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

Йоскольку в композиционном материале Матрица создает напряжения, воздействующие на разорванные волокна, принцип комбинированного действия реализу­ ется даже в том случае, когда все волокна окажутся разорванными. Поэтому для изготовления композицион­ ных материалов целесообразно использовать волокна небольшого размера, которые не проходят через матери­ ал по всей его длине. Применение волокон малой длины позволяет создавать материалы, в которых слои состоят из матрицы и коротких тонких проволочек. Например, для упрочнения алюминиевой матрицы используют про­ волоку из вольфрама или нитевидные волокна из окиси кремния. Диаметр волокон составляет менее 10 мкм.

Волокна графита и бора по жесткости обычно вдвое превосходят сталь. Композиционный материал, получен­ ный на их основе, обладает значительно более высокой жесткостью на единицу массы, чем сталь. Прочность композиционного материала на единицу массы также выше, чем у стали.

Таким образом, наиболее важное преимущество ком­ позиционных материалов — высокая жесткость на едини­ цу массы. Снижение электрической проводимости этих материалов происходит только на значение, соответст­ вующее доле малоэлектропроводных волокон.

Изменение прочности композиционного материала с увеличением объема легирования видно на примере сплавов, разработанных А. И. Колпашниковым, В. Ф. Ма­ нуйловым и др. [Л. 34, 48—51]. Эти алюминиевые спла­ вы, легированные стальными волокнами, имеют механи­ ческие свойства, приведенные в табл. 36.

Другой вид композиционных материалов составляют металлокерамические и гранульные сплавы, в которых

94

упрочняющим элементом являются не волокна, а окисные пленки или крупинки, включенные в основную ма­ трицу. Такие сплавы получают методами спекания с по­ следующей обработкой давлением; они могут быть леги­ рованы порошками тугоплавких соединений, так как исключают технологическую операцию плавления. К ука­ занным материалам относится сплав САП-1, состоящий из алюминиевой матрицы и 1 % окиси алюминия, и дру­ гие сплавы САП, отличающиеся , содержанием окиси алюминия.

Композиционный материал САС-1 представляет собой алюминиевый сплав, легированный кремнием, железом и никелем.

Его упрочняющей фазой являются соединение FeAl3(NiAl3) и кристаллы Si. Этот материал получают распылением жидкого сплава с последующим брикети­ рованием пульверизата и прессованием прутков.

Недостатком композиционных сплавов является ма­ лая технологичность из-за трудности деформирования.

Г л а в а т р е т ь я

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10.БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПРОВОЛОКА

ИЕЕ ПОЛУЧЕНИЕ

Вбиметаллическом проводнике используют два разнородных металла или'сплава; это позволяет сохра­ нить положительные свойства каждого компонента и по возможности исключить отрицательные. Давно известны такие комбинации материалов, как металл с деревом,

металл с металлом (серебрение, золочение) и др. Неза­ менимы в промышленности и в быту армированные материалы (железобетон, армированные резины и пласт­ массы). Однако изделия из перечисленных комбиниро­ ванных материалов получали, минуя стадию их совмест­ ной обработки. Для получения биметаллических изделий необходима обработка слойных полуфабрикатов: прокат­ ка биметаллических полос, волочение заготовок биметал­ лических стержней. Таким образом, биметаллические из­ делия в отличие от комбинированных обязательно прохо­ дят стадию совместного формоизменения. Кроме того, биметаллические проводники имеют разрыв удельной ли-

95

нейной электрической проводимости в направлении, пе­ ресекающем границу раздела металлов по всей протя­ женности этой границы, что в комбинированных материа­ лах также не наблюдается. Оба эти признака совместно позволяют условно выделить группу биметаллических проводников. В таких проводниках или, если говорить более общо, в полиметаллических проводниках можно выделить особую группу проводников с покрытием.

Металлическое покрытие — это слой металла, отлич­ ного от металла основного проводника, находящийся на поверхности последнего. Технология нанесения покрытия может быть различной (металлизация в вакууме, галь­ ваническое осаждение и т. п.).

Проводником с металлическим покрытием называется материал, у которого нанесенный слой имеет толщину не более 20 мкм. Если толщина слоя менее 1 мкм, то его принято называть пленкой. Как правило, пленки наносятся на подложку.

Разнообразие биметаллических проводников с каж­ дым годом увеличивается. Биметаллическая сталемедная проволока позволяет удовлетворить требования электро­ технической промышленности к высокопрочным провод­ никовым материалам с высокой электрической проводи­ мостью. Наряду с этой проволокой широко используется сталеалюминиевая проволока, которая является более дешевой. В связи с миниатюризацией ряда кабельных изделий возникает необходимость в производстве биме­ таллической проволоки различных микросечений.

Прочность и высокая электрическая проводимость— не единственные достоинства биметаллической проволо­ ки. Покрытие медной и сталемедной проволоки никелем обеспечивает повышенную коррозионную стойкость. Се­ ребряное покрытие проволоки повышает качество радио­ частотных кабелей; оловянное — ускоряет процесс пайки монтажных проводов при сборке электронных приборов. Покрытие медного сердечника тугоплавким или оксиди­ руемым металлом позволяет уменьшить испарение ме­ талла в глубоком вакууме и при высоких температурах.

В энергетической промышленности постоянно расши­ ряется применение эффекта сверхпроводимости. Это привело к использованию сплавов, тугоплавких и ред­ ких металлов, обладающих свойством сверхпроводимо­ сти. Применение меди, обладающей высокой теплопро­ водностью, совместно со сверхпроводником привело

96

к созданию идеального конструкционного материала для возбуждения сильных магнитных полей, получаемых с помощью сверхпроводимости. Мощные магнитные поля— это ускорители элементарных частиц, МГД-ге- нераторы и другие самые современные достижения техники.

Производство биметаллической проволоки со сверх­ проводящим компонентом — актуальная техническая за­ дача. Поэтому неслучайно большое число работ посвяще­ но технологии производства и свойствам этой проволоки.

Если число металлов, а следовательно, комбинаций их друг с другом ограничено, то использование в каче­ стве компонентов сплавов дает практически неограничен­ ные возможности для создания новых проводниковых материалов. На этой основе оказалось возможным полу­ чить биметаллические проводники с новыми свойствами, которые у чистых металлов не наблюдаются.

Наряду со сплавами, сообщающими изделию повы­ шенную прочность, существуют сплавы с особыми фи­ зическими свойствами: магнитомягкие, отличающиеся высокой магнитной проницаемостью, магнитотвердые или высококоэрцитивные, т. е. сплавы с большой коэрцитив­ ной силой и гистерезисом; проводниковые сплавы, отли­ чающиеся низким омическим сопротивлением; сплавы с высоким электрическим сопротивлением (обычно медпоиикелевые); термоэлектродные сплавы для изготовлеия термопар; сплавы с малым термическим коэффициен­ том линейного расширения (ТКЛР) инвар, платинит, фернико; контактные сплавы, характеризующиеся высо­ кими износостойкостью, сопротивлением электрической эрозии, высокой электро- и теплопроводностью; анти­ фрикционные сплавы (баббиты для подшипников сколь­ жения п т. п.); легкие сплавы, обладающие прочностью при малой плотности; коррозионно-стойкие сплавы

ит. п.

Наряду со многими положительными свойствами спла­

вам присущи и определенные недостатки, например уменьшение электрической проводимости по сравнению с чистым металлом — основой сплава. Это происходит вследствие рассеяния электронов на неизбежных иска­ жениях решетки, вызванных наличием чужеродных ато­ мов. Искажения решетки затрудняют использование сплавов в качестве сверхпроводников 1-го рода на сверх­ высоких частотах. Подобные недостатки отсутствуют при

использовании композиций чистых металлов или метал­ лов со сплавами.

Таким образом, становится понятной необходимость использования полиметаллических (в частном случае биметаллических) конструкций. Кроме того, повышение антикоррозионных и жаропрочных свойств сплавов часто оказывается дороже достижения тех же показателей у биметаллов, так как требуемый эффект достигается использованием в сплавах дорогостоящих легирующих

Рис. 26. Виды неравномерности, воз­

добавок ряда редких или тугоплавких металлов. Все это объясняет непрерывно растущий спрос на изделия из биметаллов и повышенный интерес к технологии их из­ готовления.

Для получения новых биметаллических изделий по­ требовалось глубокое изучение и расширение известных методов создания сложных материалов, сложившихся на базе обычных технологических способов. К таким способам производства биметаллической проволоки мож­ но отнести процесс прокатки слойного слитка на многоклетьевом прокатном стане. Этот процесс создает в би­ металле неравномерность по сечению проволоки.

Вообще все виды неравномерности в биметаллической проволоке можно условно разделить на четыре группы. На рис. 26 показаны три вида неравномерности по диа­ метру (1, 2, 3) и один — по длине проволоки (4). Для проката характерна неравномерность по диаметру, при­ чем подбором профиля валков можно добиться некото­ рого снижения неравномерности деформирования прока­ тываемого биметаллического прутка. Однако этот про­ цесс может применяться лишь для биметаллов со срав­ нительно близкими механическими свойствами при усло­ вии, что неравномерность распределения металлов по сечению устраивает потребителя,

98

Процесс прокатки высоко производителен, но, как правило, является заготовительным и применяется в со­ четании с последующим волочением. Волочение — это основной процесс производства проволоки. Но не из всех металлов и сплавов этим способом можно изготовить проволоку, тем более биметаллическую. Для предотвра­ щения обрывности необходимо соблюдать в течение всего процесса волочения ряд условий. В частности, предел упругости металла, обрабатываемого волочением, должен быть меньше напряжения волочения.

Другими причинами обрывности при волочении могут быть значительное трение обрабатываемого материала о стенку волоки (при неудачном подборе смазки); не­ совершенная форма инструмента, вызывающая значи­ тельную неравномерность; неоптимальная форма грани­ цы раздела металлов, обусловливающая высокие напря­ жения в оболочке или сердечнике. Анализ действия всех этих факторов на процесс волочения или любой другой процесс обработки металлов давлением дан в § 12.

Заготовительным процессом можно считать и прессо­ вание слойного слитка на гидравлическом или гидро­ экструзионном прессе. По сравнению с другим заготови­ тельным процессом — ручьевой прокаткой, прессование менее производительно, но благодаря уменьшению не­ равномерности распределения металлов по сечению дает более качественную продукцию.

Этому процессу присущи два вида неравномерности распределения металлов: третий и четвертый (рис. 26). Неравномерность четвертого вида — это изменение соот­ ношения площадей поперечного сечения металлов по длине выпрессовываемого прутка; такое изменение обус­ ловлено различием в скоростях истечения металлов в на­ чальный период прессования. В этот период происходит истечение более мягкого компонента, а лишь затем идет совместное истечение металлов. Изменением формы слит­ ка и инструмента можно лишь частично скомпенсировать это явление. При прессовании особенно четко проявляет­ ся третий вид неравномерности: появление так называе­ мой зубчатки, т. е. зубчатой формы границы раздела выпрессовываемых металлов.

Если прессованием удается производить биметалли­ ческие прутки из металлов с близкими значениями тем­ ператур плавления и, следовательно, прессования, то методом спрессовывания накладывается, например, алю-

миний Ий стальной сердечник. При этом происходит выпрессовывание металлической трубки, плотно обле­ гающей сердечник, из значительно более тугоплавкого металла или сплава. Такой метод избавлен от недостат­ ков прессования, но не является универсальным, так как температура прессования должна быть много ниже тем­ пературы плавления сердечника.

Перечисленные способы производства биметалличе­ ской проволоки являются основными.

Новые возможности в производстве биметаллических проводников открывает электрохимия. Гальванотехника дает возможность осадить из электролита непосредствен­ но на проволоку покрытие из металла, более благород­ ного, чем металл проволоки. Качество таких осадков во многом зависит от рецепта электролита, от подготовки поверхности проволоки и других факторов и часто быва­ ет невысоким, так как покрытие обычно оказывается пористым.

Другим недостатком гальванического осаждения является невысокая производительность, ограниченная тем, что при больших плотностях тока проволока, про­ тягиваемая через гальваническую ванну, перегорает. Для отвода тепла, особенно.вблизи поверхности покрываемой проволоки, и для замены обедненного раствора прикатодной зоны необходимо перемешивание электролита.

Другим способом повышения производительности процесса служит более равномерное распределение по­ тенциала, подаваемого на проволоку, по длине покрывае­ мого участка, поскольку подаваемый потенциал быстро уменьшается вдоль проволоки.

В отношении производительности и качества покры­ тия следует отдать предпочтение горячим способам на­ несения металлов на проволоку (лужению, цинкованию, кадмированию). Но такое нанесение предполагает, что металл покрытия является легкоплавким (олово, свинец, цинк, кадмий), а металл проволоки имеет по крайней мере вдвое большую температуру плавления. Следова­ тельно, и эти методы не являются универсальными.

По-видимому, к универсальным методам следует от­ нести нанесение покрытий из паровой фазы металлов в вакууме. За последние годы вакуумная техника и элек­ тронная металлургия получили широкое развитие. Это позволило создать испарители на основе электронно-лу­ чевого нагрева такой мощности, что появилась возмож-

100

ноеть быстро переводить в пар любые тугоплавкие ме­ таллы и соединения. Если раньше для создания вакуума М О-5 мм рт. ст. требовалось высокое мастерство и дли­ тельное время, то теперь такой вакуум стал обычной технологической средой. Были решены вопросы взаимо­ действия расплава с материалом испарителя и появи­ лась возможность создания этим методом практически любых покрытий на проволоке.

11. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА б и м е т а л л и ч ес к о й ПРОВОЛОКИ

Одним из основных критериев механической прочности биметаллической проволоки является ее пре­ дел прочности при растяжении, определяемый с помощью обычных машин для испытаний на растяжение. При этих же испытаниях фиксируется относительное удлинение. Механическая прочность биметаллической проволоки определяется прежде всего свойствами ее компонентов. Поэтому для многих видов этой проволоки с достаточ­ ной точностью можно вычислить общий условный предел прочности при растяжении по следующей формуле:

где ш ~ Fcep/Fобщ; ^сер и F0бщ — площади поперечного се­ чения сердечника и всей проволоки; ов.об, ов.сер — преде­

лы прочности при растяжении металла оболочки и сер­ дечника.

Значение этих пределов с учетом наклепа можно определить по известным зависимостям предела прочно­ сти при растяжении от степени деформации, полученным экспериментально для соответствующих монометаллов. В расчетах по определению наклепа можно допустить, что степень деформации оболочки и сердечника при установившиемся процессе волочения одинакова.

Коэффициент а < 1 тогда, когда компоненты биметал­ лической проволоки взаимодействуют между собой с об­ разованием промежуточного слоя хрупких соединений. Коэффициент а>1 в том случае, когда с уменьшением диаметра проволоки возрастает роль масштабного фак­ тора, повышающего прочность тонкой монометалличе­ ской проволоки. Рассматриваемый коэффициент может быть не равен единице и по другим причинам. Основной из них является сцепление между компонентами биме­

101