Хорошая электропроводность, механическая прочность, стойкость к испарению и окислению проводниковых материалов являются необходимыми факторами для длительной работы их в условиях высоких температур в разных газовых средах. Однако наличие у проводника всех этих свойств еще не гарантирует надежную работу обмоточного провода или изоляционной системы в целом.
При длительном нагревании неизбежно изменение электрических и механических свойств проводящей жилы и изоляции за счет реакционной диффузии.
Исследовали [81] влияние стекловолокнистой и стеклокерамической изоляции на свойства проводящих жил из никеля, биметалла медь- никель и сплава 204. Объектами исследования являлись отрезки проводников диаметром 0,5 мм, длиной 100-180 мм, упрощенные макеты типа пучков и макеты, конструкция которых приведена в гл. 10. Отрезки проводов и пучки помещали в открытые кварцевые пробирки и в двойные вакуумированные кварцевые ампулы, куда для сравнения помещали неизолированные отрезки проводников. Пробирки, ампулы и макеты устанавливали в печи сопротивления при температурах 600, 700 и 800 °С или в вакуумные печи при 600-700 °С. В процессе старения контролировали состояние поверхности образцов, изменение электрического сопротивления проводника, механическую прочность, а также изучали микроструктуру образцов. Состояние поверхности контролировали визуально и с помощью бинокулярной лупы, электрическое сопротивление измеряли потенциометрическим методом, разрушающее напряжение при растяжении определяли на разрывной машине, число двойных перегибов - при нагрузке 36 МПа. Микроструктуру изучали с помощью металлографического микроскопа при увеличении в 200 раз и микрозондового рентгеновского анализа. Анализируемые участки фотографировали в лучах отраженных электронов, в характеристических излучениях элементов, входящих в состав проводников и изоляции, а также проводили количественный элементный анализ.
Исследование взаимодействия проводников с изоляцией в воздушной среде
Неизолированные и изолированные проводники подвергали длительному, в течение десятков тысяч часов, старению в воздушной среде при 600-800 °С. Известно, что при длительном нагревании металлов и сплавов на воздухе происходят окисление, рекристаллизация и рост зерен. При длительном нагревании изолированных проводников к этим процессам добавляются еще диффузионное проникновение продуктов деструкции электроизоляционных покрытий в металл и разрушение контактной поверхности металл-изоляция.
При исследовании изменения свойств проводов в результате старения при высоких температурах выявили следующее. Неизолированные проводники из никеля в воздушной среде окислились с образованием черной плотной окалины, сквозное окисление наступило при 700 °С через 5000 ч и при 800 °С — через 1000 ч. При 600 °С — 6000 ч жила диаметром 0,5 мм окислилась на 1/3 диаметра.
Рис. 9.1. Зависимость удельного объемного сопротивления проводников из никеля (I), биметалла Си—Ni (II) и сплава 204 (III) от времени старения в вакууме (сплошная линия) и в воздухе (штриховая) при 600 °С:
1 - проводник (отрезок); 2 — макет
Рис. 9.2. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении проводников из никеля (I), биметалла Cu-Ni (II) и сплава 204 (III) от времени старения в вакууме (сплошная линия) и в воздухе (штриховая) при 600 °С:
1 — проводник (отрезок); 2 — макет
Изоляция отрезков проводов при нагревании в условиях 600-800 °С растрескалась и осыпалась, в макетах после старения при 650 °С - 10 000 ч никелевая жила охрупчилась. Микроструктурный анализ показал рост зерен, окисление по их границам, образование окалины на поверхности и развитие пористости после выдержки при 600 °С — 6000 ч. Как видно из рис. 9.1, а и 9.2, а, старение приводит также к увеличению электрического сопротивления жилы и уменьшению ее механической прочности уже
в первые 100 ч нагревания. После старения отрезков провода с изоляцией в воздушной среде при 800 °С по данным микрозондового рентгеновского анализа имело место проникновение никеля в изоляцию провода на глубину примерно 30 мкм, проникновение же в жилу элементов А1, Ti, Ва, V, РЬ, Сг, входящих в состав изоляции, не обнаружено.
Неизолированные биметаллические проводники из меди и никеля при нагревании окислялись с образованием черной окалины, сквозное окисление проводника диаметром 0,5 мм наступало после 500 ч нагрева при 800 °С. После старения при 600 °С — 5000 ч проводник еще полностью не окислен. Микроструктурный анализ показал наличие взаимной диффузии меди и никеля и значительную пористость, сосредоточенную в переходной зоне, размер которой растет с увеличением температуры и времени выдержки. Взаимная диффузия меди и никеля сопровождалась ростом электрического сопротивления (рис. 9.1, б), механическая прочность изменялась незначительно, по-видимому, в связи с процессами образования в переходной зоне твердого раствора медь—никель наряду с процессами окисления.
При нагревании неизолированных проводников из сплава 204 также наблюдали интенсивное окисление с образованием черной отслаивающейся окалины. Изоляция провода на этом сплаве растрескивалась и осыпалась вместе с окалиной. Проводник диаметром 0,5 мм нормально работал при температуре 600 °С - 500 ч, при 700 °С — 80 ч, при 800 °С - 10 ч. После старения на воздухе при 650 °С — 1000 ч в макетах обнаружили зеленые пятна, охрупчивание жилы, местами сечение разрушено до 80%. Микроструктурный анализ также показал разрушение поверхности и развитие диффузионный пористости. Электрическое сопротивление и механическую прочность в воздушной среде не определяли из-за разрушения поверхности.
Исследование взаимодействия проводников с изоляцией в вакууме
При нагревании металлов и сплавов в вакууме и в вакуумированных ампулах протекают процессы роста зерен, рекристаллизация, испарение металлов с поверхности. Отсутствие внутреннего окисления приводит к еще более быстрому росту зерна, чем при нагревании в воздушной среде. В процессе старения проводов в вакууме выявили, что поверхность неизолированных проводников после старения остается блестящей и гладкой. Изоляция же проводов при этом чернеет. После старения макетов при 600 °С — 12000 ч никелевая жила в них сохраняет металлический блеск и гладкую поверхность. Микроструктурный анализ таких образцов показал неравномерность размеров зерен по длине проволоки, местами видна темная зона взаимодействия металла и изоляции. Исследованиями установлено также, что значения электрического сопротивления и разрушающего напряжения при растяжении проводов при старении в вакууме при 600 °С практически не изменились в течение тысяч часов (рис. 9.1 и 9.2), количество двойных перегибов в первые 500 ч нагревания уменьшалось вдвое, затем в течение 15 000 ч практически не изменялось (рис. 9.3).
Puc. 9.3. Зависимость количества перегибов, выдерживаемых проводами из различных металлов во время старения в вакууме (сплошная линия) и в воздухе (штриховая) при 600 °С:
1 - провод (отрезок); 2 - макет; 1а, 2а - никель; 1 б, 26 - биметалл; 1 в, 2 в - сплав 204
Поверхность биметаллических проводников из меди и никеля после старения в вакууме также оставалась гладкой и блестящей, никелевое покрытие сохранялось полностью. По данным измерений электрического сопротивления и механических свойств в процессе старения в вакууме при 600 °С их показатели близки к данным, определенным в воздушной среде в таких же температурных условиях. Микрозондовый анализ обнаружил диффузию меди сквозь никелевую оболочку после старения при 600 °С - 1000 ч, элементов изоляции (Al, Ti, Si, V) в проводниковой жиле в этих условиях не обнаружено. Выявляли также, что после старения таких проводов в вакуумированных ампулах их внешний вид изменился: поверхность растравлена, утрачен блеск - образец стал матовым. После нагревания при 800 °С никелевая оболочка отделилась от медной жилы. Микроструктурный анализ показал более интенсивный рост пор в вакууме, чем при нагревании в воздушной среде. При исследовании проводов из сплава 204 с гальваническим покрытием из никеля установили изменение поверхности (приобретает цвет меди) неизолированного провода после 70 ч нагревания в ампулах при 600-800 °С и в вакууме при 600 °С; на стенках ампул также обнаружен медный налет. Изоляция провода в вакууме чернела и осыпалась. Микроструктурный анализ неизолированных проводников сплава 204 после старения в ампулах показал значительный рост зерна и диффузионную пористость, в изолированных проводах - проникновение продуктов разложения изоляции в проводник по границам зерен. При осмотре макетов, нагревавшихся в вакууме при 600 °С, обнаружены в ряде мест металлизированные медью участки компаунда; жила несмотря на сохранение гибкости и блеска местами разрушена с поверхности. После старения в вакууме при 600 °С - 4000 ч механическая прочность проводов снижается на 20-25%, количество перегибов — на 50 %, электрическое сопротивление увеличивается вдвое (рис. 9.1-9.3). Из-за случайных очагов разрушения поверхности наблюдали большой разброс значений по всем этим свойствам. После старения при 650 °С - 2000 ч по данным микрозондового анализа проводника в жиле обнаружены локальные повышенные концентрации хрома, а в изоляции — наличие меди.
Таким образом, как показали исследования, при длительном нагревании проводов основными факторами, определяющими характер и степень изменения свойств проводников, являлись процессы роста зерен, порообразования, внешнее и внутреннее окисление. Обнаружено также взаимодействие между проводящей жилой и изоляцией. Длительное нагревание проводов в воздушной среде сопровождается ростом зерен, внешним и внутренним окислением проводника и взаимодействием между оксидами компонентов жилы и оксидами, входящими в состав изоляции. Длительное нагревание проводов в вакууме сопровождается ростом зерен и взаимной диффузией меди и никеля в случае сплава 204 и биметалла медь-никель; здесь взаимодействие между компонентами жилы и оксидами, входящими в изоляцию, не является определяющим. Проведенная работа показала, что проводники из никеля могут надежно работать в вакууме при температурах до 700 °С - 15000 ч; в воздушной среде они работоспособны при температурах до 600 °С в течение 5000 ч. Проводники из биметалла медь- никель могут работать в вакууме при 600 °С — 10000 ч. Проводники из сплава 204 в воздушной среде при температурах 600 °С и выше работать не могут. В вакууме эти проводники сохраняют работоспособность при 600 °С — 12000 ч, однако при этом сопротивление жилы возрастает на 30%, механическая прочность снижается на 25%, имеются местные разрушения поперечного сечения.
