Медь: удельный вес, свойства, применение и сплавы

Физические и механические свойства меди

Медь – это металл красно-розового цвета с золотистым отливом, занимающий в таблице химических элементов 29-е место и имеющий плотность 8,93 кг/м3. Удельный вес меди составляет 8,93 г/см3, температура кипения – 2657, а плавления – 1083 градусов по Цельсию.

Этот металл имеет высокую пластичность, мягкость и тягучесть. Располагая высокой вязкостью, он отлично куется. Медь относится к достаточно тяжелым и прочным металлам. В чистом виде она хорошо проводит тепло и электричество (уступает только серебру).

Применение меди в электротехнике.

Характеристики основных физико-механических свойств меди

Плотность r , кг/м3
Температура плавления Т пл, °С
Скрытая теплота плавления D Н пл, Дж/г
Теплопроводность l , Вт/ (м Ч град), при 20–100 °С
Удельная теплоемкость Ср , Дж/ (г Ч К), при 20–100 °С	0,375
Коэффициент линейного расширения a Ч 10–6, град–1, при 0–100 °С	16,8
Удельное электросопротивление r Ч 108, Ом Ч м, при 20–100 °С	1,724
Температурный коэффициент электросопротивления, град–1, при 20–100 °С	4,3Ч 10–3
Предел прочности s в, МПа	высокая
мягкой меди (в отожженном состоянии)	190–215
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280–360
Относительное удлинение d , %
мягкой меди (в отожженном состоянии)
твердой меди (в нагартованном состоянии)
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)
твердой меди (в нагартованном состоянии)
Предел текучести s t , МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60–75
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280–340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	630–470
Модуль сдвига G Ч 10–3, МПа	42–46
Модуль упругости Е Ч 10–3, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	117–126
твердой меди (в нагартованном состоянии)	122–135
Температура рекристаллизации, °С	180–300
Температура горячей деформации, °С	1050–750
Температура литья, °С	1150–1250
Линейная усадка, %	2,1
Коррозийная стойкость	Удовл.
Окисление	При выс. t (°С)
Обрабатываемость	высокая

В деформированном состоянии прочность меди выше, чем у отожженного металла, а значения электропроводности понижены.

Медные шины изготавливаются по ГОСТ 434-78. Состояния, в котором поставляются медные шины потребителю: не отожженная (маркировка — Т-твердое), отожженным (М-мягкое) и ТВ-твердые шины, изготовленные из бескислородной меди.

Применение меди в электротехнике.

Медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры, изготовление силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях

) и силовых трансформаторов.

Твердая медь применяется для обеспечения высокой механической прочности, твердости и сопротивляемости истирания: контактные провода, шины распределительных устройств, коллекторные пластины электрических машин, изготовление волноводов и экранов, токопроводящие жилы кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.

Мягкая медь применяется в кабелях для гибкости и пластичности (отсутствие «пружинения» при изгибе): изготовление фольги , токопроводящие жилы круглого и прямоугольного сечения.

Задание №146

Эффектом Холла называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.

Если в магнитное поле с индукцией поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью V в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону (рис. 1).

Действие силы Лоренца на движущийся отрицательный заряд

Рис. 1

На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные (рис. 2).

Действие силы Лоренца на движущийся положительный заряд

Рис. 2

Поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образующаяся разность потенциалов:

Dj = R (BЧI /d),

где I — сила тока;

d — линейный размер образца в направлении вектора B;

R — постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением:

Ēп = R (B ґ j).

Для металлов и примесных полупроводников с одним типом проводимости:

R = A/nq (в СИ), R = A/cnq (в гауссовой системе),

Ē где с = 3*108 м/с — электродинамическая постоянная;

q и n — заряд и концентрация носителей тока;

А — безразмерный числовой коэффициент порядка единицы, связанный со статистическим характером распределения скоростей носителей тока.

По знаку постоянной Холла определяют тип проводимости полупроводника или проводника: при электронной проводимости q = -e (e — заряд электрона) и R < 0; при дырочной проводимости q = e и R > 0. По величине R можно определить концентрацию носителей тока.

Для полупроводников со смешанной проводимостью (n-типа и р-типа) постоянная Холла в общем случае зависит не только от подвижностей и концентраций обоих типов носителей тока — электронов (ue, ne) и дырок (uk, nk) — но и от величины магнитной индукции. Для слабых магнитных полей, т.е. при условии:

B << max(1/ue, 1/uk) (в СИ),

B/c << max(1/ue, 1/uk) (в гауссовой системе),

постоянная Холла равна:

R = (A/e) (uk nk — ue2 ne) / (uknk + uene)2 (в СИ),

R = (A/сe) (uk nk — ue2 ne) / (uknk + uene)2 (в гауссовой системе).

Знак постоянной Холла позволяет определить тип преимущественной проводимости полупроводника.

Химические свойства металла

Химические характеристики, как и механические, магнитные и физические свойства, такие как пластичность, вязкость, удельный вес меди, имеют актуальное значение. Металл обладает малой химической активностью. При небольшой влажности и нормальной температуре у нее высокая коррозийная устойчивость. При нагревании окисляется, образуя оксиды. Во влажной среде, содержащей углекислый газ, медная поверхность покрывается зеленоватой пленкой, содержащей оксид и карбонат металла. Медь вступает в реакцию с галогенами, образуя соли, при комнатной температуре. Легко взаимодействует с серой и селеном. Прекрасно растворяется в азотной и подогретой концентрированной серной кислоте. Без доступа кислорода с разбавленной серной и соляной кислотой не реагирует.

Плотность меди

Значение этой величины, содержащееся в специальной таблице, составляет 8,93*103 кг/м3. Удельный вес меди – не менее важная величина, характеризующая металл. Он составляет, как уже было сказано 8,93 г/см3.

Получается, что значение величин параметров плотности и удельного веса для данного металла совпадают, что не характерно для других материалов. От плотности материала зависит вес изделия, изготовленного из него. Для расчетов массы будущей детали обычно пользуются удельным весом, а не плотностью.

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

ρ = R * S / l, где:

ρ — это удельное сопротивление материала;
R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
S — поперечное сечение;
l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм2/м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм2). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Удельный вес металла

Эта величина, как и плотность, является важным показателем различных материалов, который определяют по имеющимся таблицам. По величине удельного веса меди и ее сплавов можно выгодно подобрать соответствующие металлы для изготовления изделия с заданными параметрами. Такие расчеты обычно проводят на стадии проектирования. Удельный вес как физическая величина вычисляется отношением веса вещества к его объему. Не следует путать эту величину с плотностью, как массу с весом. Зная удельный вес меди или сплава, всегда можно вычислить массу изделия из данного материала.

Механические свойства меди
Механические свойства различных марок меди при стандартных статических испытаниях на растяжение при температуре 20°С незначительно отличаются друг от друга.

Механические свойства бескислородной меди М16 при стандартных статических испытаниях на растяжение приведены в табл. 1.

Табл. 1. Механические свойства бескислородной меди марки М1б


Свойства	Состояние
Свойства	деформированное	отожженое
Временное сопротивление σb , МПа	340…450	220…250
Предел текучести σ0,2 , Мпа	280-420	60-75
Относительное удлинение δ , %	4…6	40…50
Относительное сужение ψ, %	35…45	70…80
Твердость по Бринеллю, HB	90…110	45
Предел выносливости σ-1, Мпа, (Т=108 циклов; kσ*=1)	100…120	70…80
Ударная вязкость KCU, МДж/м2	1,0	1,70

*kσ — коэффициент концентрации напряжений

Влияние степени холодной деформации и температуры отжига на механические свойства меди показано на рис. 1 и 2.

Рис. 1 Влияние степени холодной деформации (%) на механические свойства меди: 1 — кислородсодержащей; 2 — раскисленной фосфором, с высоким остаточным содержанием фосфора

Рис. 2. Влияние температуры отжига (в течение часа) на механические свойства кислородсодержащей меди М1

Содержание кислорода в меди влияет на ударную вязкость и технологическую пластичность.

Например, ударная вязкость горячекатаных медных полос (99.9% Cu) с различным содержанием кислорода составляет:

О2, % 0,026 0,030 0,034 0,042

KCU,кДж/м2 860 560 510 270

Влияние кислорода на технологическую пластичность на примере медной проволоки диаметром 2,6 мм в твердом состоянии и с содержанием меди 99,90% следующее:

Способ получения	Число гибов при радиусе равном 5 мм	Число скручиваний загиба, на длине 152 мм
Бескислородная	12	92
Бескислородная	7	45

Медь и многие ее сплавы имеют зоны пониженной пластичности («провала» пластичности). При этом у кислородсодержащей меди наблюдается явно выраженная зона пониженной пластичности при температурах 300…500°С; у меди, раскисленной фосфором и с большим его остаточным содержанием (0,04%), также наблюдается пониженная пластичность в этом интервале температур. С повышением чистоты меди зона пониженной пластичности уменьшается, а у бескислородной меди высокой чистоты (99,99%) эта зона практически отсутствует. Зона пониженной пластичности отсутствует и у меди, раскисленной бором (0,01% В).

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочность и пластичность, чем при температуре 20°С.

Механические свойства меди, на примере применяемой для электродов контактной сварки, при высоких температурах приведены в табл. 2.

Табл. 2. Механические свойства меди при высоких температурах
Свойства	Температура, °С
Свойства	20	200	300	400	500	600	700
Временное сопротивление σb , МПа	220	200	150	110	70	50	30
Предел текучести σ0,2 , Мпа	60	50	50	40	30	20	10
Относительное удлинение δ , %	45	45	40	38	47	57	71
Относительное сужение ψ, %	90	88	77	73	86	100	100
Твердость по Виккерсу, HV	50	40	38	35	19	1	9
Ударная вязкость KCU, МДж/м2	1,7	1,5	1,4	1,4	1,2	0,9	0,8
Длительная твердость HV (в течение 1 часа)	—	—	—	25	10	6	5

Характеристики упругости. Упругие свойства изотропного материала характеризуются модулями нормальной упругости Е (модуль Юнга), сдвига G и объемного сжатия Есж, а также коэффициентом Пуассона (µ). Значения модулей Е и G в интервале температур 300… 1300К уменьшаются по линейному закону. Лишь в области низких температур наблюдается отклонение от равномерного изменения модулей (табл. 3).

Табл. 3. Модули упругости и сдвига меди при различных температурах
Модули, ГПа	Температура, К
Модули, ГПа	4,2	100	200	300	500	700	900	1100	1300
Е	141	139	134	128	115	103	89,7	76,8	63,7
G	50	49,5	47,3	44,7	37,8	31	24,1	18,5	11,5

Регламентированные механические свойства продукции из меди при различных способах изготовления, состояниях поставки и размерах приведены в табл. 4 — 7.

Как правило, на лентах толщиной менее 0,5 мм, а также на лентах толщиной 0,5… 1,5 мм в мягком состоянии, используемых для штамповки, временное сопротивление и относительное удлинение не определяют, а проводят испытания на выдавливание лунки по Эриксену (см. табл. 5).

Табл. 4. Плоский прокат из меди. Размеры и механические свойства
Продукция, стандарт или технические условия	Марка	Изгот.	Сост. пост.	Толщина, мм	Временное сопротивление σb , МПа	Относительное удлинение δ10, %
Продукция, стандарт или технические условия	Марка	Изгот.	Сост. пост.	Толщина, мм	не менее
Плиты из раскисленной меди, ТУ 48-21-517-85	M1p	ГК	—	75…11О	180	20
Листы общего назначения, ГОСТ 1173-2006	M1, M1p, М1ф, М2, М2р, М3, МЗр	ГК	—	3…25	200	30
		ХК	М	0,05… 12	200…260	36
			ПТ		240…310	12
			Тв		290	3
Листы и полосы повышенного качества ТУ 48-21-664-79	M1	ЛХК	М	3…8	200	36
		ЛГК	—	8…10	200	30
		ПХК	М	3…6	200	36
Шины для электротехнических целей, ГОСТ 434-78	M1	ХК	М	св. 7	—	35
Ленты общего назначения, ГОСТ 1173-2006	M1, M1p, М1ф, М2, M2p, М3, МЗр	ХК	М	0,1…6	200…260	36
			ПТ		240…310	12
			Тв		290	3
Ленты для коаксиальных магистральных кабелей, ГОСТ 16358-79	M1	хк	М	0,16…0,3	210	δ5≥25
Ленты для капсюлей, ГОСТ 1018-77	M1, M1p, М2, M2p	ХК	М	0,35…1,86	200	36
Ленты для электротехн ических целей, ТУ 48-21-854-88	M1, М2	ХК	М	до 0,2	—	—
				0,2…2,5	—	36
				2,5—3,53	—	36
				3,55…5,5	—	36
			Тв	до 0,2	310	—
				0,2…2.5	310	—
				2,5…3,53	284
				3,55…5,5	284	—
Фольга рулонная для технических целей, ГОСТ 5638-75	M1, М2	ХК	Тв	0,015…0,05	290	—
Условные обозначения:
ГК — горячекатаные; ХК — холоднокатаные; ЛХК листы холоднокатаные; Л ГК — листы горячекатаные; ПХК — полосы холоднокатаные; М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв — твердое.

Табл. 5. Характеристики холоднокатаных лент при испытании по Эриксену (радиус пуансона 10 мм)
Ленты	Марка	Состояние	Толщина, мм	Глубина лунки, мм, не менее
Общего назначения, ГОСТ 1173-2006	M1, M1p, М1p, М2, М2р, М3, МЗр	мягкое	0,1…0,14	7
			0,14…0,16	7
			0,16…0,28	8
			0,28…0,55	8,5
			0,55…0,6	9
			0,6…1,1	9,5
			1,1…1,5	10
Радиаторные, ГОСТ 20707-80	M1, М2, М3	мягкое	0,06…0,07	4,5…9.0
			0,08…0,09	6,0…9,0
			0,1	7,5
			0,12…0,15	7,5
			0,17…0,25	8
		твердое	0,1	1,5…3,5
		твердое	0,12…0,15	1,5…3,5
Для электротехнических целей, ТУ 48-21-854-88	M1	мягкое	0,1…0,15	7,5
			0,2…0,25	8
			0,3…0,5	8,2
			0,6…1	9,5

Таблица 6. Трубы и трубки из меди. Размеры и механические свойства
Продукция, стандарт или технические условия	Марка	Изгот.	Сост. пост.	Диаметр, мм / Толщина стенки, мм	Временное сопротивление σb , МПа	Относительное удлинение δ10, %
					не менее
Трубы общего назначения, ГОСТ 617-2006	M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3	ХД	М	3…360 / 0,8…10	200	35
			ПТ		240	8
			Тв		280
		Пр	—	до 200 / 5…30	190	30
				>200 / 5…30	180	30
Трубы квадратные и прямоугольные е круглым отверстием, ТУ48-21-497-81	M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3	Т, П	М	b; h; d	200	35
				15…20,5;
				13.5…14;
				6…12,5
		Пр		b; h; d	190	30
				36…120;
				16…36;
				11…28
Трубы медные, ТУ 48-21-482-85	M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3	Пр	—	30 / 9	190	30
Трубки медные тонкостенные, ТУ 48-21-161-85	M1, М2	Т	М	0,8…2 / 0,15…0,5	210	35
			Тв		—	4
Трубки медные тонкостенные. ГОСТ 11383-75	M1, М2, М3	Т	М	1,5…28 / 0,15…0,7	210	35
			Тв		340	2
Трубы медные круглого сечения для воды и газа ГОСТ 52318-2005	M1p, М1ф	Т	М	6…22 / 0,5…1.5	220	δ10≥40
			ПТ	6…54 / 0,5…2	250	δ10≥20
			Тв	6…267 / 0,5…3	290	δ10≥3
Условные обозначения:
ХД — холоднодеформированные; Пр — прессованные; Т гянутые;
П — прокатанные: М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв — твердое; h, h,d — ширина, высота, диаметр отверстия.

Таблица 7. Прутки, катанка и проволока из меди. Размеры и механические свойства
Продукция,стандарт или технические условия	Марка	Изгот.	Сост. пост.	Размеры, мм	Временное сопротивление σb , МПа	Относительное удлинение δ10, %
Продукция,стандарт или технические условия	Марка	Изгот.	Сост. пост.	Размеры, мм	не менее
Прутки квадратные, ТУ 48-21-97-72	М2	Пр	—	42…94	200	30
Прутки, IOCT 1535-2006	M1, M1p, Мф, М2р, МЗр, М2, М3	Т	М	3…50	200	35
			ПТ		240	10
			Тв		270	5
		Пр	—	20…50	190	30
Профили из бескислородной меди, ТУ 48-21-637-79	М0б	Т	М	b x h 11,4 x 8	200	38
Проволока для заклепок, ТУ 48-21-456-2006	M1, М2	Т	Тв	d 1…2	240	8
Проволока для заклепок, ТУ 48-21-456-2006	M1, М2	Т	Тв	d 2…10,7	240	15
Проволока из бескислородной меди, ТУ 48-21-158-72	М0б	Т	М	d 3,5;4,2	200	30
Проволока крешерная, ГОСТ 4752-79	М0б	ХД	Тв	d 3…10	320…	—
Проволока крешерная, ГОСТ 4752-79	М0б	ХД	Тв	d 3…10	360	—
Проволока для электротехнических целей, ГОСТ 434-78	М0, M1	Т	М	d до 2,5	—	35
				d 2,5…7	—	35
				d 7…10	—	35
				d св. 10	—	35
			Тв	d до 2,5	310	—
				d 2,5…7	290	—
				d 7…10	270	—
				d св. 10	270	—
Катанка медная, ТУ 16705.491-2001	не ниже M1	НЛ	—	d 8…23	160	35
Условные обозначения:
Пр — прессованные; Т — тянутые; ХД — холоднодеформированная; НЛ — непрерывное литье и прокатка;
М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв — твердое; b — ширина; h — высота; d — диаметр.

Основные медные сплавы, используемые в промышленности

По технологическому процессу изготовления медные сплавы делятся на литейные и деформируемые, а в зависимости от химического состава – на бронзы и латуни. В последней основой является медь и цинк, могут быть добавлены и другие элементы. Бронзы – это сплав меди (удельный вес 8,93 г/см3) с другими металлами. Выбор легирующего компонента зависит от конкретного использования изделия.

По содержанию основного компонента медное литье бывает следующих видов:

Оловянная бронза. При производстве применяют закалку и старение для увеличения пластичности и прочности.
Алюминиевая бронза. Обладает антикоррозийными свойствами, отлично деформируется.
Свинцовый сплав. Имеет превосходные антифрикционные свойства.
Латунь. Может состоять из двух или нескольких компонентов.
Медно-никелевый сплав, содержащий цинк. По свойствам и внешнему виду напоминает мельхиор.
Сплав меди с железом. Основное его отличие – высокая пористость.

Основные свойства меди

Свойство меди	Марка меди
МТ	ММ
Удельное сопротивление p, мкОм·м	0,0177 – 0,0180	0,01724
Предел прочности при растяжении sв, МПа	250 – 300	200 – 280
Относительное удлинение δ, %	0,5 – 5,0	18 – 50
Относительное сужение Ψ, %
Твердость по Бринеллю, НВ	65 – 120	35 – 38

Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 10 мкм), легко прокатывается в листы, ленту и фольгу (до 5 мкм), сваривается всеми видами сварки, хорошо паяется и полируется. Недостатками меди являются ее высокая стоимость, большая литейная усадка, горячеломкость, плохая обрабатываемость резанием.
Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц–1). Нагрев выше 185°С вызывает окисление поверхности меди с образованием пленки окисла черного, а затем – красного цвета. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат – гидроксид меди).

Из медной руды получают сырую (черновую) медь, содержащую до 3 % примесей, которые значительно снижают ее электропроводность, поэтому медь, предназначенную для электротехнических целей, рафинируют (очищают), а затем переплавляют в слитки, которые подвергают горячей прокатке и получают катанку. Катанку протягивают через фильеры волочильных досок и получают проволоку заданных профиля и размеров.

Волочением получают твердую нагартованную (твердотянутую) медь (МТ). Наклеп повышает твердость и прочность меди, возрастает удельное электросопротивление, снижается пластичность (см. табл. 2).

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить высокую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных пластин электрических машин, шин для распределительных устройств и т. п.

Рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 550 – 650°С. В результате отжига механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем удельное сопротивление меди. Отжигом получают мягкую (отожженную) медь (ММ), которая пластична и имеет электропроводность на 3 – 5 % выше, чем медь марки МТ. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают удельную проводимость металлов и сплавов (в процентах).

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожильных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т. д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Висмут, свинец и сера – самые вредные примеси меди, вызывающие ее красно- и хладноломкость.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее природы. Например, 0,5 % кадмия (Cd), цинка (Zn) или серебра (Ag) снижают электропроводность меди на 5 %, а бериллий (Be), железо (Fe), кремний (Si) или фосфор (P) – на 55 % и более.

По степени чистоты медь выпускается несколькими марками, основные из них приведены в табл. 3.

Буква «б» означает «бескислородная», с повышенной прочностью; «р» – медь раскислена фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» – медь катодная переплавленная.

В бескислородной меди допускается содержание кислорода не более 0,001 %, большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни». При нагревании меди в атмосфере водорода он взаимодействует с кислородом и образуются пары воды, которые скапливаются в микропорах меди, создают высокое давление, что вызывает разрушение (растрескивание).

Таблица 3

Основные марки меди

Марка меди	Содержание Сu, %, не менее	Марка меди	Содержание Сu, %, не менее
М00 б	99,99	М1 р	99,90
М00	99,96	М2	99,70
М0 б	99,97	М2 р	99,70
М0	99,95	М3	99,50
М1 б	99,95	М3 р	99,50
М1 у	99,90	М4	99,00
М1	99,90

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как у серебра.

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют ее сплавы – латуни и бронзы.

3.4.1.2. Латуни – это сплавы системы «медь – цинк» с максимальным содержанием цинка 45 %. При концентрации цинка до 39 % латуни однофазны, их структура – кристаллы α-твердого раствора цинка в меди. Большее содержание цинка приводит к образованию второй фазы β1-твердого и хрупкого соединения СuZn. Максимальную пластичность имеют однофазные латуни при содержании 30 % цинка, с увеличением содержания цинка пластичность понижается. Прочность латуней растет с увеличением содержания цинка до 45 %, а затем под влиянием твердой и хрупкой β1-фазы резко падает и такие латуни не используются. Латуни, содержащие до 10 % цинка, называются «томпак».

Однофазные латуни со структурой α-твердого раствора обрабатываются давлением только в холодном состоянии. Двухфазные латуни (более 39 % цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии (выше 454 – 468°С), когда твердая и хрупкая β1-фаза переходит в пластичную β-фазу. Латуни могут упрочняться наклепом. Рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 450 – 550°С.

Простые латуни (медь – цинк) маркируются буквой «Л», цифра после которой показывает среднее процентное содержание меди, например, латуни Л96, Л70 однофазны, а Л60 двухфазна.

Легированные латуни называются сложными или специальными, в их марке после буквы «Л» записывается начальная буква названия элемента и цифра – его среднее процентное содержание. Некоторые составы латуней приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные марки латуней

Марка латуни	Структура	Прочность σв, МПа	Пластичность δ, %
Н	М	Н	М
Л80	α
Л70	α
Л62	α + β
ЛО70-1	α
ЛН65-5	α
ЛАЖ60-1-1	α + β
ЛС59-1	α + β

Примечание: Н – после наклепа (степень деформации 50 %); М – после отжига 550°С.

Оловянистые латуни обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Листами из этих латуней обшивали днища судов парусного флота, поэтому их называют «морская», «корабельная», «адмиралтейская», например ЛО70-1 и ЛО62-1.

Никелевая латунь ЛН65-5 обладает высокими антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и вязкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.

Алюминиевые латуни содержат до 4,5 % алюминия, однофазны (например, ЛА77-2), хорошо обрабатываются давлением, их легируют железом, никелем, марганцем ЛАН 59-3-2, ЛАЖ 60-1-1, ЛЖМц 59-1-1.

Свинцовистые латуни получили название «автоматные» (ЛС74-3, ЛС59-1, ЛЖС58-1-1), их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой с последующей обработкой на станках-автоматах.

Из латуней получают проволоку, прутки, листы, ленту, полосы, они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, болтов, шпилек, шайб, упругих элементов штепсельных разъемов и т. п.

3.4.1.3. Бронзы – это сплавы меди с оловом, кадмием, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами. Маркируют бронзы буквами «Бр», затем ставятся буквы, указывающие химические элементы, и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, БрБ2 – бериллиевая бронза, содержит 2 % бериллия; БрОЦС4-4-2,5 – оловянно-цинково-свинцовая бронза, содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца.

Атомы химических элементов, внедряясь в кристаллическую решетку меди, деформируют ее, увеличивая количество несовершенств, затрудняют подвижность дислокаций, повышая прочность и твердость, поэтому удельное сопротивление бронз, как и латуней, больше, чем у чистой меди. Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь и латунь. При определенном содержании вводимых компонентов отожженные бронзы пластичны (табл. 5) и хорошо поддаются пластической деформации (волочению, прокатке).

Таблица 5

Основные марки бронз

Марка бронзы	Уд.проводимость γ, % по отношению к меди	Прочность σв, МПа	Пластичность δ, %
Н	М	Н	М	Н	М
БрКд0,9	85 – 90	700 – 7 730	300 – 310
БрКд0,08-0,6	50 – 55	55 – 60	700 – 730	290 – 300
БрБ2	8 – 10	30 – 35	1000 – 1100	490 – 500
БрОФ6,5-0,15	10 – 15	25 – 30	700 – 750	350 – 400
БрОЦ4-3	10 – 15	25 – 30
БрОЦС4-4-2,5	8 – 10

Примечание: Н – после наклепа; М – после рекристаллизационного отжига. Для бронзы БрБ2 – М – после закалки в воде; Н – после процесса старения.

Кадмиевая бронза (БрКд 0,9, см. табл. 4) при небольшом снижении удельной электропроводности обладает высокими механическими свойствами: прочностью, твердостью, износостойкостью. Эту бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и коллекторных пластин в электрических машинах.

Бериллиевая бронза БрБ2 (см. табл. 5) упрочняется термообработкой. После закалки с температуры 780°С в воде имеет высокую пластичность δ (до 45 %). Старение (отпуск) при температуре 300 – 350°С в течение 2 – 3 ч увеличивает прочность до 1100 МПа и твердость – до НВ350 – 400. Эта бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и износу, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой, поставляется в виде деформированных полуфабрикатов (полос, прутков, проволоки), используется для изготовления упругих элементов электроприборов (плоских пружин, пружинящих электроконтактов, мембран, деталей, работающих на износ, и т. п.). Недостаток бериллиевой бронзы – высокая стоимость.

Оловянные бронзы – сплавы меди с оловом с добавлением фосфора, цинка, свинца. Фосфор повышает твердость и прочность, цинк удешевляет бронзу (как заменитель олова), растворяясь в меди, на структуру не влияет, свинец улучшает обрабатываемость резания. При содержании олова до 5 – 6 % бронзы однофазны, их структура – кристаллы α-тердого раствора олова в меди. Эти бронзы пластичны, используются как деформируемые (см. табл. 5).

Указанные в табл. 5 марки оловянных бронз обладают пластичностью, обрабатываются давлением, из них получают ленты, полосы, прутки, проволоку для изготовления токопроводящих изделий.

Все другие составы бронз используются как конструкционный литейный материал для получения отливок и в электротехнике имеют весьма ограниченное применение.

Среди бронз отдельную группу составляют сплавы меди с никелем. Сплавы электротехнические – это сплавы высокого электросопротивления: манганин МНМц3-12, константан МНМц40-1,5 и копель МНМц45-0,5.

К сплавам конструкционным относятся сплавы мельхиор МН19 (19 – 20 % никеля) и нейзильбер МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка), они обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, применяются в приборостроении, для изготовления бытовых изделий, посуды и украшений.

Для изделий высокой прочности и коррозионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель, содержащий кроме меди и никеля железо и марганец – МНЖМц68-2,5-1,5 (68 % никеля, 2,5 % железа и 1,5 % марганца).

3.4.2. Алюминий и его сплавы

3.4.2.1. Алюминий – серебристо-белый металл. Содержание в земной коре – 8,8 %, легкий (2,7 Мг/м3) и легкоплавкий, температура плавления – 660°С, полиморфизмом не обладает, кристаллическая решетка ГЦК. По электропроводности занимает третье место после серебра и меди. Преимущество алюминия как проводникового материала в том, что он дешевле меди, его удельное сопротивление в 1,63 раза больше, а плотность – в 3,5 раза меньше меди, что важно для подвесных проводов и электротехнических конструкций. Удельное электросопротивление алюминия: 0,0280 – 0,0290 мкОм·м.

Примеси существенно снижают удельную электропроводность алюминия. Присутствие в алюминии никеля, кремния, цинка или железа в количестве до 0,5 % снижает электропроводность на 2 – 3 %, меди, серебра, магния, в том же количестве, – уже на 5 – 10 %, а титан, ванадий и марганец снижают электропроводность еще больше.

Алюминий стоек к азотной, органическим и пищевым кислотам. Соляная, серная кислоты и щелочи разрушают алюминий, на воздухе он быстро покрывается тонкой плотной пленкой оксида алюминия A2О3, которая защищает его от коррозии. Пленка, имея высокое сопротивление в месте контакта проводников, создает высокое переходное сопротивление. Это ее отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными припоями. Алюминий хорошо поддается прокатке и волочению. Из него получают проволоку (круглую диаметром 0,08 – 10 мм, прямоугольную, сегментную), пластины, ленту и фольгу (толщиной 5 – 7 мкм). Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП – твердая повышенной прочности, АТ – твердая, АПТ – полутвердая, АМ – мягкая.

Алюминий имеет высокую отражательную способность и широко используется в рефлекторах, прожекторах, фарах и т. п., хорошо сваривается, плохо обрабатывается на станках и имеет низкие литейные свойства (большая усадка – 6 %).

Механические свойства отожженного алюминия высокой частоты: σв = = 50 МПа, d = 50 %, технического алюминия: σв = 90 МПа, δ = 35 %, НВ20 – 25. Холодная прокатка и волочение (наклеп, нагартовка) значительно изменяют механические свойства алюминия: σв =160 – 170 МПа, δ = 5 – 6 %, НВ30 – 35. Рекристаллизационный отжиг алюминия проводят при температуре 350 – 400°С.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. Например, А97 содержит алюминия 99,97 %, остальное – контролируемая примесь. Различают три класса алюминия: 1. Особой чистоты – марка А999 (99,999 % чистого алюминия). 2. Химической чистоты – А995, А99, А97, А95 (содержание алюминия – не менее 99,95 %). 3. Технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, АО, АЕ.

Чем выше чистота алюминия, тем сложнее и дороже его получение. В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не превышать 0,5 %.

Алюминий по отношению к большинству металлов обладает отрицательным электродным (электрохимическим) потенциалом, который равен 1,67 В (у меди +0,34 В). Поэтому алюминий, находясь в контакте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других металлов необходимо защищать от влаги – покрывать лаком и т. п.

3.4.2.2. Деформируемые сплавы алюминия, не упрочняемые термической обработкой, – это сплавы алюминия с марганцем (АМц) или с магнием (АМг), характеризуются коррозионной стойкостью, хорошо свариваются, а структура твердого раствора обеспечивает их высокую пластичность (легко обрабатываются давлением в холодном состоянии).

Сплав АМц (1,0 – 1,6 % Mn) превосходит чистый алюминий по прочности и коррозионной стойкости. Магний (1,8 – 6,8 %) значительно повышает прочность, не снижая пластичности сплавов АМг (табл. 6), и делает их более легкими.

Таблица 6

Свойство меди	Марка меди
МТ	ММ
Удельное сопротивление p, мкОм·м	0,0177 – 0,0180	0,01724
Предел прочности при растяжении sв, МПа	250 – 300	200 – 280
Относительное удлинение δ, %	0,5 – 5,0	18 – 50
Относительное сужение Ψ, %
Твердость по Бринеллю, НВ	65 – 120	35 – 38

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц–1). Нагрев выше 185°С вызывает окисление поверхности меди с образованием пленки окисла черного, а затем – красного цвета. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат – гидроксид меди).

Висмут, свинец и сера – самые вредные примеси меди, вызывающие ее красно- и хладноломкость.

По степени чистоты медь выпускается несколькими марками, основные из них приведены в табл. 3.

Таблица 3

Основные марки меди

Марка меди	Содержание Сu, %, не менее	Марка меди	Содержание Сu, %, не менее
М00 б	99,99	М1 р	99,90
М00	99,96	М2	99,70
М0 б	99,97	М2 р	99,70
М0	99,95	М3	99,50
М1 б	99,95	М3 р	99,50
М1 у	99,90	М4	99,00
М1	99,90

Таблица 4

Основные марки латуней

Марка латуни	Структура	Прочность σв, МПа	Пластичность δ, %
Н	М	Н	М
Л80	α
Л70	α
Л62	α + β
ЛО70-1	α
ЛН65-5	α
ЛАЖ60-1-1	α + β
ЛС59-1	α + β

Примечание: Н – после наклепа (степень деформации 50 %); М – после отжига 550°С.

Таблица 5

Основные марки бронз

Марка бронзы	Уд.проводимость γ, % по отношению к меди	Прочность σв, МПа	Пластичность δ, %
Н	М	Н	М	Н	М
БрКд0,9	85 – 90	700 – 7 730	300 – 310
БрКд0,08-0,6	50 – 55	55 – 60	700 – 730	290 – 300
БрБ2	8 – 10	30 – 35	1000 – 1100	490 – 500
БрОФ6,5-0,15	10 – 15	25 – 30	700 – 750	350 – 400
БрОЦ4-3	10 – 15	25 – 30
БрОЦС4-4-2,5	8 – 10

3.4.2. Алюминий и его сплавы

Таблица 6

Удельный вес электротехнической меди

Такой она получается после очистки от примесей. Самое малое содержание каких-либо металлов в ней значительно снижает ее электропроводность. Так, например, содержание 0,02 % алюминия понижает проводимость до 10 %, несмотря на то, что этот металл неплохо проводит электрический ток. Самыми важными характеристиками материала являются:

удельный вес меди;
сопротивление электрическое;
температура плавления.

Для нужд электротехники используют технически чистый металл, который содержит от 0,02 до 0,04 % кислорода, а изделия с высокой проводимостью тока изготавливают из особой, бескислородной меди. Для электротехнических изделий (обмотки трансформаторной, провода, кабельной жилы, шин электротехнических) используют разные сорта металла.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные.

В электротехнике значение имеют 2 термина:

Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Вам это будет интересно Коэффициент измерения цветопередачи

Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных

Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.

Применение меди и ее сплавов в народном хозяйстве

Высокая прочность, удельный вес меди, отличная электропроводность, хорошая механическая обрабатываемость – все это позволяет использовать ее во многих сферах производства:

Строительная – прекрасно совмещается с кирпичом, деревом, стеклом, камнем. Имеет длительный срок службы, не боится коррозии.
Электротехническая – провода, кабели, электроды, шины.
Химическая – изготавливают детали для аппаратуры и инструменты.
Металлургическая – производство сплавов. Самый востребованный – латунь. Она тверже меди, хорошо куется, обладает вязкостью. Из нее штампуют различные формы и прокатывают в тонкие листы.
Художественная – медные чеканки, бронзовые статуи.
Бытовая – использование для изготовления посуды, труб.

Хочу все знать

При ответе на вопрос, что собой представляет электротехническая медь, совсем не обязательно изучать лекции по такой науке, как химия, и заучивать определенные прописные термины. Достаточно обратить внимание на самые важные технические и эксплуатационные характеристики меди. Стоит рассмотреть основные методы ее получения, сферу применения, а также упомянуть о тех, кто занимается производством меди, предназначенной для нужд мировой электротехнической промышленности.

Если учесть тот факт, что примерно 80% от всей добываемой сейчас меди получаются в итоге переработки разных сульфидных руд, можно отметить, что материал отличается повышенными показателями себестоимости. Она обычно оправдана достаточно широким спектром ее использования.

Основные характеристики меди – электротехнической и стандартной

Медь, как материал, имеет по всем параметрам уникальное сочетание самых разных свойств. Среди них можно отметить такие преимущественные характеристики, как:

Идеальные параметры стойкости к разрушительной коррозии;
Высокий уровень эластичности;
Наличие привлекательного цвета, а также фактуры;
Высокие параметры проводимости тепла;
Идеальная электропроводность.

После того, как медь полностью очищается от разнообразных примесей, она принимает розоватый оттенок на изломе, а также становится очень мягкой по структуре. Удаление большого количества разнообразных примесей в значительной степени повышает ее электро- и теплопроводность. По этой причине большая часть всей изготовленной меди идет на то, чтобы из нее были изготовлены разные электротехнические изделия.

В большом количестве случаев для достижения основных электротехнических нужд используется специальная чистая с технической точки зрения медь. В ней содержится примерно 0,02-0,04% кислорода. Для изделий, которые требуют максимальных показателей электропроводности, используют специальную, не имеющую в своем составе кислород, медь.

Среди самых важных качественных характеристик можно отметить такие факторы, как:

Удельный вес примерно равен 8,93 г/cм3;
Параметры сопротивления при 20 градусах равны примерно 0,0167 Ом х мм2/м;
Показатели температуры для эффективного плавления, которая составляет 1083 градусов.

В настоящее время предприятия из качественной меди производят самые разные изделия, к которым можно отнести провода, кабели, обмотки для трансформаторов, а также электротехнические шины.

Основные методы получения меди

Качественная электротехническая медь представляет собой чистый металл, потому что любая, даже незначительная примесь значительно снижает показатели электропроводности. Например, всего 0,002 % такого вещества, как алюминий, несмотря на то, что он тоже является проводником, в состоянии привести к тому, что степень проводимости снизится примерно на 10%. Чего уж говорить о тех примесях, которые не являются проводниками вообще. Именно по этой причине любой технический брак не может быть допустимым.

Чтобы получить максимально качественную и чистую медь, используется метод, который называется электрорафинированием, он основан на таком процессе, как электролиз. Производятся идеальные условия, способствующие отделению примесей от частиц самой меди. Обычно они оседают на одном каком-то электроде, потому в результате можно получить особую электромеханическую медь, чистота которой составляет 99,999%, от требуемого уровня, предназначенного для разных электротехнических нужд.

Можно отметить еще одну достаточно важную сферу применения – изготовление сплавов на основе меди или с добавлением ее. Интересным является то, что мягкая по структуре медь в сочетании с иными металлами образует совершенно не мягкие, но, наоборот, очень твердые сплавы, то есть растворы. В них атомы от разнообразных металлов распределяются очень равномерно.

Если добавить в красную медь специальный продукт огневого процесса рафинирования, добавление небольшого количества мышьяка серьезно увеличит параметры ее прочности, но одновременно с этим будут ухудшены возможности такого процесса, как сварка.

Область применения меди

По показателям востребованности, весь объем меди, которая потребляется на мировом рынке, «расходится» в таких пропорциях:

Современная электротехника и подобные качественные изделия – примерно 70%;
Конструкционные элементы строительных объектов – 15%;
Детали от машин и иных элементов – около 5%;
Разнообразные транспортные области составляют 4%;
На все остальное и на военные нужды в том числе приходится примерно 6%.

Относительно отраслей современной промышленности, то здесь первое место отведено именно строительству. К ней относится около 40% от общего объема меди, которая производится на данный момент.

Такая область современной промышленности, как электроника, забирает примерно 25%, на сферу машиностроения приходится 14 %, а на транспортную область около 11%. На широко потребление идет остаток в 9%.

Так как низкокислородная и не имеющая кислорода медь обладает идеальными литьевыми качествами, она может применяться в процессе изготовления выполненных из мели труб, для производства химико-технологического качественного современного оборудования, производительных автомобильных радиаторов и стандартных бытовых труб водопровода.

Производители качественной меди

Вся медь должна полностью соответствовать требованиям ГОСТа 434-78. По ним выпускают специальные медные шины такие промышленные предприятия, как:

ГМК «Норильский никель», являющийся одним из самых крупным и основных производителей на территории России;
Холдинг УГМК;
ЗАО «Русская медная компания». В компании находится 11 предприятий в Казахстане и четырех крупных областей России.

Это крупные предприятия, но есть и более мелкие.

Разнообразные полезные детали

Общая технология изготовления медных шин является одинаковой на всех без исключения предприятиях, но современного покупателя интересует стоимость, которая при высоком качестве будет более доступной. Стоит отметить, что современные предприятия России соревнуются не в параметрах качества, так как оно у всех довольно высокое, но исключительно в стоимостной политике.

Чтобы достигнуть определенных условий в процессе работы основных токоведущих деталей, при изготовлении применяются разные инновационные решения и современные технические подходы:

Полоса коллектора, то есть определенный сплав серебра и качественной меди, который превосходит обычную чистую по качеству медь по основным техническим и эксплуатационным качествам;
Электротехнические используемые в промышленности профили, имеющие прямоугольную форму особого назначения;
Совершенно твердые, имеющие чистую поверхность и полутвердые шины;
Есть шины со специальным закруглением всех малых по параметрам сторон производимого сечения и так далее.

По причине подобного закругления можно достигнуть стойкости присутствующего покрытия изоляции, так как нет каких-либо резких по форме изгибов на всех углах. Также серьезно экономится общее количество меди без одновременной потери качественной проводимости. Еще одним преимуществом является эффективное распределение всей токовой нагрузки, причем максимально одинаково по всему сечению.

Шины, которые имеют более высокую чистоту всей присутствующей поверхности, предназначены для определенного электролитического покрытия участка следующего контакта серебром. Таким образом, можно достигнуть значительного снижения величины общего показателя сопротивления контакта.

По вопросам приобретениря кабелей из качественной электротехнической меди:

Медные руды

В природных условиях медь чаще всего встречается в соединениях, но попадается и в виде самородков. К минералам, которые являются основными ее источниками, относятся:

Куприт – минерал оксидной группы.
Малахит – известен как поделочный камень, содержит карбонат меди. Российский малахит – углекислая медная зелень пользуется большой популярностью.
Азурит – синего цвета минерал, часто сращивается с малахитом, обладает высокой твердостью.
Медный колчедан и медный блеск – содержат сульфид меди.
Ковеллин – относится к сульфидным породам, первоначально был обнаружен около Везувия.

Медные руды добывают, в основном, открытым способом. В них может содержаться 0,4-1,0 % меди. По ее производству мировым лидером является Чили, дальше следуют Соединенные Штаты Америки, Россия, Канада, Казахстан.

Руководство по материалам электротехники для всех: проводники — Серебро, Медь, Алюминий.

Экология познания. Технологии: Публикуем по частям руководство по материалам, используемым не только в электротехнике, но и вообще в технике, в том числе самодельщиками. С описанием, примерами применения, заметками по работе. Руководство написано максимально просто, и будет понятно всем, от школьника до пенсионера.

Публикуем по частям руководство по материалам, используемым не только в электротехнике, но и вообще в технике, в том числе самодельщиками. С описанием, примерами применения, заметками по работе. Руководство написано максимально просто, и будет понятно всем, от школьника до пенсионера. В этой части начинаем разбирать проводники — Серебро, Медь, Алюминий.

Проводники

Двадцатый век — век пластмасс. До появления широкого спектра синтетических полимерных материалов, человек использовал в конструировании металлы и материалы природного происхождения — дерево, кожу и т.д. Сегодня мы завалены пластмассовыми изделиями, начиная от одноразовой посуды, заканчивая тяжелонагруженными деталями двигателей автомобилей. Пластмассы во многом превосходят металлы, но никогда не вытеснят их полностью, поэтому рассказ начнется с металлов. Металлам посвящены сотни книг, дисциплина, посвященная им, называется «металловедение».

Нас интересуют металлы с точки зрения электронной техники. Как проводники, как часть электронных приборов. Все остальные применения — например такие, как конструкционные материалы, в данное пособие пока не вошли.

Главное для электронной техники свойство металлов — это способность хорошо проводить электрический ток. Посмотрим на таблицу удельного сопротивления различных металлов:

Металл	Удельное сопротивление Ом*мм2/м
Серебро	0,015…0,0162
Медь	0,01724…0,018
Золото	0,023
Алюминий	0,0262…0,0295
Иридий	0,0474
Вольфрам	0,053…0,055
Молибден	0,054
Цинк	0,059
Никель	0,087
Железо	0,098
Платина	0,107
Олово	0,12
Свинец	0,217…0,227
Титан	0,5562…0,7837
Висмут	1,2

Видим лидеров нашего списка: Ag, Cu, Au, Al.

Серебро

Ag — Серебро. Драгоценный металл. Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению с медью, при разнице в цене почти в 100 раз.

Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-за скинэффекта течет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие волновода серебром дает больший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока.

В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, стоимость этой малой добавки серебра к стоимости изделия незначительно. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делает целесообразным работу бокорезами по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа.

Контакты силового реле на 16 Ампер. Согласно документации производителя контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия.

В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод «вжигания»).

Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила часто содержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворитель испаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящие мостики, по которым может протекать ток.

Недостатки

Несмотря на то, что серебро — благородный металл, он окисляется в среде с содержанием серы: 4Ag + 2H2S + O2 → 2Ag2S + 2H2O

Образуется темный налет — «патина». Также источником серы может служить резина, по- этому провод в резиновой изоляции и посеребренные контакты — плохое сочетание. Потемневшее серебро можно очистить химически. В отличии от чистки абразивными пастами (в том числе зубной пастой) это самый нежный способ чистки, не оставляющий царапин.

Медь

Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии.

Примеры применения

Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно — чистейшая медь.

Гибкие многожильные провода различного сечения.

Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.

Теплоотводы. Медь не только на 56% лучше алюминия проводит ток, но ещё имеет почти вдвое лучшую теплопроводность. Из меди изготавливают тепловые трубки, радиаторы, теплораспределяющие пластины. Так как медь дороже алюминия, часто радиаторы делают составными, сердцевина из меди, а остальная часть из более дешевого алюминия.

Радиаторы охлаждения процессора. Центральный стержень изготовлен из меди, он хорошо отводит тепло от кристалла процессора, а алюминиевый радиатор с развитым оребрением уже охлаждает сам стержень.

При изготовлении фольгированных печатных плат. Печатные платы, в любом электронном устройстве изготовлены из пластины диэлектрика, на который наклеена медная фольга. Все соединения между элементами печатной платы выполнены дорожками из медной фольги.

Техника сверхвысокого вакуума. Из металлов и сплавов только нержавеющая сталь и медь пригодны для камер сверхвысокого вакуума в таких приборах, как ускорители элементарных частиц или рентгеновские спектрометры. Все остальные металлы в вакууме слегка испаряются и портят вакуум.

Аноды рентгеновских трубок. В рентгеноструктурном анализе требуется монохроматическое рентгеновское излучение. Его источником зачастую является облучаемая электронами медь (спектральная линия Cu Kα), которая к тому же прекрасно отводит тепло. Если же требуется другое излучение (Co или Fe), его получают от маленького кусочка соответствующего металла на массивном медном теплоотводе. Такие аноды всегда охлаждаются проточной водой.

Интересные факты о меди

Медь — достаточно дорогой металл, поэтому недобросовестные производители стараются экономить на нем. Занижают сечение проводов (когда написано 0,75 мм2, а фактически 0,11 мм2). Окрашивают алюминий «под медь» в обмотках, внешне обмотка выглядит как медная, а стоит соскрести изоляцию — оказывается, что она сделана из алюминия. Этим грешат и китайские, и отечественные производители, кабель сечением 2,5 мм2 вполне может оказаться сечением 2,3 мм2, поэтому запас прочности и входной контроль не будут лишними. Разумеется, надежность контакта в электроарматуре жилы сечением 2,3 мм2, рассчитанной на жилу 2,5 мм2, будет невысокой.
Медь окрашивает пламя в зелёный цвет, это свойство использовали для обнаружения меди в руде, когда не был доступен химический анализ. Зеленый след в пламени — показатель наличия меди. (но не всегда, зеленую окраску пламени могут давать ионы бора)
Медь — мягкий металл, но если добавить к меди хотя бы 10% олова, получается твёрдый, упругий сплав — бронза. Именно освоение получения бронзы послужило названием к исторической эпохе — бронзовому веку. Добавка к меди бериллия дает бериллиевую бронзу — прочный упругий сплав, из которого изготавливают пружинящие контакты.
Медь — один из немногих мягких металлов с высокой температурой плавления, поэтому из меди изготавливают уплотнительные прокладки, например для высокотемпературной или вакуумной техники. Например, уплотнительная прокладка пробки картера двигателя автомобиля.
При механической обработке (например волочении) медь уплотняется и становится жёсткой. Для восстановления исходной мягкости и пластичности медь «отжигают» в защитной атмосфере, нагревая до 500-700 °C и выдерживая некоторое время. Поэтому некоторые медные изделия твёрдые, а некоторые мягкие, например медные трубы.
Медь не даёт искр. Для работы во взрывоопасных местах, например на газопроводе, используют искробезопасный инструмент, стальной инструмент покрытый слоем меди или инструмент изготовленный из сплавов меди — бронз. Если таким инструментом случайно чиркнуть по стальной поверхности он не даст опасных искр.
Так как температурный коэффициент сопротивления для чистой меди известен, из меди изготавливают термометры сопротивления (тип ТСМ — Термометр Сопротивления Медный, есть еще ТСП — Термометр Сопротивления Платиновый). Термометр сопротивления — это точно изготовленный резистор, навитый из медной проволоки. Измерив его сопротивление, можно по таблице или по формуле определить его температуру достаточно точно.

Алюминий

Al — Алюминий. «Крылатый металл» четвертый по проводимости после серебра, золота и меди. Алюминий хоть и проводит ток почти в полтора раза хуже меди, но он легче в 3,4 раза и в три раза дешевле. А если посчитать проводимость, то эквивалентный медному проводник из алюминия будет дешевле в 6,5 раз! Алюминий бы вытеснил медь, как проводник везде, если бы не пара его противных свойств, но об этом в недостатках.

Чистый алюминий, как и чистое железо, в технике практически не применяется (исключения — провода и фольга). Любой «алюминиевый» предмет состоит из какого-нибудь сплава алюминия. Сплавы могут содержать кремний, магний, медь, цинк и другие металлы. Их свойства отличаются очень сильно, и это необходимо учитывать при обработке. Ниже перечислены несколько самых распространенных марок алюминия:

1199. Чистый 99,99% алюминий. Бывает почти исключительно в виде фольги.
1050 и 1060. Чистый 99,5% и 99,6% соответственно. Из-за высокой теплопроводности иногда используется как материал для радиаторов. Мягок, легко гнется. Провода, пищевая фольга, посуда.
6061 и 6082. Сплавы: 6061 — Si 0,6%, Mg 1,0%, Cu 0,28%, 6082 — Si, Mg, Mn. Первый более распространен в США, второй — в Европе. Легко точить, фрезеровать. Наилучший материал для самоделок. Прочен. Легко поддается сварке, паяется твердыми припоями. Легко анодируется. Плохо гнется. Не годится для литья.
6060. Состав: Mg, Si. Более мягок, чем 6061 и 6082, при обработке резанием слегка «пластилиновый», за что его не любят токари. Распространен и дешев, других особых преимуществ не имеет. Дешевый алюминиевый профиль из непонятного сплава имеет хорошиешансы оказаться им.
5083. Сплав с магнием (>4% Mg). Отличная коррозионная стойкость, устойчив в морской воде. Один из лучших вариантов для деталей, работающих под дождем. Тоже может встретиться в магазине стройматериалов, наряду с другими подобными марками.
44400, он же «силумин». Сплав с большим процентом кремния (Si >8%). Литейный. Низкая температура плавления, при пайке твердыми припоями риск расплавить саму деталь. Хрупок, при изгибе ломается. На изломе видны характерные кристаллы.
7075. 2,1-2,9% Mg, 5,1-6,1% Zn, 1,2-1,6% Cu. Очень своеобразный сплав, отличается даже цветом (пленка окислов слегка золотистая). Неожиданно твердый для алюминия, по твердости сравним с мягкой сталью. Плохо анодируется. Не паяется вообще. Не сваривается вообще. Не гнется и не куется вообще. Не годится для литья. Резанием обрабатывает ся отлично, прекрасно полируется. Хорош для ответственных деталей. Используется для винтов в велосипедах, в оружии (материал многих деталей винтовки M16).

Относительно невысокая температура плавления (660 °C у чистого, меньше 600 °C у литейных сплавов) алюминия делает возможным отливку деталей в песочные формы в условиях гаража/мастерской. Однако многие марки алюминия не годятся для литья.

Примеры применения

Провода. Алюминий дешев, поэтому толстые силовые кабели, СИП, ЛЭП выгодно делать из алюминия. В старых домах квартирная проводка сделана алюминиевым проводом (с 2001 года ПУЭ запрещает в квартирах использовать алюминиевый провод, только медный, см ПУЭ 7 издание п. 7.1.34) Также алюминий не используется как проводник в ответственных применениях.

Слева старый алюминиевый провод. Справа алюминиевые кабели различного сечения, пригодные для укладки в грунт. В частности кабелем справа был подключен к электроэнергии целый этаж здания. Кабель помимо наружной резиновой оболочки имеет бронирующую стальную ленту, для защиты нижележащей изоляции от повреждений, к примеру лопатой при раскопке.

Теплоотводы. Не только домашние батареи делают из алюминия, но и радиаторы у микросхем, процессоров, делают из алюминия.

Различные алюминиевые радиаторы.

Корпуса приборов. Корпус жёсткого диска в вашем компьютере отлит из алюминиевого сплава. Небольшая добавка кремния улучшает прочностные качества алюминия, сплав силумин — это корпуса жёстких дисков, бытовых приборов, редукторов и т. д.

Анодированный алюминий (алюминий, у которого электрохимическим путем окисная пленка на поверхности сделана потолще и прочнее) хорошо окрашивается и просто красив. Окисная пленка (Al2O3 — из того же вещества состоят драгоценные камни рубины и сапфиры) достаточно твёрдая и износостойкая, но к сожалению алюминий под ней мягок, и при сильном воздействии ломается как лёд на воде.

Экраны. Электромагнитное экранирование часто делается из алюминиевой фольги или тонкой алюминиевой жести. Можете провести простой эксперимент, мобильный телефон завернутый в фольгу потеряет сеть — он будет заэкранирован.

Отражающее покрытие у зеркал. Тонкая пленка алюминия на стекле отражает 89% падающего света (примерное значение, зависит от условий) (Серебро 98%, но на воздухе темнеет из-за сернистых соединений). Любой лазерный принтер содержит вращающееся зеркало, покрытое тонким слоем алюминия.

Зеркала от оптической системы планшетного сканера. Обратите внимание, оптические зеркала имеют металлизацию стекла снаружи, в отличии от привычных бытовых зеркал, где отражающее покрытие для защиты за стеклом. Бытовые зеркала дают двойное отражение — от поверхности стекла и от отражающего покрытия, что не так критично в быту, как защищенность отражающего покрытия.

Электроды обкладок конденсаторов. Алюминиевая фольга, разделенная слоем диэлектрика и туго свернутая в цилиндр — часть электрических конденсаторов (впрочем, для уменьшения габаритов конденсаторов фольгу заменяют алюминиевым напылением). Тот факт, что пленка оксида алюминия тонкая, прочная и не проводит ток, используется в электролитических конденсаторах, обладающими огромными для своих габаритов электрическими емкостями.

Недостатки

Алюминий — металл активный, но на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет металл от разрушения и скрывает его активную натуру. Если не дать алюминию формировать стабильную защитную пленку, например капелькой ртути, алюминий активно реагирует с водой. В щелочной среде алюминий растворяется, попробуйте залить алюминиевую фольгу средством для прочистки труб — реакция будет бурная, с выделением взрывоопасного водорода. Химическая активность алюминия, в паре с большой разницей в электроотрицательности с медью делает невозможным прямое соединение проводов из этих двух металлов. В присутствии влаги (а она в воздухе есть почти всегда) начинает протекать гальваническая коррозия с разрушением алюминия.

Два идентичных трансформатора от микроволновых печей. Левый вышел из строя по причине алюминиевых обмоток — отгорел провод от контакта — алюминий плохо паяется мягкими припоями, попытка обеспечить контакт также как и у медного провода привела к поломке.

Алюминий ползуч. Если алюминиевый провод очень сильно сжать, он деформируется и сохранит новую форму — это называется «пластическая деформация». Если сжать его не так сильно, чтобы он не деформировался, но оставить под нагрузкой надолго — алюминий начнет «ползти» меняя форму постепенно. Это пакостное свойство ведет к тому, что хорошо затянутая клемма с алюминиевым проводом спустя 5-10-20 лет постепенно ослабнет и будет болтаться, не обеспечивая былого электрического контакта. Это одна из причин, почему ПУЭ запрещает тонкий алюминиевый провод для разводки электроэнергии по потребителям в зданиях. В промышленности не сложно обеспечить регламент — так называемая «протяжка» щитка, когда электрик периодически проверяет затяжку всех клемм в щитке. В домашних же условиях, обычно пока розетка с дымом не сгорит — никто и не озаботится качеством контакта. А плохой контакт — причина пожаров.

Алюминий, по сравнению с медью, менее пластичный, риска от ножа на жиле, при сьёме изоляции с провода быстрее приведет к сломавшейся жиле, чем у меди, поэтому изоляцию с алюминиевых проводов надо счищать как с карандаша, под углом, а не в торец.

Интересные факты об алюминии

Алюминий — хороший восстановитель, что используется для восстановления других металлов, например титана из состояния диоксида. Теодор Грей (Настоятельно рекомендую книги Теодора Грея «Элементы. Путеводитель по периодической таблице», «Научные опыты с периодической таблицей», «Эксперименты. Опыты с периодической таблицей». Они очень хорошо сделаны визуально, и опыты в них не приторно безопасные, как в большинстве современных пособий, могут и бабахнуть.) в домашних условиях проводил такой опыт. В смеси с окислом железа алюминиевая пудра образует термит— адская смесь, которая горит разогреваясь до 2400°С при этом восстанавливается железо и весело стекает вниз, что используется для сварки рельсов, иным способом такой кусок железа качественно и быстро не прогреть. Термитные карандаши позволяют в полевых условиях сваривать провода, а бравый спецназовец термитной горелкой пережжет дужку самого крепкого замка.
Чтобы сделать бисквит нежным и воздушным используется пекарский порошок. Такой же порошок есть для того, что бы сделать пористым бетон — Алюминий + щелочь.
Алюминий — активный металл, но он быстро покрывается окисной пленкой, которая защищает его от разрушения. Рубин, сапфир, корунд — это всё названия одного и того же вещества — оксида алюминия Al2O3 Белые точильные круги и бруски состоят из электрокорунда — оксида алюминия.
Можно убедиться в активности алюминия простым опытом. Нарежьте алюминиевую фольгу в стакан, добавьте медный купорос и поваренную соль, залейте холодной водой. Спустя некоторое время смесь закипит, алюминий будет окисляться, восстанавливая медь, с выделением тепла.
Алюминий неплохо поддается экструзии. Корпуса приборов из нарезанного и обработанного экструдированного профиля значительно дешевле литых.

Алюминиевый корпус внешнего аккумулятора для телефона. Экструдированный анодированный окрашенный профиль.
Алюминий весьма посредственно паяется мягкими (оловянно-свинцовыми) припоями, неплохо паяется цинковыми припоями. При конструировании приборов это стоит помнить, соединить провод с алюминиевым шасси проще прикрутив винтом к запрессованной стойке, чем припаять. В твердых марках алюминия (6061, 6082, 7075) можно нарезать резьбу для винта непосредственно.
Алюминий можно сваривать аргоновой сваркой, но качественный шов получается только при TIG-сварке на переменном токе. Непрерывная смена полярности измельчает пленку окислов, которая в противном случае может попасть в шов. Учитывайте это при выборе сварочного аппарата для мастерской, если вам может потребоваться варить и алюминий.

Еще раз важное замечание. Алюминиевые и медные проводники напрямую соединять нельзя! Для соединения проводников из меди и алюминия используйте промежуточный металл, например, стальную клемму.

Источники

В крупных строительных магазинах (OBI, Leroy Merlin, Castorama) обычно есть в наличии алюминиевый профиль разных размеров и форм. Неплохим источником может послужить штампованная алюминиевая посуда — она очень дешева и существует разных форм. Но обратите внимание на марки. Если нужен 6061 и тем более 7075, придется покупать его у фирмы, специализирующейся по металлам. опубликовано