Проводниковые изделия

Для передачи и распределения электрической энергии, соедине­ния различных приборов и их частей, изготовления обмоток элект­рических машин применяют:

обмоточные провода;

монтажные провода;

установочные провода и шнуры;

кабели.

Обмоточные провода. Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и при­боров. В качестве проводникового материала в обмоточных проводах применяют медь и алюминий. В зависимости от применяемой изоляции обмоточные прово­да выпускают с эмалевой, волокнистой, пленочной и эмалевоволокнистой изоляцией (см. таблице 2.12).

Эмалированные провода являются наиболее перспектив­ными среди обмоточных проводов, так как имеют наименьшую тол­щину изоляции (0,007...0,065 мм). Применяя такую проволоку, мож­но увеличить мощность электрической машины за счет большего числа витков в объеме обмотки.

Эмалевая изоляция наносится на эмалировочных станках в виде гибкого лакового покрытия.

Наибольшее применение находят провода с высокопрочными эмалевыми покрытиями на основе поливинилацеталевой и поли­эфирной смол (провода марок ПЭВ и ПЭТВ с нагревостойкостью до 130°С), а также провода с высокопрочным эмалевым покрыти­ем на основе полиуретановой смолы (провод марки ПЭВТЛ лужен­ный с нагревостойкостью до 120°С).

Таблица 2.12 – Некоторые медные и алюминиевые провода

с эмалевой изоляцией

Продолжение таблицы 2.12

Продолжение таблицы 2.12

Обмоточные провода с волокнистой изоляцией имеют большую толщину изоляции (0,05...0,17 мм) по сравне­нию с эмалированными проводами. В качестве волокнистой изоля­ции применяют пряжу: хлопчатобумажную, шелковую, из капро­новых, асбестовых, лавсановых и стеклянных волокон.

Наибольшая нагревостойкость обмоточных проводов достигается применением стеклянной и асбестовой пряжи, подклеиваемой к поверхности провода с помощью глифталевых и кремнийорганических лаков, которые обладают повышенной стойкостью к нагре­ванию.

Характеристики некоторых медных и алюминиевых проводов с волокнистой и пленочной изоляцией представлены в таблице 2.13.

В качестве пленочной изоляции для проводов, которые используют для изготовления обмоток трансформаторов, применяют бумажную ленту, хорошо пропитанную минеральным маслом. Проволока с пленочной бумажной изоляцией обеспечивает высо­кую электрическую прочность обмоткам трансформаторов. Для повышения механической прочности изоляции из бумажной ленты ее покрывают хлопчатобумажной или капроновой пряжей.

Обмоточные провода с волокнистой обмоткой обладают следу­ющими свойствами:

невысокие электроизоляционные свойства, так как все виды во­локнистой изоляции гигроскопичны, т.е. поглощают влагу из воз­духа;

обмотки из проводов с волокнистой изоляцией требуют тщатель­ной сушки и пропитки изоляционными лаками или компаундами; пробивное напряжение проводов с шелковой изоляцией 450... ...600 В, с хлопчатобумажной изоляцией – 700...1000 В, с асбесто­вой изоляцией – 450...500 В.

Таблица 2.13 – Некоторые медные и алюминиевые провода

с волокнистой и пленочной изоляцией

Продолжение таблицы 2.13

ПШД	Прямоугольного сечения 0,83 3,53	0,07...0,08	Провод, изолированный двумя слоями обмотки из натурального шелка
ПСД	0,35...5,2	0,11...0,165	Провод, изолированный двумя слоями обмотки из стекло-волокна, пропитанный тепло-стойким глифталевым лаком
Алюминиевые:
АПБ	1,35...8,0	0,15...0,90	Провод круглого или прямоугольно- го сечения, изолированный несколькими слоями обмотки из лент кабельной бумаги
АПБД	Меньшая сторона от 2,1 до 5,5; большая – от 4,1 до 14,5	0,165...0,220	То же, но изолированный двумя слоя-ми обмотки из хлопчатобумажной пряжи

Продолжение таблицы 2.13

Марки некоторых медных и алюминиевых проводов с пленоч­ной изоляцией см. в таблице 2.13.

У проводов с эмалево-волокнистой изоляцией по­верх слоя эмали наносят обмотку из хлопчатобумажной, шелковой, капроновой или стеклянной пряжи. Такие обмоточные провода применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей, электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в бо­лее тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции. Наибольшей механической прочностью обладает обмотка из лавсано­вых волокон. Обмотка из стеклянной пряжи обладает повышенной нагревостойкостью.

Электрическая прочность таких проводов определяется элект­рической прочностью воздуха, заключенного между волокнами, а также электрической прочностью эмалевой изоляции.

Характеристики некоторых медных проводов с эмалево-волок­нистой изоляцией приведены в таблице 2.14.

Таблица 2.14 – Некоторые медные обмоточные провода

с эмалево-волокнистой изоляцией

Монтажные провода. Монтажные провода состоят из медных или алюминиевых жил, которые покрывают изоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом, а также хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжей и синтетической пленкой. Наибольшей гибкостью обладают многопроволочные провода, жила которых состоит из большого числа тонких проволок. Монтажные провода выпускают с лужеными медными жилами, что облегчает пайку проводов.Монтажные провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией могут применяться в электрических устройствах и аппаратах с напряжением до 380 В переменного тока и до 500 В постоянного тока.

Большинство монтажных проводов с волокнистой изоляцией (хлопчатобумажной, шелковой и др.) может применяться при на­пряжениях до 60...100 В переменного тока, а некоторые из них –только до 20 В переменного тока.

Для распознавания монтажных проводов их изоляционные обо­лочки обычно окрашивают в разные цвета.

Характеристики некоторых медных монтажных проводов приведены в таблице 2.15.

Таблица 2.15. Некоторые медные монтажные провода

Продолжение таблицы 2.15

Установочные провода и шнуры. Установочные провода и шнуры служат для распределения электрической энергии, а также для при­соединения электродвигателей, светильников и других потребителей тока к сети. Токопроводящие жилы установочных проводов и шнуров изготавливают из медной и алюминиевой проволоки.

Шнуры выпускают двухжильными, т.е. состоящими из двух изолированных и свитых друг с другом жил (рисунок 5). Шнуры изготавливают на напряжение до 220 В переменного тока.

В марках проводов и шнуров буквы обозначают конструктивную часть и вид изоляции провода или шнура, а цифры указывают напря­жение, для которого может приме­няться данный провод. Например, провод марки ПР-500 состоит из медной жилы с резиновой изоляцией и может быть использован в установках с номинальным напряжением, которое не превышает 500 В переменного тока.

Характеристики некоторых установочных проводов и шнуров приведены в таблице 2.16.

Рисунок 2.5 – Шнур марки ШР с резиновой изоляцией:

1 – многопроволочная жила; 2 – изоляция из вулканизированной резины; 3 – оплетка из хлопчато­бумажной крученой пряжи

Кабели. Силовые кабели применяют для передачи и распределе­ния электрической энергии. Токопроводящие жилы кабелей изго­тавливают из мягкой медной проволоки (марка ММ), а также из алюминиевой мягкой или твердой проволоки (марки AM и AT).

Токопроводящие жилы сечением до 16 мм² включительно изготав­ливают однопроволочными. Начиная с сечения 25 мм² и выше жилы кабелей изготавливают многопроволочными, что необходимо для обеспечения определенной гибкости кабелей. Сечения токопроводящих жил могут иметь круглую, сегментную или секторную фор­му (рисунок 2.6). В одножильных кабелях применяют жилы круглой формы, в двухжильных - круглой и сегментной, а в трех- и четырехжильных кабелях – секторной.

Для передачи и распределения электрической энергии в установ­ках с напряжением до 500, 3000 и 6000 В переменного тока приме­няют кабели с резиновой (рисунок 2.7) и пластмассовой (рисунок 2.8) изо­ляцией.

а б в г

Рисунок 2.6 – Многопроволочные жилы кабелей:

а - круглая неуплотненная жила; б - круглая уплотненная жила;

в - секторная уплотненная жила; г – сегментная уплотненная жила

Рисунок 2.7 – Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, небронированный

(марка СРГ):

1 – свинцовая оболочка; 2 – поясная изоляция; 3 – покрытие (обмотка) из

прорезиненной ленты; 4 – изоляция из вулканизированной резины; 5 – медная

многопроволочная жила; 6 – междуфазное заполнение

Таблица 2.16 – Некоторые установочные провода и шнуры

Продолжение таблицы 2.16

Продолжение таблицы 2.16

Продолжение таблицы 2.16

На напряжение 1, 3, 6, 20, 35 кВ и выше выпускают силовые ка­бели с бумажной пропитанной изоляцией (рисунок 9).

Каждая из жил в кабеле имеет изоляцию, состоящую из несколь­ких слоев кабельной бумаги толщиной 0,125 или 0,175 мм, пропи­танной вязким электроизоляционным составом из минерального масла и растворенной в нем канифоли.

Рисунок 2.8 – Силовой кабель с резиновой изоляцией жил в оболочке из полихлорвинилового пластиката:

1 – однопроволочные жилы; 2 – изоляция жил из вулканизированной резины; 3 – оболочка из полихлор­винилового пластиката

Рисунок 2.9 – Силовой кабель с бумажной изоляцией жил в свинцовой оболочке, бронированный (марка СБ):

1 – верхний защитный покров из

грубой пропитанной пряжи; 2 –

броневой покров из стальных лент;

3 – защитный покров (нижняя подушка);

4 – свинцовая оболочка; 5 – поясная изоляция; 6 – междуфазное заполнение;

7 – бумажная пропитанная изоляция;

8 – медные многопроволочные жилы

2.13 Конструкционные металлы и их сплавы.

Сплавы на основе Cu. Сплавы на основе Сu по составу можно разделить на 2 основные группы: латуни и бронзы.

Латуни – медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Латуни хорошо обрабатываются резанием. Легирующими добавками латуни кроме Zn может быть А1 – повышает твердость и прочность, но снижает пластичность, Мn – повышает прочность без снижения пластичности, Ni – повышает коррозионную стойкость в атмосфере и в морской воде, Fe – улуч-шает механические и технологические свойства, но при содержании больше, чем на 0,03% латунь, становится магнитной, поэтому такую латунь нельзя применять в магнитных полях. Из латуни изготавливают токопроводящие винты, гайки, шайбы, детали коммутирующих узлов и штепсельных разъемов (клеммы, штыри, гнезда, упругие элементы).

Бронзы – сплав Сu с А1, Si, оловом и другими элементами, среди которых Zn не является основным легирующим элементом. Бронза более прочная, коррозионностойкая, чем Сu лучше обрабатывается резанием, чем латуни, обладает высокой тепло- и электропроводностью. Наиболее высокими механическими свойствами и хорошей электропроводностью обладает бериллиевая бронза БрБ2 (2% Ве). Эта бронза используется в качестве пружинного контактного материала для потенциометров, переключателей, реостатов и других элементов РЭА. Оловянные бронзы, алюминиевые, кремнистые применяются как конструкционные немагнитные коррозионностойкие материалы. Оловянно-фосфорные бронзы широко используются в качестве деформируемых конструкционных материалов – из них пружины и другие упругие элементы, втулки, контактодержатели. Алюминиевая бронза очень плохо паяется, a кремнистая бронза хорошо паяется и сваривается.

Сплавы Al. Алюминиевые сплавы используются там, где требуется сочетание прочности, легкости и коррозионной стойкости. Наиболее широко применяются сплавы А1- Сu- Mg- дюралюмины. Для повышения коррозионной стойкости вводят Мn, это сплавы типа:

Дюралюмин хорошо формируется в горячем и холодном состояниях, что позволяет изготавливать из него штампованные детали приборов. Шов (сварной или спаянный) из дюралюминия не равен по прочности основному материалу, поэтому соединение из Д делают на заклепках, выполненных также из Д.

Силумины – сплав Al + Si. AЛ2-10-13%Si применяется для корпусов приборов, кронштейнов малонагруженных деталей. Если добавить Mg, то сплав становится прочнее и из него можно изготавливать фланцы. АЛ9 (6 – 8%Si + 0,2%Mg), цифра обозначает порядковый номер сплавов. Из дюралюминия изготавливают детали, где не требуется высокой прочности и коррозионной стойкости. Для ее улучшения листы из дюралюминия плакируют, т.е. покрывают чистым алюминием или анодируют.

Стали (нержавеющие, жаростойкие). Стали – это железо-углеродистые сплавы, т.е. сплавы Fe и С, причем при содержании С менее 2,14%. Если содержание углерода С увеличивается, то эти железоуглеродистые сплавы называют чугунами. С увеличением процентного содержания углерода, увеличивается твердость стали и предел прочности при растяжении, но ухудшаются пластичные свойства. Мы рассмотрим нержавеющие стали (коррозионностойкие), они применяются в металлокерамических конструкциях корпусов полупроводниковых приборов в паре с Сu или коваром. Паяют стальные детали с Сu-деталями твердыми припоями, но перед пайкой стальные детали никелируют. Марка нержавеющей стали – это хромоникелевая сталь Х18Н10Т-18%Сu, 10%Ni, температура плавления равна 1400 – 1450˚С.

Если стали термической обработки, они очень пластичны, хорошо свариваются, они немагнитные, это особенно важно для применения в РЭА, где проходят пучки заряженных частиц. Для улучшения коррозийной стойкости вводят Ti и подвергают сталь закалке при температуре около 1100˚С. Закалка это способ термической обработки стали. Когда раскаленную до красна сталь погружают в воду, то она становится гораздо прочнее и тверже, но приобретает серьезный недостаток – становится хрупкой. И чтобы сохранить удовлетворительную вязкость стали после закалки требуется провести отпуск, сталь снова нагревают до определенной температуры (мах. 600˚С) и выдерживают при этой температуре достаточное время.

Нержавеющая сталь кислотоупорная сталь, т.е. устойчива к действию многих кислот. Из нее изготавливают химические резервуары, трубопроводы, арматуру, химические сосуды, применяемых в химической промышленности.

Жаропрочные стали – это стали, которые при высоких температурах и под действием агрессивного газа или жидкости могут безотказно работать в течение многих часов. Испытание на жаростойкость заключается в том, что стальные образцы выдерживают на воздухе при заданной высокой температуре в течение 120ч., несколько раз подвергая охлаждению. При этом потеря металла не должна превышать 1г с 1м квадратного поверхности за час. Жаропрочные стали устойчивы к температуре 500 – 600˚С. Эти стали получают путем введения большого количества легирующих элементов (Ni, Cr, Mo, Va) , аустенитные стали (10-20%Ni и 10-20%Сг) могут работать при 500 – 650˚С (температуре красного каления) к употреблению для изготовления ответственных деталей, авиационных двигателей, детали реактивных двигателей.

Ni – резко увеличивает прочность и вязкость стали, придает ей жароустойчивость и сопротивление коррозии. Ni – металл серебристо-серого цвета с сильным металлическим блеском, Ni легко протягивается и механически обрабатывается. В атмосфере H₂ поддается пайке твердыми и мягкими припоями, хорошо сваривается электросваркой и химической сваркой. При комнатной температуре Ni химически мало активен. На воздухе устойчивый против коррозии. Для ИМС и полупроводниковых приборов используют Ni марки НП2 в виде ленты толщиной 0,1 – 2мм, шириной до 500мм. Из Ni-проволоки делают наружные выводы, Ni прекрасно защищает металл от окисления, придает изделию красивый вид.

В углеродистой стали кроме основной примеси – углерода всегда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1...0,37% марганец Мn (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 температурax 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 0,05 – 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова «Сталь» ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь10 (содержание углерода 0,1%).

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

Титан и его сплавы. Титан – металл нашего времени и считают, что это металл будущего, идет быстрый рост производства Ti. Почти 90% выплавляемого в мире титана потребляют авиация, космическая и ракетная техника. В современных боевых и транспортных самолетах наиболее ответственные и сильно нагруженные детали делают из титановых сплавов. Уже сегодня на постройку одного сверхзвукового самолета идет от 4 до 25т. Ti. Крупнейшим потребителем титана является химическая промышленность. Ti можно отнести к тугоплавким металлам, температура плавления равна 1690˚С. Прочность Ti зависит от чистоты и близка к прочности обычных конструкционных сталей. По своей коррозионной стойкости Ti превосходит высоколегированные коррозионностойкие стали. Если взять раствор из НСl и НN₃ и опустить стальную и Ti-пластины, то за год сталь растворится на 10мм, a Ti на 0,005мм. Поэтому Ti служит превосходным материалом для оболочек и облицовок резервуаров, в которых хранятся кислоты.

Только в 1910г. Удалось американскому химику М.Хантеру получить титан в чистом виде. Это очень трудно, т.к. Ti как губка поглощает газы, а загрязненный примесями Ti становится хрупким и ломким. Поэтому долгое время Ti не вызывал интереса и считался бесполезным материалом. Но после того как разработали промышленную технологию получения чистого титана, начали выявлять его заметные качества, и сегодня титан успешно соперничает со сталями и по некоторым свойствам далеко их превосходит.

Ti легируется многими элементами так сплав Ti+Al+Sn отличающий высокой жаропрочностью TiAl₅Sn_2,5 при комнатной температуре предельная прочность 1000 Н/мм², то при температуре 400˚С сохраняется достаточно высокая прочность 600 Н/мм². Наибольшая прочность до 1700 Н/мм², что в 4 раза выше прочности конструкционной стали.

Нитинол-55%Ni+Ti обладает эффектом памяти, эффектом запоминания формы. Если изделию такого сплава при повышенной температуре придать определенную форму (кольцо, спираль) и затем при комнатной температуре его выпрямить, то при повторном нагреве оно восстанавливает свою первоначальную форму. Такие сплавы незаменимы для антенн космических кораблей. Спираль, свитая в плотный клубок, на земле до запуска кораблей занимает немного места, спрятавшись в специальное углубление. В космосе, когда солнечные лучи нагреют сплав, антенна выпрямляется, приобретая нужную форму.