Materiały o wysokiej wytrzymałości, stopy o wysokiej wytrzymałości

Do tworzenia reostatów, produkcji precyzyjnych rezystorów, produkcji pieców elektrycznych i różnych elektrycznych urządzeń grzewczych, przewodników z materiałów o wysokiej rezystancji i niskiej współczynnik temperaturowy oporu.

Materiały te w postaci taśm i drutów powinny mieć rezystancję od 0,42 do 0,52 oma * mm2 / m. Materiały te obejmują stopy na bazie niklu, miedzi, manganu i niektórych innych metali. Rtęć zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ rtęć w czystej postaci ma rezystancję 0,94 oma * mm2 / m.

Charakterystyczne właściwości wymagane od stopów na zasadzie indywidualnej są określane przez specyficzne przeznaczenie konkretnego urządzenia, w którym ten stop będzie używany.

Na przykład stworzenie dokładnych rezystorów wymaga stopów o niskiej termoelektryczności indukowanej przez kontakt stopu z miedzią. Opór powinien również pozostać stały w czasie.W piecach i grzejnikach elektrycznych utlenianie stopu jest niedopuszczalne nawet w temperaturach od 800 do 1100 ° C, to znaczy potrzebne są tutaj stopy żaroodporne.

Wszystkie te materiały mają jedną wspólną cechę — wszystkie są stopami o wysokiej rezystywności, dlatego stopy te nazywane są stopami o wysokiej rezystywności elektrycznej. Materiały o dużej rezystancji elektrycznej w tym kontekście są roztworami metali i mają chaotyczną strukturę, dlatego też spełniają stawiane im wymagania.

Manganina

Manganiny są tradycyjnie używane do precyzyjnej odporności. Manganiny składają się z niklu, miedzi i manganu. Miedź w składzie — od 84 do 86%, mangan — od 11 do 13%, nikiel — od 2 do 3%. Najpopularniejszy obecnie manganin zawiera 86% miedzi, 12% manganu i 2% niklu.

Aby ustabilizować mangany, dodaje się do nich trochę żelaza, srebra i aluminium: aluminium — od 0,2 do 0,5%, żelazo — od 0,2 do 0,5%, srebro — 0,1%. Manganiny mają charakterystyczną jasnopomarańczową barwę, ich średnia gęstość wynosi 8,4 g/cm3, a ich temperatura topnienia to 960°C.

Drut manganowy o średnicy od 0,02 do 6 mm (lub pasek o grubości 0,09 mm) jest twardy lub miękki. Wyżarzany miękki drut ma wytrzymałość na rozciąganie od 45 do 50 kg / mm2, wydłużenie od 10 do 20%, rezystancja od 0,42 do 0,52 oma * mm / m.

Charakterystyka drutu litego: wytrzymałość na rozciąganie od 50 do 60 kg / mm2, wydłużenie - od 5 do 9%, rezystancja - 0,43 - 0,53 oma * mm2 / m. Współczynnik temperaturowy drutów lub taśm manganowych waha się od 3 * 10-5 do 5 * 10-5 1 / ° С, a dla ustabilizowanego - do 1,5 * 10-5 1 / ° С.

Charakterystyki te pokazują, że zależność rezystancji elektrycznej manganiny od temperatury jest niezwykle nieznaczna, co przemawia za stałością rezystancji, co jest bardzo ważne w przypadku precyzyjnych elektrycznych przyrządów pomiarowych. Niski termo-emf to kolejna zaleta manganiny, aw kontakcie z elementami miedzianymi nie przekroczy 0,000001 wolta na stopień.

W celu ustabilizowania właściwości elektrycznych drutu manganowego jest on podgrzewany pod próżnią do temperatury 400°C i utrzymywany w tej temperaturze przez 1 do 2 h. Następnie drut jest przetrzymywany w temperaturze pokojowej przez długi czas w celu uzyskania akceptowalnej jednorodności stopu i uzyskać stabilne właściwości.

W normalnych warunkach pracy taki drut może być używany w temperaturach do 200 ° C — dla stabilizowanego manganu i do 60 ° C — dla niestabilizowanego manganu, ponieważ niestabilizowany mangan po podgrzaniu od 60 ° C i więcej ulegnie nieodwracalnym zmianom co wpłynie na jego właściwości... Lepiej więc nie podgrzewać niestabilizowanego manganu do 60°C, a taką temperaturę należy uznać za maksymalną dopuszczalną.

Obecnie przemysł produkuje zarówno goły drut manganowy, jak i drut w izolacji emaliowanej o wysokiej wytrzymałości - do produkcji cewek, w izolacji jedwabnej i dwuwarstwowej izolacji mylarowej.

Konstantan

Constantan, w przeciwieństwie do manganiny, zawiera więcej niklu — od 39 do 41%, mniej miedzi — 60-65%, znacznie mniej manganu — 1-2% — jest również stopem miedzi z niklem. Współczynnik temperaturowy oporu konstantanu zbliża się do zera — to główna zaleta tego stopu.

Constantan ma charakterystyczną srebrno-białą barwę, temperaturę topnienia 1270°C, gęstość średnio około 8,9 g/cm3.Przemysł produkuje drut konstantanowy o średnicy od 0,02 do 5 mm.

Wyżarzony miękki drut konstantanowy ma wytrzymałość na rozciąganie 45 — 65 kg / mm2, jego rezystancja wynosi od 0,46 do 0,48 oma * mm2 / m. W przypadku twardego drutu konstantanowego: wytrzymałość na rozciąganie — od 65 do 70 kg / m2. mm, rezystancja — od 0,48 do 0,52 Ohm * mm2 / m. Termoelektryczność konstantanu połączonego z miedzią wynosi 0,000039 wolta na stopień, co ogranicza zastosowanie konstantanu w produkcji precyzyjnych rezystorów i elektrycznych przyrządów pomiarowych.

Znaczne, w porównaniu do manganiny, termo-EMF pozwala na zastosowanie drutu konstantanowego w termoparach (sparowanych z miedzią) do pomiaru temperatur do 300°C. W temperaturach powyżej 300°C miedź zacznie się utleniać, przy czym należy zauważyć, że Constantan zacznie się utleniać dopiero w temperaturze 500 ° C.

Przemysł produkuje zarówno drut konstantanowy bez izolacji, jak i drut nawojowy z izolacją emaliowaną o wysokiej wytrzymałości, drut w dwuwarstwowej izolacji jedwabnej oraz drut w izolacji kombinowanej - jedna warstwa emalii i jedna warstwa jedwabiu lub lavsan.

W reostatach, w których napięcie między sąsiednimi zwojami nie przekracza kilku woltów, stosuje się następującą właściwość stałego drutu: jeśli drut zostanie podgrzany do 900 ° C przez kilka sekund, a następnie schłodzony w powietrzu, drut zostanie pokryty z ciemnoszarym filmem tlenkowym.ten film może służyć jako rodzaj izolacji, ponieważ ma właściwości dielektryczne.

Stopy żaroodporne

W grzejnikach elektrycznych i piecach oporowych elementy grzejne w postaci taśm i drutów muszą być w stanie pracować przez długi czas w temperaturach do 1200 °C.Ani miedź, ani aluminium, ani konstantan, ani mangan nie nadają się do tego, ponieważ już od 300 ° C zaczynają się silnie utleniać, następnie warstewki tlenków odparowują i utlenianie trwa. Potrzebne są tutaj druty żaroodporne.

Druty żaroodporne o wysokiej rezystancji, odporne również na utlenianie po podgrzaniu oraz o niskim temperaturowym współczynniku rezystancji. Chodzi o to nichrom i żelazochromy - dwuskładnikowe stopy niklu i chromu oraz trójskładnikowe stopy niklu, chromu i żelaza.

Istnieją również fechralne i chromowo-potrójne stopy żelaza, aluminium i chromu — różnią się one w zależności od procentowej zawartości składników w stopie parametrami elektrycznymi i odpornością na ciepło. Wszystko to są stałe roztwory metali o chaotycznej strukturze.

Ogrzewanie tych stopów żaroodpornych prowadzi do powstania na ich powierzchni grubej warstwy ochronnej tlenków chromu i niklu, odpornej na wysokie temperatury do 1100°C, niezawodnie chroniącej te stopy przed dalszą reakcją z tlenem atmosferycznym. Tak więc taśmy i druty ze stopów żaroodpornych mogą długo pracować w wysokich temperaturach, nawet w powietrzu.

Oprócz głównych składników stopy obejmują: węgiel — od 0,06 do 0,15%, krzem — od 0,5 do 1,2%, mangan — od 0,7 do 1,5%, fosfor — 0,35%, siarka — 0,03%.

W tym przypadku fosfor, siarka i węgiel są szkodliwymi zanieczyszczeniami, które zwiększają kruchość, dlatego zawsze dąży się do zminimalizowania ich zawartości lub lepiej do całkowitego wyeliminowania. Mangan i krzem przyczyniają się do odtleniania, usuwając tlen. Nikiel, chrom i aluminium, zwłaszcza chrom, zapewniają odporność na temperatury do 1200°C.

Składniki stopu służą zwiększeniu odporności i obniżeniu współczynnika temperaturowego rezystancji, co jest dokładnie tym, czego wymaga się od tych stopów. Jeśli chrom jest większy niż 30%, stop okaże się kruchy i twardy. Aby uzyskać cienki drut, na przykład o średnicy 20 mikronów, w składzie stopu potrzeba nie więcej niż 20% chromu.

Te wymagania spełniają stopy marek Х20Н80 i Х15Н60. Pozostałe stopy nadają się do produkcji taśm o grubości 0,2 mm oraz drutów o średnicy 0,2 mm.

Stopy typu Fechral — X13104, zawierają żelazo, co czyni je tańszymi, ale po kilku cyklach ogrzewania stają się kruche, dlatego podczas konserwacji niedopuszczalne jest odkształcanie spirali chromu i fechralu w stanie schłodzonym, jeśli np. rozmawiamy o spirali, która długo pracuje w urządzeniu grzewczym. Do naprawy należy skręcić lub skleić tylko spiralę podgrzaną do 300-400 ° C. Generalnie fechral może pracować w temperaturach do 850°C, a chromal do 1200°C.

Nichromowe elementy grzejne z kolei przeznaczone są do ciągłej pracy w temperaturach do 1100°C w trybach stacjonarnych, lekko dynamicznych, przy czym nie stracą ani wytrzymałości, ani plastyczności. Ale jeśli tryb jest ostro dynamiczny, to znaczy temperatura zmieni się dramatycznie wiele razy, przy częstym włączaniu i wyłączaniu prądu przez cewkę, ochronne warstwy tlenków pękną, tlen przeniknie do nichromu, a pierwiastek ostatecznie utleniać i niszczyć.

Przemysł produkuje zarówno druty gołe ze stopów żaroodpornych, jak i druty izolowane emalią i silikonowym lakierem silikonowym, przeznaczone do produkcji cewek.

rtęć

Rtęć zasługuje na specjalną wzmiankę, ponieważ jest jedynym metalem, który pozostaje ciekły w temperaturze pokojowej. Temperatura utleniania rtęci wynosi 356,9 ° C, rtęć prawie nie wchodzi w interakcje z gazami powietrza. Roztwory kwasów (siarkowego, chlorowodorowego) i zasad nie mają wpływu na rtęć, ale jest ona rozpuszczalna w stężonych kwasach (siarkowym, solnym, azotowym). Cynk, nikiel, srebro, miedź, ołów, cyna, złoto rozpuszczają się w rtęci.

Gęstość rtęci wynosi 13,55 g / cm3, temperatura przejścia ze stanu ciekłego w stan stały wynosi -39 ° C, opór właściwy wynosi od 0,94 do 0,95 oma * mm2 / m, współczynnik temperaturowy oporu wynosi 0 000990 1 / ° C ... Te właściwości umożliwiają zastosowanie rtęci jako styków przewodzących ciecz do specjalnych przełączników i przekaźników, a także w prostownikach rtęciowych. Należy pamiętać, że rtęć jest niezwykle toksyczna.