Электропроводность бронзы: во сколько раз она уступает меди

Короткий ответ: большинство бронз проводят ток в 4–9 раз хуже меди, а отдельные сплавы — в 14 раз. Если принять отожжённую медь за 100 % по международной шкале IACS, бериллиевая БрБ2 даёт около 25 %, алюминиево-железная БрАЖ9-4 — примерно 14 %, оловянно-фосфористая БрОФ6,5-0,15 — порядка 11 %. Приятное исключение одно: хромовая БрХ1 держит 78–81 %, поэтому из неё делают электроды сварочных машин. Вывод простой. «Проводящая бронза» — это всегда конкретная марка в конкретном состоянии, а не весь класс сплавов.

Продавцы металлопроката любят писать, что некоторые виды бронзы хорошо проводят электричество. Такая формулировка есть, например, на странице, где размещён каталог бронзовых прутков компании «Метрополия». Формально всё верно. Только слово «хорошо» без числа мало что скажет электрику, наладчику или мастеру, который собрался выточить клемму из случайного обрезка. Давайте переведём разговор на язык цифр.

Эталон, с которым сравнивают любой проводник

В 1913 году Международная электротехническая комиссия утвердила стандарт отожжённой меди — International Annealed Copper Standard, или IACS. Проводимость эталонного металла при 20 °C приравняли к 100 %. В абсолютных единицах это 58 МСм/м, а удельное сопротивление — 0,017241 Ом·мм²/м.

За сто с лишним лет технологии очистки ушли далеко вперёд. По данным Европейского института меди, современная электротехническая медь нередко показывает 102 % IACS и выше. Серебро опережает её незначительно, примерно на 3–4 пункта. Чистый алюминий даёт 61 %.

Пересчёт делается в одно действие: 0,017241 делим на удельное сопротивление сплава в Ом·мм²/м и умножаем на 100. Именно так получены проценты в таблице ниже.

Таблица: сколько тока пропускает каждая марка

Справочные значения для отечественных марок взяты из «Марочника стали и сплавов» (splav-kharkov.com). Данные по хромовой бронзе — из паспорта сплава CuCr1 немецкого поставщика Metalcor; по марочнику, это другое обозначение БрХ1. Обобщённые цифры для латуни и никель-алюминиевой бронзы приводит американский производитель судовой электрики Blue Sea Systems.

Разброс впечатляет. Лучший сплав из списка обгоняет худшую более чем в 11 раз (78 / 7 ≈ 11). Никель-алюминиевые сплавы, а по составу к ним относится БрАЖН10-4-4 (международное обозначение CuAl10Fe4Ni4), проигрывают эталону в 14 раз. Blue Sea Systems прямо называет замену медных деталей латунными или бронзовыми одной из самых частых ошибок: детали похожи внешне, а ведут себя совершенно по-разному.

Внешне медь и бронза похожи, но по способности проводить ток различаются в разы

Почему 90 % меди не дают 90 % проводимости

Интуиция подсказывает: раз сплав почти целиком медный, он и электричество должен пропускать почти так же. Цифры с этим спорят. В БрАЖ9-4, согласно марочнику, от 84 до 90 % меди, а проводимость — всего около 14 % от эталона. Blue Sea Systems описывает парадокс так: небольшие доли олова, алюминия, никеля, цинка или фосфора ухудшают электрические свойства несоразмерно своему содержанию.

Второй фактор — состояние металла после обработки. Хорошо это видно по хромоциркониевому сплаву CuCr1Zr. В паспорте Nikon SLM Solutions напечатанный на 3D-принтере образец без термообработки показывает 19–23 % IACS, а после прямого старения — 65–67 %. Почти втрое больше! Для бериллиевой бронзы справочники тоже расходятся: марочник даёт около 25 %, англоязычный MakeItFrom — 22 %.

Где бронза в электрике действительно на своём месте

Всё это не значит, что таким сплавам нельзя доверять ток. Их выбирают там, где прочность, упругость или износостойкость важнее рекордной проводимости. Назначение марок по данным марочника:

• Электроды, электродетали и оснастка машин контактной сварки — хромовые БрХ1 и БрХ1Цр. Им одновременно нужны твёрдость и высокая проводимость.
• Ответственные пружины и пружинящие детали — бериллиевая БрБ2. Электропроводность у неё средняя, зато упругие свойства высокие.
• Коллекторные кольца, коммутаторы, обмотки роторов турбогенераторов — серебряная БрСр0,1.
• Детали, где ток невелик, а важнее механика и обрабатываемость. Здесь, как советует Blue Sea Systems на примере латуни, площадь поперечного сечения увеличивают пропорционально разнице в проводимости.

Электроды контактной сварки делают из хромовой бронзы: ей нужны и твёрдость, и высокая проводимость

Считаем на примере: прут 10 мм и ток 100 А

Сопротивление проводника равно удельному сопротивлению, умноженному на длину и делённому на площадь сечения. Круг диаметром 10 мм имеет площадь 78,5 мм² с округлением.

Метр медного прута: 0,017241 / 78,5 ≈ 0,00022 Ом. Метр из БрАЖ9-4: 0,120 / 78,5 ≈ 0,00153 Ом. Тепло при токе 100 А считаем по закону Джоуля — Ленца: квадрат силы тока, умноженный на сопротивление. Медный отрезок выделит около 2,2 Вт на каждый метр, БрАЖ9-4 — примерно 15,3 Вт. Семикратная разница легко превращает контакт в горячую точку.

Чтобы бронзовая деталь грелась так же, как медная, её сечение придётся увеличить примерно в 7 раз. Для БрОФ6,5-0,15 — уже в 9,3 раза.

Что проверить перед покупкой прутка для токоведущей детали

• Точную марку. Между БрХ1 и БрОФ6,5-0,15 разница по проводимости больше чем семикратная (78 / 10,8 ≈ 7,3).
• Состояние поставки: мягкий, твёрдый, прессованный, после старения. У дисперсионно-твердеющих сплавов оно меняет цифру в разы.
• Сертификат с измеренной электропроводностью. Её вполне можно закрепить в документах: в ТУ 1846-002-80569151-2011 на прутки задан минимум 44 МСм/м, это около 76 % от эталона (44 / 58 ≈ 0,76).
• Входной контроль. Портативные измерители показывают результат в МСм/м или % IACS с приведением к 20 °C.
• Сечение. Пересчитайте его по формуле выше и оставьте запас на нагрев.

Мнение автора

Моя оценка однозначна: слово «проводящая» рядом со словом «бронза» — повод задать вопрос, а не аргумент для покупки. Хромовые сплавы действительно близки к эталону. Остальные честно работают там, где нужны прочность, упругость и коррозионная стойкость, но не там, где через деталь идёт большой ток. Перед заказом найдите марку в справочнике, попросите у поставщика сертификат и потратьте пять минут на расчёт. Это дешевле, чем менять оплавленную клемму.

Для самостоятельной перепроверки подойдёт справочник О. Е. Осинцева и В. Н. Федорова «Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки» (2-е издание, 2016). В нём систематизированы физические, механические и технологические свойства практически всех медных марок, латуней и бронз.

Источники: International Annealed Copper Standard (история эталона, 1913–1914); Leonardo Energy — Copper sets the standard for conductivity (58 МСм/м, 102 % IACS, серебро и алюминий); Blue Sea Systems — Electrical Conductivity of Materials (латунь, фосфористая и никель-алюминиевая бронза, 1,7241 мкОм·см); Марочник стали и сплавов: БрАЖ9-4, БрБ2, БрКМц3-1, БрОФ6,5-0,15, БрХ1, назначение безоловянных марок; Metalcor — паспорт CuCr1 (C18200, CW105C); Nikon SLM Solutions — паспорт CuCr1Zr (CW106C); MakeItFrom — UNS C17200; ТУ 1846-002-80569151-2011; Zappitec — пересчёт МСм/м в % IACS; РГБ — справочник О. Е. Осинцева и В. Н. Федорова. Расчёты сопротивления, нагрева и процентов выполнены автором по приведённым данным.

Как вам статья?

Елена Макаренко

Оставить комментарий

Почему вы ещё не оставили комментарий?