4.2 Жаростойкие сплавы высокого электрического сопротивле­ния

Для электронагревательных приборов и элементов применяются жа­ростойкие сплавы высокого сопротивления, длительно работающие в воз­душной среде при температурах свыше 1000 °С и выше, а также проволоч­ные или ленточные резисторы. Применение чистых металлов (медь, алю­миний, и др.) и сплавов, рассмотренных ранее в этом случае невозможно, т.к. начиная с температуры 400 °С происходит их быстрое окисление. Кроме стойкости к окислению, при высоких температурах под воздействи­ем воздуха или других газообразных сред, жаростойкие сплавы должны обладать высоким удельным сопротивлением и его малым температурным коэффициентом. В состав жаростойких сплавов входят металлы, которые при работе на воздухе могут образовывать на своей поверхности сплош­ную оксидную пленку, способную защитить оставшийся металл от даль­нейшего окисления. Сплошная оксидный слой будет образовываться в том случае, если объем оксида будет превосходить объем входящего в состав оксида металла. Представление о том, может ли на данном металле обра­зовываться оксидная изоляция в виде сплошного слоя, дает объемный ко­эффициент оксидирования

, (8)

где М - молекулярная масса оксида;

ρ_M - плотность металла;

n - число атомов металла, входящих в молекулу оксида;

А - атомная масса металла,

ρ₀ - плотность оксида.

Если К>1, то образующийся оксидный слой дает на металле сплош­ное покрытие и надежно защищает сплав от соприкосновения с кислоро­дом воздуха. Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся ме­талл от дальнейшего окисления. Летучими оксидами являются оксиды вольфрама и молибдена. Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями ТК₁ этих сплавов и их оксидных пленок. Растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры, тогда при последую­щих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава.

Металлами, обладающими способностью образовывать оксидную пленку, являются никель, алюминий, хром. Эти металлы входят в состав распространенных сплавов системы Fe-Ni-Cr, называемые нихромами ( при повышенном содержании Fe - ферронихромами). Кроме того, находят применение сплавы системы Fe-Cr-Al, называемые фехралями и хромалями. Все перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы ме­таллов неупорядоченной структуры. В марках сплавов буквы обозначают главные компоненты сплава: хром (X), никель (Н), алюминий (Ю). Цифра, стоящая за соответствующей буквой, указывает (в среднем) количество этого металла в сплаве. Например, в сплаве Х15Н60 содержится 15-18 % хрома, 55-61 % никеля, 1,5 % марганца, остальное железо.

Кроме основных компонентов в состав сплавов входят углерод, кремний, марганец, фосфор и сера. Сера, фосфор и углерод являются вред­ными примесями, повышающими хрупкость сплавов. Их содержание в со­ставе сплава не должно превышать 0,025 %, 0,035 % и 0,15 % соответст­венно. Марганец и кремний являются раскислителями, т.е. они позволяют устранить из сплавов кислород, ухудшающий их свойства. С целью уде­шевления в состав нихромов за счет частичной замены никеля вводят до 25-30 % железа, но при нагреве оно легко окисляется, что приводит к воз­растанию хрупкости сплава; чем больше железа в сплаве, тем менее нагревостоек этот сплав.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают высокую нагревостойкость с хорошей технологичностью, что позволяет получать из них тонкую проволоку и ленту.

Хромоалюминевые сплавы (Fe-Cr-Al) практически не содержат ни­келя. Они дешевле нихромов и отличаются от них своими электрическими и механическими свойствами. Увеличение содержания хрома и алюминия в сплаве приводит к росту жаростойкости и одновременно к повышению прочности и хрупкости сплава. Хромоалюминиевый сплав (фехраль), с по­вышенным содержанием железа, менее жаростоек, но имеет более высокий температурный коэффициент удельного сопротивления, чем хромаль.

Основные свойства сплавов высокого сопротивления, применяемых в лабораторной работе, приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Физико-механические, тепловые и электрические свой­ства сплавов

высокого сопротивления

	Свойства сплавов	Манганин	Константан	Нихром		Хромоалюми-ниевые сплавы
				Х15Н60	Х20 Н80	Х13Ю4	Х23 Ю5
1	Плотность D, кг/м3	8400	8900	8200-8300	8400 8500	7300	7250
2	Удельное эл. сопротивле­ние р, мкОм-м	0,42-0,48	0,48-0,52	1,1-1,2	1,0-1,1	1,18-1,34	1,30-1,40
3	Температур­ный к-т уд. сопротивле­ния ТКр 10-6, С-1	-6-+50	-5-+25	100-200	100-200	100-120	65
4	Коэф-т тепло­проводности λ, Вт/(м-К)	-	-	12,6	16,8	16,8	16,8
5	Температур­ный к - т ли­нейного рас­ширения, ТКl 10-6, С-1	13	14,4	17	18	15	15
6	Предел проч­ности при растяжении σр, МПа	450-600	400-500	400-645	686-735	700	800
7	Относит. удл. при разрыве, %	15-30	20-40	15-30	10-18	20	10-15
8	Температура плавления, °C	910-960	1260 1080	1390	1380 1420	1500	1500
9	Макс.рабочая температура, °С	200 60(в прибо­рах)	500 200-250	1000	1100	900	1200

Срок службы или "живучесть" нагревательных элементов, выпол­ненных из нихрома или других жаростойких сплавов, зависит от их одно­родности и температуры. В местах с уменьшенным сечением элементы перегреваются и легче перегорают. Максимальная рабочая температура нагревательного элемента зависит от марки сплава, диаметра и толщины материала. В таблице 8 приведены максимальные рабочие температуры в зависимости от диаметра для наиболее применяемых марок сплава.

Таблица 8 - Зависимость максимальной рабочей температуры от толщины материла

Марка сплава	Рекомендуемая максимальная рабочая температура
	d=0,2мм	d=1мм	d=6мм
Х13Ю4	700	850	950
Х23Ю5	950	1100	1000
Х23Ю5Т	950	1225	1400
Х15Н60-Н	900	1000	1125
Х20Н80-Н	950	1100	1200