Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Перечисленными свойствами обладают сплавы драгоценных металлов. Области

применения контактов из сплавов драгоценных металлов приведены ниже.

Ag – Pd: сигнальная аппаратура, телефонные реле, телефонные

номеронабиратели, регуляторы напряжения, управление флюоресцентными

лампами, бензино- и маслоизмерители, защитные устройства

электродвигателей, органы телевизионного управления, выключатели

холодильников и термостатов.

Ag – Pt: радиоаппаратура, приборы автоматики и настройки радио,

радиовибраторы и устройства питания от сети радио, электромагнитные

счетчики.

Pt – Ir: прецизионные реле, работающие без дуги; кассовые машины,

пожарные сигнализаторы, телеграфные реле, малогабаритные и миниатюрные

реле радиоэлектроники, регуляторы скорости, магнето авиационные,

автомобильные и морские, пирометры, вибропреобразователи, промышленные

регуляторы электронапряжения, электробритвы, термостаты и нагреватели,

сигнальные реле.

Pt – Rh: магнето постоянного и переменного тока; термопары.

Pt – Ni: телеграфная и телефонная аппаратура;

Pt – Ru: регуляторы скорости, кассовые машины, пожарные

сигнализаторы, бензино- и маслоизмерители, контрольные реле

электрооборудования в авиации, регуляторы напряжения, магнето авиационные

и морские, регуляторы освещения, реле железнодорожной сигнализации,

термостаты и нагреватели, сигнальные реле.

Pd – Ag: прецизионные реле, сигнальная аппаратура, гнезда телефонных

коммутаторов, телефонное оборудование, токосъемники потенциометров,

промышленные регуляторы напряжения, звуковые реле, реле уличных сигналов.

Pl – Ag – Ni: часы, скользящие контакты прецизионных потенциометров,

термостаты и нагреватели, сигнальные реле.

Pd – Ir; Pd – Ru: звуковое реле, вибрационные регуляторы напряжения и

числа оборотов, вибрационные преобразователи, выпрямители.

Сплавы для электрических контактов на основе золота

Сплавы на основе золота предназначены для коммутации электрического

тока до 5 А. Состав и свойства основных сплавов золота, предназначенных для

контактов, приведены в табл. 13, в которую вошли: плотность (d), температура

121

плавления (Т

пл

), твердость в отожженном состоянии (НВ), удельное

электросопротивление (ρ), температурный коэффициент электрического

сопротивления (т.к.с.)

Таблица 13. Свойства сплавов для электрических контактов на основе золота

Марка или состав Т

пл

, °С

d·10

-3

кг/м

НВ,

МПа

ρ,

МкОм·м

т.к.с. × 10

град

-1

Зл999,9

ЗлН5

Au – 6%Co

ЗлПл – 7

ЗлСр600 – 400

ЗлСр750 – 250

ЗлСрМ583 – 80

ЗлСрМ583 – 300

Аu – 20%Ag – 10%Cu

Au – 40%Pd – 30%Ag

1064

995

1010

1060

1026

1043

878

835

986

1440

19,3

18,3

18,2

19,44

14,65

16,0

13,24

13,92

15,05

12,9

250

950

–

400

480

380

–

1250

1140

650

2,3

13,0

6,0

10,2

11,5

10,0

11,5

10,8

14,0

22,0

4,0

0,71

–

0,77

0,83

0,95

–

0,45

0,32

Контактные сплавы на основе золота отличаются высокой надежностью

при контактировании при низких электрических нагрузках. Наиболее полно

контактные материалы характеризуются испытаниями в смешанной атмосфере,

содержащей H

S, SO

и NO

. При этом наблюдается увеличение контактного

сопротивления всех сплавов, особенно резкое у сплавов с высоким

содержанием серебра. Эти сплавы не рекомендуется применять при

повышенных требованиях к надежности контактирования (табл. 14).

Сплавы для электрических контактов на основе металлов платиновой

группы

Контакты из чистой платины обладают низким и стабильным переходным

сопротивлением, но подвержены мостиковой эрозии. Легирование платины

никелем и иридием повышают стойкость к эрозии и свариванию. Вместо

сплавов Pt – Ir можно применять более экономичные сплавы Pt – Ru. Палладий

в качестве контактного материала в основном используют в виде

гальванических покрытий и в сплавах с серебром. Родий применяют для

покрытий прецизионных контактов. Толщина покрытия зависит от требований

к механическому износу и составляет 2,5 – 50 мкм.

Таблица 14.Области применения электрических контактов на основе золота

Материал Область применения Форма применения

Чистое золото Антикоррозионная защита Гальванические и

122

серебряных контактов,

миниатюрные контактные

заклепки, шары и штекеры

напыленные покрытия,

металлургическое золото

Твердое золото (0,1 –

0,15%Ni или Co)

Дорожки контактов скольжения,

поворотные переключатели,

штеккерные разъемы

Гальванические покрытия

Au – Ag8;

Au – Ag20

Cлабонагруженные контакты в

телефонной сети, транзисторных

цепях, контакты штепсельных

разъемов

Цельносплавные и

плакированные заклепки,

контактные шары

Au – Ag25 – Cu5

Au – Ag20 – Cu10

Контактные пружины,

подвижные контакты

слаботочных реле

Цельносплавные и

плакированные заклепки,

контактные шары

Au – Co5(гетеро-

генный); Au – Ni5;

Ag26 –Ni3

Устойчивые к переносу

материала контакты реле,

датчиков световой сигнализации,

измерительных приборов,

электрических часов

Заклепки, плакированные

контакты, контактные шары

Au – Pt7 Контакты для специальных реле

и измерительных приборов

Контактные заклепки

Физико-механические свойства контактных материалов на основе

металлов платиновой группы представлены в табл. 15.

Таблица 15. Физико-механические свойства контактных сплавов на основе металлов

платиновой группы

Марка сплава Т

пл

, °С d·10

-3

, кг/м

ρ·10

-2

МкОм·м

НВ,

МПа

, МПа δ, %

Пл99,9

Рд99,9

Пд99,8

ПлИ – 10

ПлИ – 25

ПлРу – 10

ПлРд – 10

ПлН – 4,5

ПдИ – 10

ПдИ – 18

ПдСр – 20

ПдСр – 30

ПдСр – 40

ПдСрК – К

1773

1966

1554

1794

1875

1780

1840

1700

1565

1580

1425

1357

1330

1350

21,45

12,4

12,16

21,54

21,68

19,95

20,0

20,17

12,74

13,25

11,79

11,61

11,44

11,32

16,5

4,5

10,8

25,0

33,0

43,0

19,2

23,0

26,0

36,0

30,0

33,0

35,0

40,8

400

550

320

1260

2460

1900

900

1350

1250

1950

500

560

610

1920

150

560

200

430

900

450

320

450

380

650

380

370

350

650

Сплавы для электрических контактов на основе серебра

Чистое серебро редко используют для изготовления контактов. Вместо

него применяют сплавы серебра, содержащие до 3% легирующего компонента,

не относящегося к драгоценным металлам, и обладающие высокой твердостью,

123

эрозионной стойкостью и стойкостью к свариванию. Реже применяют сплавы

Ag c Zn и Cd, а также с высоким содержанием Cu. Вместо них целесообразно

использовать гетерогенные материалы, получаемые внутренним окислением

сплавов серебра. Этот метод целесообразен также для упрочнения сплавов Ag –

Pd . Физико-механические свойства контактных серебряных сплавов приведены

в табл. 16.

Таблица 16. Физико-механические свойства контактных сплавов на основе серебра

Марка сплава

d·10

-3

кг/м

пл

, °С НВ, МПа ρ·10

-8

, Ом·м Т.к.с.·10

·град

-1

Ср999

СрН-0,1

СрМ960

СрМ916

СрМ900

СрПд20

СрПл12

СрК86-14

СрКН75-24-1

СрКд22Н1

СрМгН-99

ЗлСрМН-2-97

СрМНЦр-99

СрПМ20-0,3

10,5

10,4

10,3

10,26

10,79

11,23

10,2

9,99

9,8

10,5

10,6

10,5

10,7

960,5

960

880

790

779

1070

970

895

840

960

963

960

1070

250

380

430

600

640

300

1150

520

650

700

–

400

410

320

1,62

1,75

1,8

1,9

10,2

12,0

2,9

7,3

7,0

2,4

2,8

2,5

12,1

4,1

3,5

0,75

–

1,4

2,0

3,5

3,4

3,5

0,75

Основным недостатком серебра как контактного материала является

образование токонепроводящей пленки из сульфидов серебра в атмосфере,

содержащей сернистые соединения. Стойкость серебра к потускнению

повышается при легировании Cd, Sb, Zn, Sn. Однако при низких электрических

нагрузках эти сплавы имеют очень высокое контактное сопротивление и в этих

случаях предпочтительнее применение сплавов Ag – Pd. Контактное

сопротивление этих сплавов уменьшается с увеличением содержания Pd, а

стойкость к эрозии минимальна у сплава Ag – 10Pd.

Широко применяют контакты из различных композиций Ag – МеО,

получаемых внутренним окислением (ВО) сплавов. После ВО значительно

повышается стойкость к эрозии и свариванию,

Основные области применения контактных серебряных сплавов

перечислены ниже.

124

Ag: реле, сигнальная аппаратура, контакты вспомогательных цепей

термостаты, бытовые приборы, нагреватели воды, телефонная и телеграфная

аппаратура, электроосаждение на контактные детали для электронной техники.

Твердое серебро: реле, магнитные пускатели, бытовые приборы,

вспомогательные контакты автоматических выключателей.

Ag – Cu: реле, сигнальная аппаратура, светотехнические выключатели.

Ag – Cu – Ni: реле уличных сигналов, автомобильные и железнодорожные

сигнальные реле, тепловые выключатели, преобразователи тока, авиационные

реле и выключатели, управление флюоресцентными лампами, регуляторы

освещения.

Ag – Cd: реле, бензо- и маслоизмерители, выключатели, стартеры,

выключатели перегрузки холодильников и термостатов, тепловые выключатели.

Ag – Cd – Ni; Ag – Cd – Ni – Fe: реле – регуляторы напряжения.

Ag – Pd: сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели,

бензо- и маслоизмерители, защитные устройства электродвигателей, органы

телевизионного управления, контактные кольца.

Ag – Pt: радиоаппаратура, приборы автоматики, электромагнитные

счетчики.

Ag – Mg – Ni; Ag – Au – Mg – Ni; Ag – Mg – Zr; Ag – Ni – Mg – Zr; Ag – Pd

– Mg: заменители контактов из сплавов Pd – Ir, Au – Pd – Pt, Au – Ni, Au – Pt в

малогабаритных и миниатюрных электромагнитных реле радиоэлектроники.

Ag – CdO: магнитные пускатели, реле среднего и тяжелого режима,

автоматические терморегуляторы, контролеры электровозов и троллейбусов,

концевые выключатели, бытовые приборы, кнопки управления.

Ag – CuO: сильно нагруженные контакты постоянного и переменного

тока, авиационные реле среднего и тяжелого режима, автоматические

предохранители, переключатели тепловозов.

Серебро также широко используют для производства контактных

материалов методами порошковой металлургии. Кроме того, на основе серебра

изготавливают композиционные материалы, используемые для

электроконтактов. В них значительное упрочнение достигается путем

армирования серебра волокнами вольфрама, молибдена, никеля, стали. Степень

упрочнения при армировании зависит от параллельности волокон в матрице,

расстояния между волокнами, их непрерывности и объемного содержания.

125

Сплавы для потенциометров

Потенциометр – прибор, предназначенный для плавного или

скачкообразного изменения электрического напряжения, т.е. регулируемый

делитель напряжения, построенный из активных сопротивлений (проволочных,

пленочных, жидкостных и др.).

К сплаву, из которого готовится тонкая резистивная проволока обмотки,

предъявляются следующие требования: стабильное удельное

электросопротивление; малый (близкий к нулю или с минусовым знаком) т.к.с.;

малая т.э.д.с. относительно меди; высокая антикоррозионная стойкость; высокая

механическая прочность и пластичность; возможность получения тонких

проволок микронных размеров; хорошая паяемость. В приборостроении для

обмотки потенциометров в основном применяют низкоомную и высокоомную

проволоку диаметром 0,02 – 0,12 мм. К первому виду условно относят сплавы с

удельным сопротивлением 0,02 – 0,2 мкОм·м на основе серебра и золота,

вторыми условно считают сплавы с удельным сопротивлением выше 1,0

мкОм·м. Для второго случая наиболее распространен сплав ПдВ – 20. Его

высокая коррозионная стойкость сочетается со стабильными электрическими

характеристиками, высокой технологичностью и износостойкостью. Хорошей

основой для создания высокоомных потенциометрических сплавов являются

сплавы системы Fe – Pd, легированные золотом.

Материал токосъемного элемента движка, как и материал резистивного

элемента, должен быть устойчив против электрической эрозии и коррозии,

легко обрабатываться, обладать свойствами, препятствующими свариванию

контактов, иметь высокую тепло- и электропроводность, высокую

износостойкость.

Всеми этими свойствами обладают двойные, тройные и

многокомпонентные сплавы золота. Сплавы 800, 750, 625, 583 пробы, а также

многокомпонентные сплавы, подвергнутые дисперсионному твердению или

упорядочению, а в некоторых случаях и сочетанию фазовых превращений,

успешно выполняют функции подвижного контакта в потенциометрах.

Твердость и прочностные свойства, обусловленные большой суммарной

деформацией (без снятия напряжений), неустойчивы при переменных и,

особенно при повышенных температурах за счет диффузионных и

релаксационных процессов. Кроме того, наличие большого количества

дефектов, возникших при пластической деформации, увеличивают

126

каталитическую и химическую активность контактных материалов. Поэтому

для таких материалов обычно проводят технологическую операцию – снятие

напряжений.

Описанное можно проиллюстрировать на ряде сплавов. Так, у сплава

AuCu25 термообработкой, проведенной по специальному режиму, были

получены стабильные в широком температурном интервале высокие

прочностные свойства: σ

=1176 МПа; σ

=335 МПа; δ=20%; ρ=0,057 мкОм·(в

деформированном состоянии 0,15). У классического тройного сплава золота

марки ЗлСрМ-583-80 механические свойства были повышены в три раза за счет

старения и упорядочения матрицы.

Марки сплавов драгоценных металлов, используемых в потенциометрах,

а также их свойства можно найти в справочной литературе.

Сплавы для термопар и термометров сопротивления

К материалам, которые используют в качестве термоэлектродных,

предъявляют следующие требования.

1. Температура плавления термоэлектродов должна быть значительно

выше измеряемой температуры, что позволит термопаре сохранить

стабильность термоэлектрических свойств.

2. Материалы для термоэлектродов должны обладать высокой

технологичностью, обеспечивающей возможность получения тонких проволок

для изготовления термопар.

3. Для достижения высокой точности измерения современными

приборами термопара должна обладать достаточно высокой т.э.д.с. Этот

важный параметр термопары должен аддитивно возрастать с повышением

температуры без скачков, перегибов, максимумов и минимумов. Сложный

характер кривой т.э.д.с. – температура затрудняет градуировку термопар и

указывает на возможность существования превращений в сплавах. Это влечет

за собой невоспроизводимость результатов измерений.

4. Термопара должна обладать стабильностью химических и физических

свойств в определенном интервале температур и длительного промежутка

времени.

5. Термоэлектрическая проволока должна быть физически и химически

однородной – это одно из главнейших условий, обеспечивающих точность

127

измерения. При этом следует уделять большое внимание чистоте исходных

компонентов для изготовления термоэлектродов, а также их высокому качеству.

В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечают платина и

металлы платиновой группы, что и объясняет широкое использование данных

материалов в качестве термопар.

В технике чаще всего используют Pt – Rh термопары, отличающиеся

простотой технологии изготовления и стабильностью своих

термоэлектрических свойств.

Сочетания композиций этих сплавов способны устойчиво работать

длительное время до температур 1800°С. Наибольшую точность при этом дают

термопары, развивающие наиболее высокую т.э.д.с. И среди этих термопар

самую высокую т.э.д.с. в зависимости от температуры развивает термопара Ле

Шателье (Pt/Pt10Rh). По мере увеличения содержания Rh в термоэлектродах

величины т.э.д.с. снижаются. Восстановительная среда (углерод и водород)

оказывает вредное влияние на платину и ее сплавы. Эти элементы растворяются

в платине и охрупчивают ее.

Для более высоких температур (до 2000°С) можно использовать

термопары из иридиевых сплавов. Эти термопары обладают невысокой, плавно

изменяющейся т.э.д.с. Термопара Ir/Ir60Rh имеет практически линейную

градуировочную характеристику при высоких температурах, а термопара

Ir50Rh/Ir10Ru обладает высокой чувствительностью. Для работы в защитной

атмосфере до температуры 2450°С можно рекомендовать термопары Ir/Ir60Re и

Ir/Ir70Re, однако создание термопар, способных работать при таких

температурах в воздушной атмосфере закончились неудачей. Высокой

устойчивостью работы в защитной атмосфере до 2300°С отличается термопара

W/Ir. Исключительная стабильность в условиях длительной работы (1000 –

2500 ч) при температуре до 1300°С отличает термопары типа платинель.

Положительный электрод этих термопар состоит из сплавов Au – 35%Pd,

отрицательный – из тройного сплава Au – Pd – Pt, состав которого колеблется

Pd – (13 – 14)%Au – (14 – 31)%Pt. Увеличение содержания Pt в сплаве улучшает

виброустойчивость при высоких температурах.

Материалы, используемые для изготовления чувствительных элементов

термометров сопротивления, должны отвечать следующим требованиям: иметь

наибольший температурный коэффициент сопротивления (т.к.с.); монотонный

характер изменения сопротивления в зависимости от температуры; сохранять

128

постоянство химических и термоэлектрических характеристик, иметь,

возможно, более высокую воспроизводимость электрических свойств. Для

изготовления термометров сопротивления наиболее часто используют платину.

Платиновые термометры сопротивления используют для измерения температур

до 1100°С в промышленных и лабораторных условиях и для воспроизведения

Международной практической температурной шкалы в диапазоне 70 – 900 К.

Созданы конструкции платиновых термометров сопротивления для

измерения высоких и низких температур, позволяющие с большой

достоверностью и высокой воспроизводимостью (до ±0,05°С) измерять

температуры (от –263 до 1300°С). Эти термопреобразователи имеют

индивидуальную градуировку.

В отечественном приборостроении для термометров применяют

упрочненную, так называемую волокнистую платину, обладающую

повышенной стабильностью характеристик. В отожженном состоянии ее

прочность в 1,8 раз выше прочности обычной платины, при этом почти не

изменяется величина температурного коэффициента электросопротивления.

Градуировочные характеристики платиновых термометров

электросопротивления стандартизированы.

Для замера температур расплавленных металлов используют термометры

сопротивления с чувствительным элементом из оксида тория, а выводами из

иридиевых или циркониевых стержней.

Для измерения сверхнизких температур пригоден сплав Rh – 0,5%(ат.)Fe.

Сплавы для тензодатчиков

Тензодатчики служат для измерения деформаций, вызываемых

механическими напряжениями в деталях конструкций или образцах

материалов. Чувствительные элементы – тончайшие проволоки и ленты

микронных сечений прецизионных тензодатчиков – изготавливают из сплавов

для сопротивлений. Кроме требований, предъявляемых к резисторам, для

тензорезисторов важной характеристикой является тензочувствительность (S),

которая должна быть постоянной в интервале температур.

Выбор сплавов для тензодатчиков, работающих в диапазоне (270 – 570)К,

не представляет трудностей. Сплавы для высокотемпературных тензодатчиков

(ВТД) должны обладать малой величины температурного коэффициента

сопротивления и изменения сопротивления во времени, а также

129

воспроизводимостью температурной характеристики при повторных нагревах.

Удовлетворить эти требования трудно вследствие широкого интервала

температур и необратимых диффузионных процессов, протекающих в сплавах

при повышенных температурах.

В качестве материалов для ВТД используют сплавы на основе следующих

систем драгоценных металлов: Ag – Pt, Pd – W, Pd – Mo – Pt (табл. 17).

Таблица 17. Сплавы платиновых металлов для чувствительной решетки проволочных

тензометрических датчиков сопротивления.

Состав сплава, % (по массе)

ρ·10

-8

Ом·м

Т.к.с.·10

град

-1

МПа

Рd – 40%Ag

Pd – 35%Ag – 3%W

Pd – 36%Ag – 4%Cu

Pd – 10%W (оптимально 7%)

Pt – 8%W

Pt – 9%W

ЛС – 22 (модифицированный Pt – 9%W)

(15 – 80)%Pt – (15 -80)%Pd – (2 – 12)%Mo

45%Pt – 45%Pd – 10%Mo

(15 – 65)%Pt – (15 – 65)%Pd – (2 – 35)%Ir

(5 – 85)%Pt – 7%Rh – (5 – 85)%Pd

39,7

–

62,5

0,3

–

2,45

2,5

2,2

3,9

1,9

2,5

−

–

1350

900

1010

3300

1100

–

1,9

–

4,5

3,6

3,7

3,5

4,2

4,0

4,3

4,0

Сплавы для магнитов

Наиболее высокой коэрцитивной силой Н

(до 430 кА/м) обладают Co – Pt

сплавы приблизительно стехиометрического состава. В нашей стране

изготавливают сплавы типа ПлК – 76 и ПлК – 78 в виде прутков и полос.

Высокая пластичность этих сплавов позволяет изготовлять из них детали

практически любой конфигурации. Техническими условиями регламентируется

состав: (76,5 – 79,5)%Pt, остальное Со. В сплаве Co – Pt, близком эквиатомному

составу, максимальное значение Н

соответствует состояниям с упорядоченной

фазой, которые можно получить разными видами термообработки. Высоких

магнитных характеристик еще можно достичь путем сложного легирования

сплава Со – Pt с последующей оптимальной термообработкой. В качестве

магнитных материалов также используют сплавы системы Fe – Pd, например

состава Fe – 47%Pd, полученные из аэрозольного порошка, спрессованного при

одноосной сжимающей нагрузке (300 МПа), что обеспечивает формирование

аксиальной кристаллографической структуры в направлении [001].

Сплавы для упругих элементов

130