Кабели и провода

Влияние примесных элементов в медной катанке АО "Уралэлектромедь" на электросопротивление

13.09.2022 16:00
Просмотров: 4301
Кабели и провода
ВНИИКП

DOI 10.52350/2072215Х_2021_5_9    //   Материал поступил в редакцию 22.04.2021

Одной из основных физических характеристик медной катанки как электропроводящего материала является удельное электросопротивление. Наличие примесей в меди неизбежно влияет на данную характеристику. В [1] указывается, что даже добавление 0,1 % серебра к меди увеличивает общее сопротивление сплава на несколько процентов. Наибольшее влияние оказывают примеси фосфора, железа, кобальта, мышьяка. Также было высказано предположение о влиянии на рост электросопротивления атомных радиусов, концентрации электронов проводимости и эффективного сечения рассеяния [1]. Совокупность перечисленных факторов приводит к сложной зависимости электросопротивления от содержания примесей. Содержание кислорода в меди свыше 0,005 % также увеличивает удельное электросопротивление, а при 0,36 % значение данной характеристики возрастает с 0,01680×10-6 до 0,0182×10-6 Ом×м [2].

АО «Уралэлектромедь» является крупнейшим производителем медной катанки марки М001 в РФ (первое место по выпускаемому объёму в РФ) [3]. Благодаря низкому содержанию примесей и стабильным характеристикам, катанка АО «Уралэлектромедь» используется для производства кабельной продукции с повышенными требованиями к электротехническим характеристикам (обмоточные провода, проволока микронных размеров и т.п.).

В представленной работе выполнена оценка влияния примесных элементов в медной катанке АО «Уралэлектромедь» КМ М001 диаметром 8 мм на удельное электросопротивление.

Массовая доля серы была определена методом инфракрасной спектрометрии на анализаторе «CS844» по ГОСТ 31382–2009. Массовая доля остальных элементов – методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (далее ИСП) и масс-спектрометрии с ИСП на спектрометрах «iCAP 6500 DUO» и «iCAP Qc» с использованием ГОСТ 27981.1–2015 «Медь высокой чистоты. Метод атомно-спектрального анализа» и ГОСТ Р 57061–2016 «Медь. Измерение массовой доли примесей в меди методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой». Определение удельного электрического сопротивления проводили на микроомметре «MGR10» по ГОСТ 7229–76 «Кабели, провода и шнуры. Метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил и проводников». Диапазон измерения микроомметра «MGR10» составляет 0,0000001–30000 Ом, класс точности 0,03.

Полученные результаты представлены в таблице. Содержание хрома, марганца, кадмия, фосфора и кремния в катанке составило значения меньше предела обнаружения. Содержание серебра, серы, сурьмы, железа и никеля превысило 1,0×10-4 % и составило в общем диапазоне от 0,84 до 10,1×10-4 %. Остальные примеси не превысили уровень 1,0×10-4 %. Источником заражения проб катанки железом от 1,27 до 2,35×10-4 % могли быть стальные постоянные катоды, на которые происходит наработка меди. Также могло произойти заражение при подготовке проб стальным инструментом.

Следует отметить, что диапазон содержания примесей в проанализированных пробах катанки очень узкий, что свидетельствует о её стабильном химсоставе. Содержание примесей ниже требований ГОСТ Р53803–2010 на 59,9–96,7 %.

Была сделана попытка определить влияние каждого элемента на удельное электросопротивление (рис. 1–3). Однако полученные полиноминальные зависимости показали низкие значения коэффициента аппроксимации R2, что означает недостоверность моделей. Ориентировочно было определено, что для получения значения удельного электросопротивления менее 0,01697 Ом×м×10-6 химический состав катанки должен содержать: селена – менее 0,27×10-4 %, теллура – менее 0,07×10-4 %, свинца – менее 0,26×10-4 %, сурьмы – менее 1,65×10-4 %, мышьяка – менее 0,54×10-4 %, кислорода – менее 197×10-4 %.

На рис. 1 – 3 сделать правку. Надо: Ом×м×10-6

Рис. 1. Зависимость удельного электросопротивления от содержания селена, свинца, мышьяка

Рис. 2. Зависимость удельного электросопротивления от содержания сурьмы

Рис. 3. Зависимость удельного электросопротивления от содержания кислорода

Таблица: Результаты анализа проб медной катанки

Для оценки совместного влияния примесей был проведён регрессионный анализ зависимости удельного электросопротивления от содержания висмута, селена, сурьмы, олова, никеля, кобальта, серебра, серы. Примеси хрома, марганца, кадмия, фосфора и кремния, содержание которых не изменялось и составило меньше значения обнаружения, не анализировали. Влияние свинца, цинка, мышьяка, теллура и кислорода не учитывали, так как соответствующие коэффициенты регрессии составили значение меньшее, чем стандартная ошибка (0,21).

Для катанки производства АО «Уралэлектромедь» получено уравнение зависимости удельного электросопротивления от содержания примесей в нормированном виде с высоким коэффициентом детерминации 0,98:

Удельное электросопротивление = -4,4×10-14 + 3,03×ХBi + 0,78×XSe + 0,75×XSb + 0,92×XSn + 0,56×XAg + 0,33×XS – 0,54×XNi – 2,08×XCo,

где XBi, XSe, XSb, XSn, XAg, XS, XNi, XCo – содержание висмута, селена, сурьмы, олова, серебра, серы, никеля и кобальта в катанке соответственно (×10-4 %).

Согласно полученному уравнению с увеличением содержания висмута, селена, сурьмы, олова, серебра и серы удельное электросопротивление катанки возрастает, а с увеличением содержания никеля и кобальта – снижается. Данное уравнение справедливо для указанного диапазона примесей. Кажущееся противоречие с [1] о положительном влиянии никеля и кобальта возможно объяснить именно узким диапазоном примесей, содержание которых не превышает 0,001 %, что гораздо ниже, чем приведённые данные в литературе (от 0,005 до 0,1 %).

Большее влияние на удельное электросопротивление оказали следующие элементы в порядке убывания: висмут, кобальт, олово, селен и сурьма. Содержание серебра, никеля и серы повлияли в меньшей степени.

Выводы

  1. Для медной катанки марки КМ М001 диаметром 8 мм производства АО «Уралэлектромедь» получено уравнение зависимости удельного электросопротивления от примесей в нормированном виде с высоким коэффициентом детерминации 0,98.
  2. Методом регрессионного анализа величины удельного электросопротивления от химсостава катанки было установлено влияние следующих элементов в порядке убывания: висмут, кобальт, олово, селен и сурьма.
  3. Отмечена высокая чистота меди катанки АО «Уралэлектромедь». Диапазон содержания примесей в катанке очень узкий, что свидетельствует о её стабильном химсоставе. Содержание примесей (за исключением специально добавляемого кислорода) ниже требований ГОСТ Р 53803–2010 на 59,9–96,7 %.

Список литературы

  1. Фомин Н.Е., Ивлев В.И., Юдин В.А. Влияние примесей на электросопротивление меди и алюминия // Вестник Мордовского университета. – 2014. – № 1–2. – С. 50–56.
  2. Николаев А.К., Костин С.А. Медь и жаропрочные сплавы: энциклопедический терминологический словарь: фундаментальный справочник. – М.: Издательство ДПК Пресс, 2012. – 720 с.
  3. Белый Д.И. Современные технологии производства медной катанки для кабельной промышленности // Кабели и провода. – 2011. – № 5 (330). – С. 29–33.

 


 

Также читайте статью в 279 выпуске журнала Insider