Контактные материалы, сплавы для катушек сопротивлений, жаростойкие сплавы.
1. Сплавы для катушек сопротивлений и измерительных приборов
Основным и лучшим представителем этих сплавов является медно-марганцевый сплав — манганин.
Манганин отличается высоким удельным сопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления, низкой термо-э.д.с. в паре с медью, высокой стабильностью сопротивления во времени, высокой пластичностью и сопротивлением коррозии. Применяется для изготовления точных образцовых сопротивлений.
В целях сохранения постоянства свойств сопротивлений рабочая температура их не должна превышать 60 °C. Для стабильности свойств манганина во времени он подвергается специальной низкотемпературной термической обработке с последующим длительным вылеживанием при комнатной температуре; изготавливается манганин в виде проволоки и ленты.
Менее прецизионным сплавом, чем манганин, является медно-никелевый сплав константан, который характеризуется очень малым температурным коэффициентом сопротивления, устойчивостью против коррозии, удовлетворительной жаростойкостью и высокими механическими свойствами.
Недостатком константана при применении его для изготовления образцовых сопротивлений является высокая термо-э.д.с. в паре с медью, в связи с чем он нашел широкое применение при изготовлении термопар для измерения температур до 900 °C.
Для изготовления реостатов и других электротехнических приборов иногда применяют сплав, содержащий медь, никель и цинк — нейзильбер. Этот сплав дешевле, чем константан, однако проволока из нейзильбера вследствие содержания цинка после нагревания ее до 200—250 °C становится хрупкой.
2. Жаростойкие сплавы для нагревательных приборов
Жаростойкие сплавы помимо высокого удельного сопротивления и малого температурного коэффициента сопротивления должны обладать высоким пределом рабочей температуры, хорошо обрабатываться и быть достаточно механически прочными во всем диапазоне рабочих температур.
В настоящее время выпускаются окалиностойкие деформируемые жаростойкие сплавы девяти различных марок, которые можно подразделить на сплавы на основе хрома и никеля, называемые нихромами, и на жаростойкие сплавы на основе хрома.
Таблица 1. Свойства и назначение жаростойких сплавов высокого омического сопротивления
| Марка сплава | Размер: диаметр или толщина, мм | Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, мкОм·м | Рабочая температура нагревательного элемента, °C | Характеристика окалиностойкости и жаростойкости | Преимущественные области применения | |
| предельная | оптимальная | |||||
| Х25Н20 | Все размеры | 0,83—0,96 | 1000 | 900 | Окалиностойки в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчивы в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения, более жаропрочные, чем алюминиевые сплавы | Проволока для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов |
| Х15Н60 | 0,1—0,5 | 1,06—1,16 | 1000 | 950 | Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов | |
| Х15Н60Н | 0,51 | 1,07—1,17 | 1100 | 950 | ||
| Х20Н80 | 0,1—0,5 | 1,03—1,13 | 1100 | 1050 | Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов, электросопротивлений, микропроволока для бытовых приборов | |
| 0,51—3 | 1,04—1,14 | |||||
| Х20Н80Н | 3,1—10 | 1,06—1,16 | 1200 | 1050 | ||
| 10,1 | ||||||
| Х13Ю4 | 0,2—10,0 | 1,18—1,34 | 1000 | 900 | Окалиностойки в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонны к провисанию при высоких температурах | Проволока и ленты для реостатов, нагревательных элементов бытовых приборов и аппаратов |
| 10,1 | ||||||
| ОХ23Ю5 | 0,2—10 | 1,29—1,45 | 1200 | 1150 | Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов и аппаратов, реостатов и свечей зажигания | |
| 10,1 | ||||||
| ОХ23Ю5А | 0,2—10 | 1,3—1,4 | 1200 | 1175 | То же, но с большим сроком службы | |
| 10,1 | ||||||
| ОХ27Ю5А | 0,2—10 | 1,37—1,47 | 1300 | 1250 | Проволока и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей | |
| 10,1 | ||||||
Таблица 2. Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивления в зависимости от температуры
| Марка сплава | Температура нагрева, °C | ||||||||||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 | |
| Х15Н60 Х15Н60Н | 1,013 | 1,029 | 1,046 | 1,062 | 1,074 | 1,083 | 1,083 | 1,089 | 1,097 | 1,105 | — | — | — |
| Х20Н80 Х20Н80Н | 1,006 | 1,016 | 1,024 | 1,031 | 1,035 | 1,025 | 1,019 | 1,017 | 1,021 | 1,028 | 1,038 | — | — |
| Х13Ю4 | 1,004 | 1,013 | 1,025 | 1,041 | 1,062 | 1,090 | 1,114 | 1,126 | 1,135 | — | — | — | — |
| ОХ23Ю5А ОХ23ЮА | 1,002 | 1,007 | 1,013 | 1,022 | 1,036 | 1,056 | 1,063 | 1,067 | 1,072 | 1,076 | 1,079 | 1,080 | — |
| ОХ27Ю5А | 1,002 | 1,005 | 1,010 | 1,015 | 1,025 | 1,030 | 1,033 | 1,035 | 1,040 | 1,040 | 1,041 | 1,043 | 1,045 |
| ХН60Ю | — | 0,984 | 1,000 | 1,022 | 1,040 | 1,021 | 1,012 | 1,008 | 1,013 | 1,015 | 1,031 | — | — |
| ХН70Ю | 1,004 | — | — | — | 1,051 | 1,052 | 1,035 | 1,015 | 1,015 | 1,016 | 1,021 | 1,028 | |
Таблица 3. Основные характеристики сплавов с большим удельным сопротивлением
| Материал | Плотность, кг/м3·103 | Температура плавления, °C | Наибольшая рабочая температура, °C | Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом·м·10–6 | Температурный коэффициент сопротивления при 20 °C, 1/град | Применение |
| Нихром | 8,2 | 1360 | 1000 | 1,1 | 1,7·10–4 | Лабораторные и промышленные печи с рабочей температурой до 900 °C |
| Фехраль | 7,6 | 1450 | 850 | 1,2 | 5·10–5 | Бытовые электронагревательные приборы и промышленные электропечи с рабочей температурой до 650 °C |
| Константан | 8,8 | 1270 | 450—500 | 0,5 | (0,2—5)·10–3 | Реостаты и резисторы приборов низкого качества точности. Нагревательные элементы с температурой до 450 °C |
| Манганин | 8,3 | 940 | 250—300 | 0,46 | ±(3—6)·10–5 | Эталонные и образцовые сопротивления, магазины сопротивлений и сопротивления приборов высокой точности |
| Нейзильбер | 8,4 | 1050 | 200—250 | 0,35 | 2,9·10–6 | Реостаты |
Таблица 4. Термоэлектродвижущая сила различных металлов
| Металл | Термо-э.д.с. | Металл | Термо-э.д.с. | Металл | Термо-э.д.с. |
| Железо | +1,75 | Олово | +0,42 | Кобальт | –1,75 |
| Молибден | +1,24 | Магний | +0,42 | Никель | –1,76 |
| Кадмий | +0,90 | Алюминий | +0,39 | Константан | –3,33 |
| Цинк | +0,76 | Уголь | +0,25 | Свинец | –5,85 |
| Серебро | +0,76 | Ртуть | +0,01 | Висмут | –6,86 |
| Медь | +0,74 | Платина | +0,00 | ||
| Иридий | +0,67 | Натрий | –0,21 | ||
| Примечания. 1. Значения указаны при разности температур 100 °C по отношению к платине. 2. Знак + указывает, что в месте спая ток направлен от данного металла к платине. Разность значений для любой пары дает действующую электродвижущую силу. | |||||
Таблица 5. Приближенные значения токов плавления проволоки из разных металлов
Плавящий ток, А | Диаметр, мм | |||||
| Медь | Алюминий | Никелин | Сталь | Олово | Свинец | |
| 1 | 0,039 | 0,066 | 0,065 | 0,132 | 0,183 | 0,210 |
| 2 | 0,069 | 0,104 | 0,125 | 0,189 | 0,285 | 0,325 |
| 3 | 0,107 | 0,137 | 0,185 | 0,245 | 0,380 | 0,425 |
| 5 | 0,180 | 0,193 | 0,25 | 0,345 | 0,53 | 0,60 |
| 7 | 0,203 | 0,250 | 0,32 | 0,45 | 0,66 | 0,78 |
| 10 | 0,250 | 0,305 | 0,39 | 0,55 | 0,85 | 0,95 |
| 15 | 0,32 | 0,400 | 0,52 | 0,72 | 1,02 | 1,25 |
| 20 | 0,39 | 0,485 | 0,62 | 0,87 | 1,35 | 1,52 |
| 25 | 0,46 | 0,560 | 0,73 | 1,00 | 1,56 | 1,98 |
| 30 | 0,52 | 0,640 | 0,81 | 1,15 | 1,77 | 2,20 |
| 35 | 0,58 | 0,700 | 0,91 | 1,26 | 1,95 | 2,44 |
| 40 | 0,63 | 0,77 | 0,99 | 1,38 | 2,14 | 2,44 |
| 45 | 0,68 | 0,83 | 1,08 | 1,50 | 2,30 | 2,65 |
| 50 | 0,73 | 0,89 | 1,15 | 1,60 | 2,45 | 2,78 |
| 60 | 0,82 | 1,00 | 1,30 | 1,80 | 2,80 | 3,15 |
| 70 | 0,91 | 1,10 | 1,43 | 2,00 | 3,10 | 3,50 |
| 80 | 1,00 | 1,22 | 1,57 | 2,20 | 3,40 | 3,80 |
| 90 | 1,08 | 1,32 | 1,69 | 2,38 | 3,65 | 4,10 |
| 100 | 1,15 | 1,42 | 1,82 | 2,55 | 3,90 | 4,40 |
| 120 | 1,31 | 1,60 | 2,05 | 2,85 | 4,45 | 5,00 |
| 160 | 1,59 | 1,94 | 2,28 | 3,20 | 4,90 | 5,50 |
| 180 | 1,72 | 2,10 | 2,69 | 3,70 | 5,80 | 6,50 |
| 200 | 1,84 | 2,25 | 2,89 | 4,05 | 6,20 | 7,00 |
| 225 | 1,99 | 2,45 | 3,15 | 4,40 | 6,75 | 7,60 |
| 250 | 2,14 | 2,60 | 3,35 | 4,70 | 7,25 | 8,10 |
| 275 | 2,20 | 2,80 | 3,55 | 5,00 | 7,70 | 8,70 |
| 300 | 2,40 | 2,95 | 3,78 | 5,30 | 8,20 | 9,20 |
| Примечание. Длина проволоки 5—10 см (в зависимости от диаметра). | ||||||
3. Контактные материалы
По роду работы различают три типа контактов: неподвижные, коммутирующие и скользящие.
Неподвижные контакты — зажимы, болтовые и винтовые соединения, скрутки, паяные и сваренные контакты. Качество зажимных контактов определяется их переходным сопротивлением, возникающем в местах непосредственного контакта. Улучшение поверхности и защита контактов от коррозии достигается путем пайки, сварки или покрытия коррозионно-устойчивыми хорошо проводящими металлами.
На воздухе при температурах до 75 °C все проводниковые металлы дают достаточно устойчивые переходные сопротивления. Важнейшим условием при этом является обеспечение необходимых удельных давлений на контактную поверхность.
Общей закономерностью для всех видов непаяных контактов является при прочих равных условиях обратная зависимость переходного сопротивления от нажатия. С повышением температуры за счет ускорения процесса коррозии переходное сопротивление резко возрастает, поэтому медные, алюминиевые и стальные контакты покрывают коррозионно-устойчивыми металлами.
При температуре 100—120 °C хорошо работают луженые, посеребренные или кадмированные контакты. Контакты из стали обязательно цинкуют или кадмируют.
Шинные контакты (обычно в виде полос), особенно при применении алюминия, рекомендуется зачищать стеклянной шкуркой под слоем вазелина, для меди и стали необходимо лужение оловянно-свинцовым припоем или чистым оловом.
Коммутирующие контакты — материалы разрывных электрических контактов должны иметь малое удельное сопротивление и достаточно низкое и особенно стабильное переходное сопротивление, высокую стойкость против окисления, сваривания и эрозии, хорошую износоустойчивость и ряд технологических свойств.
Для изготовления маломощных разрывных контактов, применяемых главным образом в слаботочной технике, используют:
· металлы платиновой группы;
· золото и его сплавы;
· серебро и его сплавы;
· вольфрам, молибден и их сплавы.
Из электроосаждаемых контактов в виде тонких гальванических покрытий, работающих в отсутствии дуги, следует отметить серебро, золото, платину, палладий и особенно родий, сочетающий сравнительно низкое удельное сопротивление и очень высокую твердость.
Для изготовления мощных разрывных, а также прецизионных контактов в современной технике применяют различные металлокерамические композиции, так как использование металлов и их сплавов не дает достаточно удовлетворительных результатов. Металлокерамические контакты изготавливают из порошков металлов методом прессования из смеси заданного состава в форме уже готового изделия с последующим спеканием прессовок, повторным прессованием и отжигом.
Все марки контактов из металлокерамических композиций можно разбить на группы.
Контакты из композиций серебро — окись кадмия широко используются в технике низковольтного аппаратостроения, отличаются надежностью при повышенных токовых нагрузках и умеренных нажатиях на контакт. Обладают высокой износоустойчивостью, низким и стабильным переходным сопротивлением и повышенной дугостойкостью, но уступают в последнем контактам из композиций с присадками вольфрама. Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.
Контакты из композиции серебро — окись меди обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением, высокой электрической износоустойчивостью и сопротивлением привариванию. При высоких токовых нагрузках они более предпочтительны, чем контакты серебро — окись кадмия. Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.
Контакты из композиций серебро — никель устойчивы к электрическому износу, обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением и применяются в низковольтной аппаратуре постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. Уступают контактам типа серебро — окись кадмия и серебро — окись меди по сопротивлению привариванию, но более стойки, чем чистое серебро. Допускают пайку и сварку без подслоя серебра.
Контакты из композиций серебро — никель — графит. Присадка графита повышает дугостойкость и сопротивление привариванию и позволяет применять эти контакты в низковольтной аппаратуре со значительными нагрузками, а также в воздушных автоматических выключателях обычно в паре с контактами серебро — никель.
Контакты из композиции серебро — графит обладают высокой дугостойкостью, сопротивлением привариванию и устойчивостью к механическому истиранию. Электрическая стойкость и механическая прочность относительно невелики. Применяются в паре с контактами серебро — никель.
Контакты из композиции серебро — вольфрам высокоустойчивы к оплавлению, однако обладают повышенным переходным сопротивлением, возрастающим с увеличением присадки вольфрама. Применяются в воздушных высоковольтных выключателях в виде накладок на поверхности медных контактов.
Контакты из композиции серебро — кадмий — никель обладают более высокой электрической прочностью, чем контакты из серебра, и характеризуются особо стабильным и низким переходным сопротивлением. Применяются для низковольтных схем.
Контакты из композиции медь — вольфрам обладают высоким сопротивлением износу, привариванию и окислению при больших токовых нагрузках. В связи с повышенным переходным сопротивлением нашли себе применение в высоковольтных, преимущественно в масляных выключателях в условиях сильного дугообразования.
Контакты из композиции медь — графит применяются для контактов, размыкающих токи в 30—80 кА. С целью гарантии от приваривания эти контакты изготавливаются пористыми; они обладают невысокой прочностью, рассчитываются на небольшое число отключений и изготавливаются с медным подслоем.