Файл: Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 84

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

близких к пределу упругости. Предел упругости опреде­ ляется как напряжение, при котором остаточная дефор­ мация равна 0,001 %.

При расчете кабелей, в которых жила испытывает длительную нагрузку, это явление следует учитывать, так как может произойти отрыв жилы, обусловленный пол­ зучестью металла. Ползучесть может привести и к ос­ лаблению контакта между зажимом и проводом, зажа­ тым при постоянном давлении. Склонность к ползучести усиливается при нагреве и вибрациях проволоки. Вслед­ ствие этого затяжку зажимов алюминиевых проводов периодически надо проверять, в особенности -после вне­ запных нагревов до высоких температур при коротких за'мыканйях.

Наклепанный металл при достижении температуры, рекристаллизации полностью теряет свою повышенную прочность в течение определенного времени. Для алю­ миния температура рекристаллизации составляет при­ мерно 150°С (степень деформации около 95%). Менее наклепанный алюминий отжигается при 200 °С (табл. 15).

Ниже указано время полного отжига технического

алюминия (ав = 21 кгс/мм2)

в виде проволоки диаметром

2 мм при различных температурах, °С:

260 ............................................................

-6 0 сек

350 ............................................................

10 сек

400 .............................................................

4 сек

500 .............................................................

1 сек

Если степень деформации составляет 99%, то отжиг при 440 °С происходит за 0,6 сек.

 

 

 

Механические свойства чистого

алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

Темпера

Характеристика и единица измерения

 

 

Твердо

 

 

 

 

 

 

20

50

100

Предел

 

прочности

при

растяжении,

14,7

14,0

13,2

кгс1мм?

 

 

 

 

 

 

 

Удлинение, %

поперечного

сече-

14

11,5

9,5

Сужение

площади

77,5

79,1

74,3

ния,

%

 

 

 

 

 

 

 

Модуль упругости статический, кгс/мм2

7200

6550

6495

Модуль упругости динамический, кгс/мм?

6590

6000

6200

Условный

предел текучести

при удлине-

13,1

12,7

11,9

нии 0,2%, кгс/мм?

 

 

 

 

 

 

Предел

вибрационной

усталости,

кгс/мм?

7,6

6,7

6,7

52

 

 

 

 

 

 

 

 

В промышленном алюминии могут содержаться при­ меси, которые снижают его электрическую проводимость.

Такие примеси, как As, Sb, Fe, Ni, Co, Pb, Bi, Ca, Si и Zn, очень мало уменьшают проводимость алюминия в отожженном состоянии; наоборот, очень резко ее сни­ жают примеси Ti, V, Mg и Мп (рис. 21,а). Ориентиро­ вочно можно сказать, что примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, а примеси, образующие твердые растворы, заметно ее снижают; исключением является цинк. Закалка увеличивает сопротивление алю­ миния в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость в алюминии при нагревании. Алю­ миний, применяемый в кабельной промышленности, обыч­ но содержит несколько десятых долей процента приме­ сей, из которых главными являются железо и кремний. Полезной добавкой в алюминии являются бор, марганец и цирконий, вводимые в количестве сотых долей процен­ та для измельчения зерна и увеличения усталостной прочности. Изменение твердости алюминия при наличии примесей показано на рис. 21,6.

При низких температурах удельная электрическая проводимость алюминия зависит от магнитной индукции (рис. 22), что следует учитывать при использовании его в качестве криопроводника. Холодная обработка, при­ меняемая для упрочнения алюминиевой проволоки, мало

влияет на электрическую проводимость.

При обжатиях

(99,5%) в зависимости от температуры

 

Т а б л и ц а 15

 

 

 

тура, вС

 

 

 

 

 

 

 

 

тянутый, диаметром 8 мм

 

Отожженный (при 300 °С в течение 2 ч)

150

200

250

300

20

100

150

200

250

10,7

8,3

6,0

2,87

8,0

7,78

6,71

5,04

3,8

10,7

12,2

14,3

4,6

33,1

32,8

34,7

34,1

33,3

76,1

81,7

86,4

95,7

84,4

78,2

83,0

82,3

83,7

5475

5500

4730

4770

6600

6580

5640

5660

5890

6100

5170

3910

5370

4140

4200

4050

8,6

6,4

4,0

1,7

4,4

4,1

4,0

3,03

2,26

4,1

2,9

1,65

2,7

2,5

1,95

1,55

 

 

 

 

 

 

 

 

53


до 95—98% уменьшение электрической проводимости алюминия не превышает 1—2%.

Одним из путей увеличения механической прочности алюминиевых проводов является применение сплавов, имеющих большую механическую прочность при доста­ точно высокой электрической проводимости. Положитель­ ный эффект дает добавка в алюминий кремния. Однако механическая прочность этого сплава в нагартованном состоянии невелика. Удачное сочетание положительных

Содержание примесей, %

. в )

Рис. 21. Изменение проводимости (а) и твердо­ сти (б) алюминия при наличии примесец.

54

ом 'См 10 У
Рис. 22. Изменение удельного сопротивления алюминия высо­ кой чистоты в зависимости от магнитного поля.

механических свойств и высокой электрической проводи­ мости получают, применяя тройные алюминиевые спла­ вы, содержащие кремний и магний. Эти сплавы подвер­ гают специальной термиче­ ской обработке. Один из этих сплавов носит название алдрея.

Содержание кремния и магния в сплавах должно со­ ответствовать формуле со­ единения Mg2Si. Такое со­ единение, образующееся в сплаве, является упрочнителем, сообщающим сплаву хорошие механические свой­ ства. Упрочняющее действие соединения Mg2Si основано на том, что растворимость его в алюминии при пониже­ нии температуры уменьша­

ется. Так при 500 °С соединение находится в сплаве алдрей полностью в твердом растворе, при быстром охла-

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 16

Физические свойства

проволоки из сплава алдрея

Характеристика и единица измерения

Алдрей в виде

Алюминий

проволоки диа­

(93,3%)

 

 

 

 

 

метром 2—3 мм

 

Плотность, г/смг

при

растяжении,

2,7

2,7

Предел

прочности

32—37

17— 18

кгс/мм2 (для твердой проволоки)

6 - 9

2—4

Удлинение, %

(при

остаточном

Предел

текучести

29—33

15—16

удлинении 0,3%), кгс/мм2

 

6500—7000

6000—7100

Модуль упругости, кгс/мм2

 

Число изгибов радиусом:

 

 

12—15

равным 5-кратному диаметру про-

В О Л О К И

 

 

 

100

 

равным 50-кратному диаметру

34

Электропроводность, м/(ом-ммг)

31—32

Температурный коэффициент

сопроти-

3,6-10-*

4 -1 0 -3

вления, (°С -1 )

 

 

 

0,45

0,5

Теплопроводность, кал/(см- сек-°С)

ТКЛР, (“С ) - 1

(для твердой про-

23-10-6

23-10-3

Предел ползучести

26

12

волоки), кгс/мм2

кгс/мм2

 

9,5

6,2

Предел

усталости,

 

5 5


ЖДений (закалке) Mg2Si остается в растворе, т. е. полу* чается пересыщенный раствор. При длительном старении и нормальной температуре или нагревании до 180—200 °С (искусственном старении) Mg2Si выделяется из твердого раствора в виде мелкодисперсной структурной состав­ ляющей, которая обеспечивает механическую прочность алдрея.

Характеристики сплава алдрея указаны в табл. 16. Для стабилизации механических свойств сплавов при длительном действии повышенных температур в них до-

&,кгс/ммг SQ/a

В р е м я ^

6)

Рис. 23. Зависимость свойств алюминия АЕ от степени деформации (а) и времени выдержки при 105°С (б).

1 — Р

для проволоки при d=0,15+0,32

мм-, 2

и 5 — ств

для

=0,15

мм и d = 0,32 соответственно; 3

и 4 — в

для тех

же про­

волок.

 

 

 

 

56

бавляют в небольших количествах В, Zr, Be, Fe, Mn, редкоземельные элементы. В табл. 17 и 18 приведены составы и свойства проволоки из алюминиевых сплавов, а на рис. 23 даны зависимости свойств проволоки из алюминия марки АЕ от степени деформации и времени выдержки при 105 °С [Л. 24—32].

Алюминий и его сплавы устойчивы в тех средах, ко­ торые не разрушают защитную окисную пленку; они стойки на воздухе, в воде. Щелочи легко разрушают окисную пленку. Сечение поглощения тепловых нейтро­ нов для алюминия составляет 0,215 барн.

7. ЖЕЛЕЗО, НИКЕЛЬ, КОБАЛЬТ И СПЛАВЫ

НА ИХ ОСНОВЕ

Удельное сопротивление технического железа в 7—8 раз выше, чем меди. Несмотря на это, железо применяется в электротехнике в качестве проводниково­ го материала благодаря его низкой стоимости, в сред­ нем в 7—8 раз меньшей стоимости меди в слитке; высо­ кой механической прочности, в 2—3 раза большей, чем прочность меди (а для некоторых сплавов в 10 раз боль­ шей); недефицитности. Лучшим сортом технического же­ леза для проводников является армко, т. е. малоуглеро­ дистая сталь с содержанием углерода, меньшим 0,0025%,

изготовляемая в

мартеновских печах и прокатываемая

в полосы, ленту,

листы, катанку.

Физические свойства технического железа зависят от его чистоты. Обычно в нем содержатся примеси углеро­ да, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно из­ меняют свойства металла. Сера вызывает так называе­ мую красноломкость (ломкость при высоких температу­ рах), фосфор — хладноломкость, углерод и азот умень­ шают пластичность, а водород увеличивает хрупкость. Кроме этих примесей в железе присутствуют кислород и шлаки в количестве до 0,05—0,08%.

Удельное сопротивление стали армко составляет 0,105—0,109 ом,- ммг/м. Обычная мягкая сталь с содержа­ нием углерода 0,1—0,15 % имеет среднее сопротивление 0,13 ом-ммг/м. Механическая прочность армко сравни­ тельно невелика. Предел прочности при растяжении в мягком состоянии равен 20—30 кгс/мм2, а в твердом состоянии после деформации составляет 40—50 кгс/мм2,


однако прочность армко выше, чем меди, на 50—70% [Л. 33].

Кривые зависимости между удельным сопротивлением и температурой для стали армко и низкоуглеродистой стали, а также для железо-кремниевых сплавов и некото­ рых других материалов приведены на рис. 24. При 768 °С (точка Кюри) наблюдается скачок сопротивления.

мком-см

Рис. 24. Зависимость удельного сопротивления кремниевых сталей и других металлов от темпера­ туры.

/ — титан;

2 — титан высокой чистоты;

3

— 3,5% Si;

4 —

уран; 5 — 1,0% Si; 5 — 0,6% Si; 7 — 0,4%

Si; 5 — 0,2%

Si;

9 — Ст. 0,8;

10 — армко; / / — платина;

12

— вольфрам.

Для неизолированных проводов используется теле­ графная проволока из низкоуглеродистой стали. Она должна содержать не более 0,11% углерода, 0,5% мар­ ганца, 0,05% серы, 0,045% фосфора, 0,2% меди и следы кремния. Удельное сопротивление при 20 °С составляет

0,133 ом мм2/м.

Такие примеси в железе, как углерод, марганец, фос­ фор, медь, повышают удельное сопротивление; так, на­ пример, 1% углерода повышает удельное сопротивление на 0,06; марганца на 0,05 и фосфора на 0,09 0М'ММ2/м.

Марганец в канатной проволоке играет положитель­ ную роль. При содержании его в сталях до 0,6—0,8% увеличивается износостойкость проволоки в 1,5—2 раза при сохранении остальных механических свойств,

58

К числу вредных примесей относятся медь (при со­ держании более 0,2%) и олово. Эти металлы при высо­ ких температурах диффундируют по границам зерен, вы­ зывая красноломкость.

Углерод в сталях оказывает основное влияние на механические свойства, он повышает износостойкость, усталостную прочность. Принято, что повышение содер­ жания углерода в стали на 0,01 % приводит к повышению прочности патентированной заготовки на 1,0 кгс/мм* или к повышению прочности волоченой проволоки на 1,5— 2,0 кгс/ммг.

Патентирование представляет собой термообработку, состоящую из нагрева стальной проволоки до превраще­ ния структуры в аустенит, последующего быстрого ох­ лаждения в расплавленной среде, находящейся при тем­ пературе 420—550 °С, и охлаждения на воздухе или

вводе для получения структуры сорбита.

Взависимости от содержания углерода различают

доэвтектоидные стали (s£T0,7%), эвтектоидные (0,7— 0,8%) и заэвтектоидные (^0,8% ). При содержании углерода ^2,0% сплавы называются чугунами.

При температурах выше 723 °С кристаллическая ре­ шетка железа представляет собой куб с центрированны­ ми гранями (у-железо). Одна из структурных составляю­ щих железоуглеродистых сплавов — твердый раствор углерода (содержание углерода до 2,0%) и легирующих элементов в у железе — называется а у с т е н и т о м . Аустенит немагнитен, плотность его несколько выше, чем других структурных составляющих стали. В углероди­

стых сталях

он устойчив до температур выше 723 °С.

В процессе

охлаждения эвтектоидной стали аустенит

превращается в перлит, т. е. в эвтектоидную смесь, со­ стоящую из пластин феррита (содержание углерода 0,02%) и фазы цемента (содержание углерода 6,7%). Для сталей с содержанием углерода, большим 0,8%, аустенит превращается в мартенсит. Если сплав содер­ жит никель, хром, марганец, то аустенит сохраняется при комнатной температуре.

Дисперсная форма перлита называется сорбитом. При термообработке сталей, называемой нормализацией, получается структура сорбита закалки, в результате от­ жига мартенсита получается структура сорбита отпуска. Прочность таких сталей выше, чем отожженных, кроме того, они обладают значительной пластичностью. Физи-

59


Т а б л и ц а 17

Физические свойства электротехнических алюминиевых сплавов

Марка

 

 

 

Химический состав, %

 

АЕ

А1=99,5

 

 

 

 

 

 

 

АМц

М п =

1,0 =

1,6

 

 

 

 

АМг

Mg =

2,0 =

2,8; Мп =

0,15 = 0 ,3 5

АВ

Mg =

0,45-4-0,9;

Мп =

0,15 =

0,35;

 

Si =

0,15 -г-1,2

 

 

 

 

АВЕ

Mg =

0,35-4-0,55;

 

Si =

0,45 =

0,65;

 

Fe = 0,15-4- 0,4

 

 

 

 

АЕ-1

Mg =

0,15 =

0,35;

 

Si =

0,25-4-0,45;

 

Fe =

0,15-4- 0,4;

Cu =

0,02;

Zn =

 

=

0,05;

Ti =

0,01

 

 

 

 

АЕ-2

Mg =

0,35-4-0,55;

 

Si =

0,45 =

0,65;

 

Fe =

0,15 =

0,4;

Cu = 0,02; Zn =

 

=

0,05;

Ti = 0 ,0 1

 

 

 

 

АД31

Si =

0,3-4-0,7;

Mg =

0,4-4-0,9;

Fe =

 

=

0,5; Mn =

0,1

 

 

 

 

Алдрей

Mn =

0,3 -4- 0,5; Si =

0,4-4-0,7;

Fe =

 

=

0,2 =

0,3

 

 

 

 

 

Кондаль

Mn =

0,3;

Si =

0,1;

Fe =

0,45

 

Упрочняющая фаза

He упрочняемые тер­ мообработкой

Упрочняющая фаза Mg2Si выделяется после закалки при 550° С и ис­ кусственного старения при 150— 180 “С в тече­ ние 12 ч

Электрическая

Предел

Относитель­

проводимость,

прочности,

ное удли­

% от меди

кгс1мма

нение, %**

61

10

20

33

16

10

 

13

20

35

22

8

 

15

20

52

10

20

53

29

5

 

20

20

52

20

5

 

13

14

50

23

5

 

13

13

51

24

16

52

32

6

54

12

20