Тема 2.1 Электротехнические характеристики проводниковых материалов

«Проводниковые материалы высокой проводимости»

Металлические проводниковые материалы имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из множе­ства мелких кристалликов. Большинство металличе­ских проводников (серебро, медь, алюминий и др.) об­ладают большой проводимостью, т. е. малым удельным электрическим сопротивлением р = 0,0150÷0,0283 мкОм-м (1 мкОм·м=1 Ом-мм²/м). Это пре­имущественно чистые металлы, применяемые для из­готовления проводов и кабелей. Наряду с проводника­ми большой проводимости требуются также проводниковые материалы, обладающие большим удельным сопротивлением р = 0,4÷2,0 мкОм·м, необходимые для изготовления образцовых резисторов, нагревательных приборов и др. Все металлические проводниковые материалы обладают электронной электропроводностью, т. е. ток проводимости в них представляет собой направленное перемещение свободных электронов.

С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясня­ется тем, что с ростом температуры тепловые колеба­ния атомов проводника становятся более интенсив­ными. Электроны, перемещаясь, все чаще сталкива­ются с атомами, встречая сопротивление. В силу этого температурный коэффициент удельного сопротивления всех проводников больше нуля.

Важнейшие проводниковые материалы большой проводимости — медь, бронза, алюминий.

Проводниковая медь — это очищенный от различ­ных примесей металл красновато-оранжевого цвета, имеющий температуру плавления 1083 °С и температур­ный коэффициент линейного расширения 1,64÷10^-5 1/°С. Медь обладает хорошими механическими свой­ствами и пластичностью, что позволяет получить из нее проволоку диаметром до 0,01—0,02 мм, а также тонкие ленты. Проводниковая медь очень устойчива к атмосферной коррозии, чему способствует тонкий слой оксида (СuО), которым она покрывается на воз­духе. Защитный слой оксида препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь.

Отечественная промышленность выпускает провод­никовую медь различной степени чистоты шести ма­рок. Примесями в меди являются висмут, сурьма, же­лезо, свинец, олово, цинк, никель, фосфор, сера, мышь­як и кислород. В наиболее чистом сорте проводниковой меди (марка М006) сумма всех примесей не превышает 0,01 %. Для изготовления проводниковых изделий (об­моточные и монтажные провода, кабели) применяют сорта проводниковой меди с содержанием примесей не более 0,05—0,1%. Медную проволоку изготовляют круглого и прямоугольного сечений. Круглую про­волоку выпускают диаметром от 0,02 до 10 мм. Меньшая сторона a проволоки (шин) прямоугольного сече­ния находится в пределах от 0,8 до 4 мм, а большая b — от 2 до 30 мм. Медную проволоку изготовляют из мягкой, т. е. отожженной при оптимальной темпе­ратуре (марка ММ) и твердой неотожженной (марка МТ) меди.

Основные характеристики изделий из мягкой меди следующие: плотность 8900 кг/м³; предел прочности при растяжении σ_Р = 200÷239 МПа; относительное удлинение е_р = 6÷35 %; ρ= 0,0172÷0,01724 мкОм·м, а из твердой — плотность 8960 кг/м³; σ_р = 355÷408 МПа; е_р = 0,5÷2 %; ρ= 0,0177÷0,0180 мкОм·м.

Проволока меньшего диаметра обладает большим разрушающим напряжением при растяжении и боль­шим удельным электрическим сопротивлением. Про­вода очень малого диаметра (0,01 мм) и предназна­ченные для работы при повышенных температурах (выше 200 °С) изготовляют из проволоки из бескисло­родной меди, отличающейся наивысшей чистотой. Все марки меди имеют температурный коэффициент удель­ного сопротивления ТКρ= 0,0043 1/°С.

Бронзы — сплавы на основе меди, отличающиеся малой объемной усадкой (0,6—0,8 %) при литье (объ­емная усадка стали и чугуна 1,5—2,5 %).

Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием (алю­миниевые), бериллием (бериллиевые) и другими леги­рующими элементами. Марки бронз обозначают бук­вами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и циф­ры, указывающие, какие легирующие элементы, и в ка­ком количестве содержатся в данной бронзе.

Бронзы легко обрабатываются резанием, давле­нием и хорошо паяются. Ленты и проволоки из них служат для изготовления пружинящих контактов, токопроводящих пружин и других токопроводящих и кон­струкционных деталей.

Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах.

В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.

Из проводниковых бронз изготовляют провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.

Алюминий благодаря его сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии является вторым после меди проводниковым материа­лом. Алюминий относится к группе легких металлов, поскольку его плотность равна 2700 кг/м³, т. е он в 3,3 раза легче меди. Алюминий — металл серебристо-белого цвета, имеет температуру плавления 658 °С, малую твердость и сравнительно небольшую механиче­скую прочность при растяжении σ_р = 90÷147 МПа. Кроме того, обладает более высоким, чем медь, увели­ченным коэффициентом температурного расширения (24·10 ^-6 °С), что является его недостатком.

На воздухе алюминий очень быстро покрывается тонкой пленкой оксида (А1₂Оз), который надежно за­щищает его от проникновения кислорода воздуха. Так как эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, то в плохо зачищенных местах соеди­нений алюминиевых проводов могут быть большие переходные сопротивления.

При увлажнении мест соединений алюминиевых проводов с проводами из других металлов могут обра­зовываться гальванические пары. При этом алюминие­вые провода разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать образования гальванических пар, места соединений тщательно зачищают от влаги (например, лакированием). Чем выше химическая чистота алюминия, тем лучше он сопротивляется коррозии.

Отечественной промышленностью выпускается про­водниковый алюминий различной степени чистоты 13 марок. В марках алюминия высокой чистоты при­месей (железо, кремний, цинк, титан и медь) содер­жится не более 0,005 %. Из такого алюминия изготов­ляют электроды электролитических конденсаторов, а также алюминиевую фольгу. Проволоку для прово­дов изготовляют из алюминия, содержащего не более 0,3 и 0,5 % (марки А7Е и А5Е). Выпускаются мягкая (AM), полутвердая (АПТ) и твердая (AT) алюми­ниевая проволока диаметром от 0,08 до 10 мм и шины прямоугольного сечения.

Изделия из мягкого алюминия имеют следующие основные характеристики: σ_р = 70÷100 МПа; е_р = = 10÷25 %; ρ = 0,028 мкОм·м; из полутвердого алюминия — σ_р — 90÷140 МПа; е_р≈3%; ρ —0,0283 мкОм·м, а из твердого — σ_р = 100 ÷180 МПа; е_р==0,5÷2%; ρ = 0,0283 мкОм ·м. Температурный коэффициент удель­ного сопротивления всех марок алюминия принимают равным 0,00423 1/°С.

Алюминиевые провода и токопроводящие детали можно соединять друг с другом горячей или холодной сваркой, а также пайкой, но с применением специаль­ных припоев и флюсов. Холодную сварку производят в специальных устройствах, в которых зачищенные поверхности алюминиевых деталей соприкасаются друг с другом при давлении примерно 1000 МПа. При этом происходит диффузия кристаллов одной из соединяе­мых деталей в другую, в результате чего они надежно соединяются. Листовой алюминий широко применяют для экранов.

Длительно допустимая температура проводникового алюминия при использовании его на воздухе не должна превышать 300 °С.

Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся на воздухе при комнатной темпера­туре. Интенсивное окисление серебра начинается при температуре выше 200 °С. Как и все благородные метал­лы, серебро отличается высокой пластичностью, позво­ляющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Кроме того, серебро обладает наивысшей проводимостью.

Основные характеристики проводникового серебра следующие: плотность 10 500 кг/м³, температура плавления 960,5 °С, КТР= 19,3 -10 ^{- 6} 1/°С, т. е. немного больше, чем у меди; изделий из мягкого серебра — σ_р= 150÷180 МПа, e_p = 45÷50 %, ρ = 0,015 мкОм-м, а из твердого серебра — σ_р = 203 МПа, е_р = 46 %, р = 0,0160 мкОм-м, ТКρ= 0,00369 1/°С.

По сравнению с медью и алюминием серебро приме­няют ограниченно в сплавах с медью, никелем или кадмием — для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, а также в припоях ПСр 10, ПСр 25 и др.

Вольфрам относится к группе тугоплавких металлов и широко применяется в электротехническом производстве в качестве износостойкого материала для электрических контактов и деталей в электровакуум­ных приборах (нити ламп накаливания, электроды и др.).

Вольфрам — металл серого цвета, обладающий очень высокой температурой плавления и большой твердостью, получают методом порошковой металлур­гии. Для этого из частиц вольфрама (порошка) прес­сованием в стальных пресс-формах получают заготов­ки — стержни, которые подвергают спеканию при 1300 °С.

Спеченные вольфрамовые стержни имеют еще зерни­стое строение и хрупки, поэтому их нагревают до 3000 °С. Для получения механически прочного металла стержни подвергают многократной ковке и волочению с перемежающимися периодами отжига. В результате такой обработки вольфрам приобретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую механическую прочность и пластичность.

Из вольфрама изготовляют проволоку диаметром до 0,01 мм. Окисление вольфрама на воздухе начи­нается при температуре от 400 °С и выше. В вакууме вольфрамовые детали могут работать при температуре до 2000 °С.

Основные характеристики вольфрама следующие: плотность 19 300 кг/м³, температура плавления 3380 °С; изделий из отожженного вольфрама — σ_р = 380÷500 МПа, ρ = 0,055 мкОм-м, а изделий из твердого вольфрама — σ_р≈1800 МПа; ρ = 0,0612 мкОм-м. Тем­пературный коэффициент сопротивления ТКρ = = 0,0046 1/°С.

Ста л е а л ю м и н и е в ы й провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводи­мость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого, провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженно­сти электрического поля на поверхно­сти провода.

Железо (сталь) как наиболее деше­вый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочно­стью, представляет большой интерес для использования в качестве проводнико­вого материала. Однако даже чистое же­лезо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,1 мкОм-м).

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме то­го, при переменном токе в стальных про­водниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводнико­вого материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15%, обладающая пределом прочности при растя­жении σ_p = 700÷750 МПа, относительным удлинением при раз­рыве ∆l/l= 5-f-8% и удельной проводимостью γ, в 6—7 раз меньшей по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механиче­ской прочностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр.

Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, осо­бенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает,поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерыв­ность слоя цинка проверяет­ся опусканием образца про­вода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки отклады­вается медь в виде красных пятен, заметных на общем се­роватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного соп­ротивления. Поэтому тонкую железную проволоку, поме­щенную для защиты от окис­ления в баллон, заполненный водородом или иным химиче­ски неактивным газом, мож­но применять в бареттерах,

т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку для целей поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Биметалл. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл (не смешивать с термическим биметаллом). Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болван­кой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холод­ном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Биметалл имеет механические и электрические свойства проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ною проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой —-медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминевых проводах). Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм с содержанием меди не менее 50% полной массы проволоки.

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из про­водникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

«Материалы высокого сопротивления»

Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000° С и даже выше). Кроме того, во многих случаях требуется технологичность сплавов — возможность изготовления из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавы, используемые для приборов, производимых в больших количествах — реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников и т. п. — были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

Манганин - это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов и т. п. сплав. Примерный состав его: Си — 85%, Mn — 12%,, Ni — 3%; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum); желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение ρ манганина 0,42—0,48 мкОм·м. Манганин может вытягиваться в тонкую (до диаметра 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией.

Константан — сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля. Название «константан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении
температуры. По механическим свойствам константан близок

к манганину, его плотность8,9 Мг/м3. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450° С. Существенным отличием константана от манганина является высокая термо-э. д. с. константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-э. д. с. в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений. Зато константан с успехом может быть использован при изготовлении термопар,
служащих для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.

Широкому применению константана препятствует большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации К и потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку.
Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось выше, имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав.

Сплавы системы Fe—Ni—Сг называются нихромами или (c повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe—Сr—Аl называются фехралями и хромалями. Происхождение названий этих сплавов не требует
разъяснения. В обозначении буквы обозначают наиболее характерные элементы, входящие в состав сплава, причем буква входит в название элемента, но не обязательно является первой буквой этого названия (например, Б означает ниобий, В— вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, Л — бериллий, Н— никель, Т—титан, X — хром, Ю— алюминий и т. п.), а число — приблизительное содержание данного компонента в сплаве (в процентах по массе).

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем в случае непрерывной работы элемента при той же температуре.

Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки.

«Жидкие и благородные металлы»

Золото — металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве 40%). В электротехнике золото используется как контактный материал для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов фотоэлементов и для других целей.

Серебро — белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет удельное сопротивление (при нормальной температуре), меньшее, чем какой бы то ни было другой металл.

Серебряную проволоку используют для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этой цели используют метод вжигания или испарения в вакууме. Недостатком серебра является его склонность к миграции внутрь

диэлектрика, на который нанесено серебро, в условиях высокой влажности, а также при высоких температурах окружающей среды. Химическая стойкость серебра по сравнению с другими благородными металлами пониженная.

Платина — металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к износу, имеют высокую твердость и допускают большую частоту выключений, но дороги и применяются только для ответственных целей.

Никель — серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде (99,99% Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.). Получаемый из руд никель подвергают электролитическому рафинированию. Никель выпускается различных марок (в зависимости от чистоты) в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. К положительным свойствам никеля следует отнести достаточную механическую прочность после отжига. Никель легко поддается даже в холодном состоянии механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению, и т. п. Из никеля могут быть изготовлены различные по размерам, сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Помимо применения в электровакуумной технике, никель используют в качестве компонента ряда
магнитных и проводниковых сплавов, а также для защитных и декоративных покрытий изделий из железа и т. п.

Свинец — металл сероватого цвета, дающий на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеющий вследствие поверхностного окисления. Он имеет крупнокристаллическое строение; если протравить свинец азотной кислотой, его кристаллы становятся видны даже невооруженным глазом. Свинец — мягкий, пластичный, малопрочный металл. Преимуществом свинца является его высокая коррозионная стойкость; он устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и ряда других реагентов; однако азотная и уксусная кислоты, гниющие органические вещества, известь и некоторые другие соединения разрушают свинец.
Свинец в больших количествах применяют в качестве оболочек, защищающих изоляцию кабелей от проникновения в нее влаги. Кроме того, свинец используют для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и т. д. Свинец широко употребляют как материал, сильно поглощающий рентгеновские лучи. Рентгеновские установки с напряжением 200— 300 кВ по нормам безопасности должны иметь свинцовую защиту при толщине слоя соответственно 4—9 мм. Слой свинца толщиной 1 мм по защитному действию в этих условиях эквивалентен слою стали 11,5 мм или слою обычного кирпича толщиной 110 мм. Свинец поставляют в чушках, т.е. продолговатых слитках массой до 50 кг. Сплавы свинца с малыми количествами сурьмы, теллура, кадмия, меди; кальция и олова имеют мелкозернистое строение, повышенную механическую прочность и стойкость к вибрациям; однако коррозионная стойкость этих сплавов несколько ниже, чем у чистого свинца. Они находят применение в кабельной технике. В ряде случаев свинец для кабельных оболочек заменяется очень чистым алюминием (имеющим высокую пластичность, что важно для опрессовки кабелей при сравнительно невысоком давлении). Весьма широко используются для ряда конструкций кабелей пластмассовые оболочки, значительно более дешевые и легкие, чем свинцовые. Свинец и его соединения ядовиты.

Ртуть — единственный металл, находящийся в жидком состоянии при нормальной температуре. Ее добывают из киновари HgS путем термического разложения при температуре около 500° С и затем подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре около 200° С
Ртуть легко испаряется и имеет значительное давление паров при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах. Ртуть окисляется на воздухе лишь при температурах, близких к температуре ее кипения.

Щелочные, щелочно-земельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина,золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель.

Поэтому приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы нерастворимы в ртути.

Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также используют для ртутных контактов в реле и т. п.

Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.

«Электроугольные изделия»

К электроугольным изделиям относят щетки для электрических машин, контактные детали, электроосветительные угли и др.

Электроугольные изделия изготовляют методами порошковой технологии из смеси углеродистых материалов: графита, кокса, сажи, антрацита. В исходный
состав некоторых электроугольных изделий вводят также металлические порошки (медный, свинцовый, оловянный и др.). Кроме того, в производстве электроугольных изделий применяют связующие вещества — каменноугольные, бакелитовые, кремнийорганические и другие смолы.

Углеродистые материалы, за исключением графита и сажи, предварительно прокаливают при 1200—1300 °С для удаления летучих веществ и уменьшения
объемной усадки получаемых электроугольных изделий. Затем углеродистые материалы измельчают в дробилках до порошкообразного состояния. Взятые в определенном соотношении исходные порошкообразные материалы (углеродистые и металлические) тщательно смешивают, вводят в них связующие вещества (смолы, пески), перемешивают и при 110—230 °С пропускают
через специальные смесители. Полученную исходную электроугольную массу сушат, а затем размалывают и просеивают через сито, получая прессовочный порошок (пресс-порошок). Прессованием в стальных пресс-формах из этого порошка изготовляют различные электроугольные изделия или заготовки (блоки), из которых распиливанием и шлифованием получают электрощетки и другие изделия.
Электроугольные изделия прессуют при комнатной температуре или при 180—210 °С (в зависимости от связующего). Применяя связующее, размягчающееся
или полимеризующееся при повышенных температуpax, прессование производят при повышенных температурах. Прессуют электроугольные изделия при давлениях от 100 до 300 МПа.

Изделия большой длины (электроосветительные угли и др.) изготовляют выдавливанием нагретой исходной пластичной массы через стальной мундштук
винтового пресса. Полученные изделия или их заготовки (блоки) подвергают высокотемпературному обжигу в специальных печах в интервале температур от комнатной до 1200—1300 °С. При обжиге происходит спекание — соединение частиц исходных материалов и цементация их коксом, образующимся из связующих органических веществ. В результате обжига электроугольные изделия приобретают механическую прочность и способность к механической обработке, но уменьшается их удельное электрическое сопротивление. Электроугольные изделия, содержащие сажу, кокс и другие неграфитовые компоненты, после обжига подвергают дополнительной термической обработке (при 2400—2800°С), называемой графитизацией. При этом неграфитовые компоненты в изделиях превращаются в графит, а большинство примесей испаряется. В результате графитизации электрощетки (группы ЭГ) и другие изделия приобретают некоторую мягкость, уменьшается их коэффициент трения и резко снижается удельное электрическое сопротивление.

Полученные после графитизации и механической обработки (резка, шлифование) электроугольные изделия обладают значительной пористостью (до 30 %), поэтому их пропитывают лаками или воскообразными веществами, а в некоторых случаях — расплавленными металлами (олово, свинец и др.). Пропитку производят при 80—200 °С и выше жидким пропитывающим веществом. Пропитка устраняет пористость и уменьшает гигроскопичность электроугольных изделий, а иногда позволяет ввести в них смазочные вещества (воскообразные). Пропитка металлами резко увеличивает механическую прочность электроугольных изделий и повышает их проводимость.

Электроугольные изделия (электрощетки и др.) подвергают механической обработке для придания им окончательной формы и необходимой шероховатости
поверхности. Заготовки (блоки) электрощеток и других изделий разрезают на мелкие части фрезами или тонкими карборундовыми кругами на специальных станках. Затем в изделиях сверлят отверстия под гибкие соединительные провода.

Некоторые типы электрощеток и осветительных углей после механической обработки меднят, покрывая часть их поверхности тонким слоем меди для создания надежного электрического контакта между телом электрощетки и щеткодержателем в электрической машине. Слой меди имеет толщину 10—15 мкм. Гибкие (многопроволочные) провода крепят в теле электрощеток
развальцовкой, пайкой или запрессовкой. Затем проверяют размеры, твердость и механическую прочность и удельное электрическое сопротивление электрощеток,
падение напряжения между щеткой и коллектором, коэффициент трения, переходное сопротивление между токоподводящим проводом и электрощеткой и др. Наибольшее применение среди электроугольных изделий имеют щетки для электрических машин и контактные детали. Различают следующие виды щеток: графитные, угольно-графитные, металлографитные и электрографитированные.

Графитные щетки, изготовляемые из натурального графита, отличаются мягкостью, не вызывают шума при работе и применяются при окружных скоростях от 20 до 35 м/с. Их удельное электрическое сопротивление 70—170 мкОм-м.

Угольно-графитные щетки, изготовляемые из графита, сажи, кокса и связующих смол, обладают повышенной твердостью, механической прочностью,
а также абразивностью и поэтому могут очищать оксидные пленки на коллекторах и кольцах электрических машин. Эти щетки применяют при окружных скоростях от 10 до 30 м/с. Их удельное сопротивление 100— 300 мкОм-м.

Металлографитные щетки, изготовляемые из порошков графита и меди (в некоторые вводят также порошки олова и серебра), обладают малым удельным электрическим сопротивлением 0,04—0,3 мкОм-м, щетки с пониженным содержанием меди имеют удельное сопротивление 5—28 мкОм-м. Эти щетки применяются при окружных скоростях 30—40 м/с.

Электрографитированные щетки изготовляют из графита, кокса, сажи и связующих смол. После прессования и обжига в печах щетки поступают
в электрические печи для графитизации при 2500 °С. Состав щеток при этом обогащается графитом, что обеспечивает их повышенную механическую прочность и возможность использования при повышенных окружных скоростях (40—90 м/с). Удельное электрическое сопротивление щеток 12—75 мкОм-м. Такие щетки применяют в электрических машинах с тяжелыми условиями коммутации.

Электроугольные электроды, отличающиеся стойкостью к электрической дуге, очень медленно окисляются, не горят, не плавятся до температуры 3800 °С и широко применяются в электрических аппаратах большой мощности. Контактные детали, применяемые в электровозах, троллейбусах и других токосъемных устройствах, изготовляют из электроугольных и медно-графитных масс. Эти изделия имеют очень малое удельное сопротивление — 0,02—0,05 мкОм • м.

Date: 2016-05-25; view: 1210; Нарушение авторских прав