Железо и его сплавы

Железо обладает следующими свойствами:

более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное элек­трическое сопротивление ( примерно 0,1 мкОм×м), что ограничива­ет возможности применения железа как проводникового материала;

высокий температурный коэффициент удельного электрическо­го сопротивления ТКр;

высокая механическая прочность;

дешевизна и доступность материала;

большая магнитная проницаемость и высокая индукция насы­щения;

технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).

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.

Применение железа

Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электрова­куумных приборах как материал для анодов, экранов и других эле­ментов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромаг­нитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовле­нии изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.

Стали

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05% принято называть техническим железом, с содержанием уг­лерода 0,05... 1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.

В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода все­гда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1 ...0,37%); марганец Мп (0,2...0,8%); сера S (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03... ...0,07%).

Кремний способствует устранению пузырей в слитке, повышает сопротивление разрыву и упругие свойства стали, а также повыша­ет твердость.

Марганец повышает твердость стали и сопротивление разрыву, уменьшает удлинение и ухудшает свариваемость стали.

Сера является вредной примесью. Присутствие серы в количе­стве выше допустимого ухудшает прочность, пластичность и кор­розионную стойкость, повышает истираемость и изнашиваемость изделий. Фосфор также является вредной примесью. Его повышен­ное содержание вызывает в стали хрупкость при обычных темпера­турах и появление трещин при ударной деформации, ухудшает ме­ханические свойства за счет образования крупнозернистой струк­туры.

Кислород в стали содержится обычно в тысячных долях процен­та. При повышении содержания кислорода увеличивается хрупкость стали.

По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкци­онную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова “Сталь” ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1%).

Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, назы­ваются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значитель­ной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.

Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза боль­ше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводи­мости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

мягок;

малый предел прочности при растяжении и других деформа­циях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэти­леновые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.

Биметалл

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. 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 сталь­ного 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 сталеалюминиевых проводах).

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.

СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводники. При понижении темпе­ратуры удельное сопротивление r металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Tс, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, харак­терного для данного сверхпроводникового материала).

Такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода Bс.

Рис. 1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис.1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Наибольшая возможная температура перехода Т_с0 (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита —при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть OPQ на рис. 1 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ — нормальному состоя­нию материала. Если материал работает при температуре и магнит­ной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость мо­жет быть нарушена нагре­вом (переход через кривую PQ в точке Y), повышением магнитной индукции (пере­ход через кривую PQ в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т, так и В, что переводит материал в нормальное состояние (кривая PQ пересекается в любой ее точке).

Рис. 2. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов

Рис. 3. Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнит­ная проницаемость m скачком падает от m = 1 до m = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тс . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном дав­лении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исклю­чением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низ­кое значение критической индукции магнитного поля В_с0. Сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плот­ностях тока.

К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверх­проводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверх­проводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и приме­нения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние проис­ходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только срав­нительно высокие значения критической температуры перехода Т_с, но и относительно высокие значения критической магнитной ин­дукции В_с0;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться проме­жуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кри­сталлической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

1) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготав­ливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

2) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметал­лические материалы типа станнида ниобия Nb,Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизиру­ющей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего элек­трический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случай­ном повышении температуры. В ряде случаев применяют компо­зитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную обо­лочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Сверхпроводники используют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивнос­ти с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпро­водников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 3.9.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость.), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающее таким свойством, называются криопроводниками.

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их использование в сильноточных элект­ротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие тре­бования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверх­проводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упро­щает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Одна­ко необходимо учитывать технические трудности, которые возника­ют при использовании жидкого водорода, образующего при опреде­ленном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, се­ребро, золото.