки бувають двох типів: дрібнозернисті, (проходять крізь сито з 52 отворами на 1 [см²]) та крупнозернисті (проходять крізь сито з 45 отворами на 1 [см²]). Обпалювання порошків, яке приводить до зростання їх електричного опору здійснюють при температурі 600⁰С. Порошки не повинні спресовуватися на протязі певного часу та злипатися під дією підвищеної вологості.

Недротяні резистори, які відрізняються від дротяних меншими габаритами та високою верхньою межею номінального опору виготовляють з природного графіту, сажі, піролітичного вуглецю, боровуглецевої плівки, а також з високоомних сплавів металів, тощо.

Природний графіт – одна з модифікацій чистого вуглецю з великою анізотропією, як електричних так і механічних властивостей.

Піролітичний вуглець отримують шляхом піролізу (термічного розкладання без доступу кисню) газоподібних вуглеводнів (металу, бензину, гептану) в камері де знаходяться керамічні або скляні основи заготівок резисторів.

Боровуглецеві плівки – можуть бути отримані піролізом борорганічних з’єднань В(С₃Н₇)₃ або В(C₄H₉)₃. Ці плівки характеризуються малим температурним коефіцієнтом питомого опору. Використовуються для виготовлення резисторів МЛТ.