Сплави міді та сплави алюмінію

В окремих випадках замість чистої міді в якості провідни­кового матеріалу застосовуються її сплави з оловом, кремнієм, ка­дмієм. Такі сплави носять назву бронз, при правильному підібра­ному складі мають значно вищі механічні властивості, ніж чиста мідь. Бронзи широко застосовують для виготовлення струмоведу­чих пружин і т. д. Введення в мідь кадмію при порівняно малій питомій провідності значно підвищує міцність і твердість. Кадмі­єву бронзу застосовують для контактних проводів і колекторних пластин. Ще більшою міцністю володіє берилієва бронза (1350 МПа). Сплав міді з цинком – латунь – володіє достатньо високим відносним видовженням перед розривом при підвищеному ніж чи­ста мідь границі міцності. Це надає латуні технологічні переваги перед міддю при обробці штамповкою, глибокою витяжкою. У від­повідності з цим латунь застосовують для виготовлення всеможли­вих струмопровідних деталей.

Основні властивості деяких мідних сплавів наведені в таблиці 4.1. Тут, дані в чисельнику для м’якої міді, а в знаменнику – для твердої.

Табл.4.1.

Алюмінієві сплави володіють підвищеною механічною міцністю. Прикладом такого сплаву є альдрей (0,4-0,5% Mg; 0,4-0,7% Si; 0,2-0,3% Fe, усе інше алюміній). Високі механічні властивості альдрей набуває після особливої обробки (закалка – охолодження у воді при температурі 510-550°С. Альдрей у вигляді проводу має густину D = 2,7 МГр/м³, σ _р = 350 МПа, Δl/l = 6,5%, α _l = 23·10^-6 К^-1, ρ = = 0,0317·10^-6 Ом·м, α_ρ = 0,0036 К^-1. Таким чином, альдрей, практично зберігаючи легкість алюмінію і будучи близьким до нього по питомій провідності, за механічною міцністю наближається до твердотягнучої міді.

Сталеалюмінієвий провід, широко застосовується в лініях електропередач і є сердечником, звитим із стальних жил і обвитим ззовні алюмінієвою проволокою. В проводах такого типу механічна міцність визначається в основному стальним сердечником, а елект-рична провідність – алюмінієм. Збільшений зовнішній діаметр сталеалюмінієвого проводу в порівнянні з мідним на лініях передач високої напруги є перевагою, оскільки знижується небезпека виникнення корони внаслідок зниження напруженості електричного поля на поверхні проводу.

Рис.4.9. Залежність повного перерізу сталеалюмінієвого проводу марки АС (1), перерізу стального сердечника (2) і активного електричного опору (при частоті 50 Гц) одиниці довжини проводу (4) від зовнішнього діаметру проводу D.

Залізо (сталь) як найбільш дешевий і доступний метал, що володіє високою механічною міцністю, являє високий інтерес для використання в якості провідникового матеріалу. Однак чисте залізо має високі в порівнянні з міддю і алюмінієм значення опору. При змінному струмі в сталі, як в феромагнітному матеріалі виникає поверхневий ефект, тому у відповідності із законами електротехніки активний опір стальних провідників змінному струму вищий, ніж постійному струму. Крім цього на змінному струмі в стальних провідниках з’являються втрати на гістерезис. В якості провідникового матеріалу застосовується сталь із вмістом вуглецю (0,1-0,15%), що має границю міцності при розтягу σ _р = 750 МПа, Δl/l = 7% і питому провідність γ в 6-7 разів меншу в порівнянні з міддю. Таку сталь використовують в якості матеріалу для проводів повітряних ліній при передачі невеликих потужностей. В подібних випадках застосування сталі може бути достатньо вигідним, так як при малій силі струму переріз проводу визначається не електричним опором, а його механічною міцністю.

Сталь як провідниковий матеріал використовується також у вигляді шин, рейсів трамваїв, електричних залізних доріг. Для сердечників сталеалюмінієвих проводів повітряних ліній електропередач застосовуються особливо міцна стальна проволока, що має σ _р = 1200-1500 МПа, Δl/l = 5%. Звичайна сталь володіє низькою стійкістю до корозії: навіть при нормальній температурі, особливо в умовах високої вологості, вона швидко ржавіє; при підвищенні температури швидкість корозійних процесів різко зростає. Тому поверхню стальних проводів повинна бути захищена шаром більш стійкого матеріалу. Зазвичай для цієї цілі використовують покриття цинком. Залізо має високий температурний коефіцієнт питомого опору, тому тонку залізну проволоку, що поміщена для захисту від окислення в балон, заповнений воднем або іншим хімічним неактивним газом, можна застосовувати в баретерах, тобто пристроях, що використовують залежність опору від сили струму.

В деяких випадках для зменшення розходів кольорових металів в провідникових конструкціях вигідно застосувати так званий провідниковий біметал. Це сталь, покрита ззовні шаром міді, причому обидва метали з’єднані один з одним міцно і неперервно по всій поверхні їх дотику. Біметал має механічні та електричні властивості, що є проміжними між властивостями суцільного мідного і суцільного стального провідника того ж перерізу. Міцність біметалу вища, ніж міді, але електрична провідність менша. Розміщення міді ззовні, а сталі всередині конструкції, а не навпаки, досить важливо: з однієї сторони при змінному струмі досягається більш висока провідність всього проводу, з другої – мідь захищає розміщену під нею сталь від корозії. Біметалічна проволока випускається зовнішнім діаметром від 1 до 4 мм і з вмістом міді не менше 50% повної маси проволоки. Значення σ _Р (з розрахунку па повний переріз проволоки) повинно бути не менше 550-700 МПа, а Δl/l не більше 2%. Опір 1 км біметалічної проволоки постійному струму (при 20 ⁰С) в залежності від діаметру складає від 60 (при 1мм) до 4 Ом/км (при 4 мм). Біметалічну проволоку застосовують для ліній зв’язку, ліній електропередач, в розподільчих пристроях, різноманітних струмопровідних частинах електричних апаратів тощо.