2.3.3.  Металлы и сплавы различного назначения

К металлам и сплавам различного назначения относят: материалы для термопар; тензометрические сплавы; контактные материалы; материалы электровакуумной техники; припои и ряд других.

Материалы для термопар

Материалы для термопар характеризуются наибольшими предельно допустимыми величинами температур спая, коэффициентами термо-ЭДС и удельным электрическим сопротивлением (ρv). Коэффициент термо-ЭДС не является постоянной величиной, а зависит от температуры. Обычно значе­ния коэффициента термо-ЭДС в справочной литературе приводят для опре­деленного температурного интервала, где он сохраняет постоянное значе­ние. Предельно допустимая температура спая устанавливается для каждого типа термопар. Она показывает, при какой предельной температуре воз­можно проведение достаточно точных и длительных измерений.

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

1) копель (44 % Ni и 56 % Cu);

2) алюмель (95 % Ni, остальное А1, Si, Мn);

3) хромель (90 % Ni и 10 % Сr);

4) платинородий (90 % Рt и 10 % Rh).

В зависимости от значений измеряемых температур применяют сле­дующие конструкции термопар:

1) платина – платинородий                                                                       — до 1600 °С;

2) хромель – алюмель                                                                     — до 1000 °С;

1) железо – константан: железо копель; хромель – копель         — до 600 °С;

2) медь – константан: медь – копель                                             — до 350 °С;

3) железо – золото                                                                           — 10…100 К.

Тензометрические сплавы

Тензометрические сплавы применяются для изготовления датчиков деформаций и давлений (обычно растягивающих усилий). Действие таких датчиков основано на изменении сопротивления при растяжении тензометрического элемента. Коэффициент тензочувствительности тензометрического элемента можно определить из выражения:

?                                                  (2.14)

где ΔR — изменение сопротивления R при изменении Δl длины элемента l.

Основным материалом для тензодатчиков, работающих при сравни­тельно низких температурах, является уже описанный манганин. Для вы­сокотемпературных датчиков применяют сплавы системы Fе + Сr + Ni.

Контактные материалы

По условиям работы подвижные контакты могут быть разделены на два типа: скользящие и разрывные.

Скользящие контакты обеспечивают передачу электрической энер­гии от неподвижной части устройства к подвижной (потенциометры, рео­статы, генераторы, двигатели постоянного тока, токосъемники подвижного транспорта и т.д.). Материалы для скользящих контактов должны обладать низким удельным сопротивлением, малым падением напряжения на кон­такте, высокой фрикционной способностью, обладать малым коэффициен­том трения. В качестве материалов для скользящих контактов используют твердотянутую медь, кадмиевые, кадмиево-оловянистые, берилливые бронзы, а также соединения системы Аg – СdО. Из неметаллических используют графитовые, угольно-графитовые и металлографитовые материалы.

Разрывные контакты обеспечивают управляемое, периодическое замыкание и размыкание электрических цепей в течение длительного вре­мени, например, в реле, пускателях, электромеханиче­ских преобразователях различного вида. Материалы  для  разрывных  контактов работают в весьма сложных условиях. Эти материалы должны иметь низкое значение ρv, малое падение напряжения на контакте, должны обладать стойкостью к механическому износу и электрической эрозии.

В качестве материалов для разрывных контактов в слаботочной тех­нике используют: чистое серебро, а также сплавы систем Аg–Сd, Аg–Рd, Аg–Мg–Ni; чистое золото; сплавы системы Аи–Рt, Аи–Аg, Аи–Ni; Аи–Zr; чистую платину, платину легированную Ni, Аg, Аи, сплавы системы Рt–Jr.

В сильноточной технике используют чистые тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, медь, различные сплавы систем: Аg с Со, Ni, Сr, Мо, W, Та,; Си с W и Мо. Кроме того, в качестве разрывных контактов хорошо зарекомендовали себя металлокерамические композиции систем: Аg–СdО; карбид вольфрама – серебро; медь – окись кадмия; серебро (медь) – графит.

Материалы электровакуумной техники

Материалы электровакуумной техники  используются для получения герметически прочных спаев металла со стеклом или керамикой, что необ­ходимо в электровакуумном и полупроводниковом производстве.



Если ва­куум-плотные спаи работают при сравнительно низких температурах, нет необходимости применять тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, мо­либден, платина и т.д. Главным требованием при этом считается смачи­ваемость материала стеклом и равенство температурных коэффициентов линейного расширения материала выводов и стекла.

Из этой группы сле­дует выделить сплавы:

· ковар марки Н28К18 (28 % Ni,18 % Со, 54 % Fе);

· ин­вар марки Н36 (36 % Ni, 64 % Fе).

Кроме этого используют биметалличе­скую проволоку – платинит. Платинит имеет центральную жилу из нике­левой стали Н42 (42 % Ni, остальное Fе), а оболочку из чистой меди МО. Содержание меди в платините 25…30 % от общей массы проволоки. Свое название платинит получил за близость ТКl = (8,2…9,2)·10-6 К-1 к ТКl пла­тины.

Припои

В электротехнике и электронной технике широко использу­ются различные системы контактов, которые можно разделить на непод­вижные и подвижные. Неподвижные обеспечиваются различными техно­логическими приемами, основными из которых являются пайка и сварка. Пайкой называют способ соединения металлических или металлизирован­ных деталей с помощью чистых металлов или специальных сплавов. Спла­вы, применяемые при пайке, называют припоями. Припои подразделяют на мягкие с температурой плавления Тпл < 300 °С и твердые с Тпл ³ 300 °С. В на­стоящее время мягкие припои подразделяются на низкотемпературные Тпл < 145 °С и легкоплавкие 145 °С £ Тпл £  300 °С.

Особую группу твердых припоев составляют электровакуумные припои, применяемые при пайке узлов электронных приборов работающих в вакууме при высоких темпера­турах.

Название марок припоев определяется металлами, входящими в них с наибольшим процентным содержанием:

· олово                     – О;

· свинец                   – С;

· аллюминий           – А;

· серебро                  – Ср;

· сурьма                    – Су;

· медь                       – М;

· цинк                       – Ц;

· висмут                   – Ви;

· кадмий                   – К; и т.д.

Если в припое присутствует драгоценный или редкий ме­талл, его обозначение присутствует в названии марки припоя даже при ма­лых количествах. Номенклатура припоев постоянно расширяется.

Мягкие припои. Основным типом мягких припоев являются припои оловянно-свинцовые (ПОС), содержащие олово от 10 % (марки ПОС-10) до 90 % (марки ПОС-90). Припои марки ПОС по содержанию сурьмы подразделяются на:

· безсурьмянистые;

· малосурьмянистые (0,2…0,5 % сурьмы), например ПОССу – 30-0,5;

· сурьмянистые (1…5 % сурьмы), например ПОССу-40-2).

Введение сурьмы повышает механическую прочность припоев и уменьшает их пол­зучесть под нагрузкой. Добавка кадмия к припоям марки ПОС повышает их проводимость и механическую прочность (припои марки ПОСК).

Низкотемпературные припои. При пайке деталей, чувствительных к нагреву (полупроводниковые приборы, тонкопленочные выводы инте­гральных микросхем) требуется пониженная температура плавления при­поя. Для выполнения этих условий в состав припоев вводят висмут, индий, а также кадмий (например, припой ПОСК-50-18).

Особую группу составля­ют припои с цинком и кадмием марки ПОКц, разработанные для пайки алюминия и его сплавов. Самым легкоплавким припоем является

Сплав ВУДА который имеет состав: 50 % Bi; 25 % Рб; 12,5 % Sn; 12,5 % Cd и тем­пературу плавления 60,5 °С.

Твердые припои. В электровакуумной технике твердые припои при­меняют для пайки различных узлов электронных ламп, электровакуумных устройств и т.д. По допустимой температуре прогрева (Тпр) эти припои де­лятся на группы:

· для приборов с Тпр = 450 ºС;

· для приборов с Тпр = 700 °С.

Припои для приборов с Тпр = 450 °С представляют собой сплавы систем:  Аg–Си–Sп и Аg–Си–Jn. Эти припои используют в виде порошков, так как им свой­ственна хрупкость. Припои для приборов с Тпр = 700 °С представляют собой сплавы на основе меди, золота, кальция и никеля. В качестве твердых при­поев используют также медно–цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр).