4.4. Сплави високого опору, їх властивості і призначення

При використанні сплавів високого опору для електровимірювальних пристроїв і зразкових резисторів, крім високого питомого опору r, вимагається й висока стабільність r в часі, малий температурний коефіціент питомого опору і малий коефіціент термоЕРС в парі даного сплаву з міддю. Сплави для електронагрівальних приладів (елементів) повинні довготривало працювати на повітрі при високих температурах (інколи до 1000°С і вище). Крім того в багатьох випадках вимагається технологічність сплавів – можливість виготовлення з них гнучкої проволоки діаметром сотих долей міліметра. Для отримання особливо високих значень питомого опору застосовують вплив двох факторів, тобто матеріали, що мають високий опір в масивному стані (сплави, оксиди, сіліциди) використовують в мілкозернистому виді.

Провідникові сплави високого опору за призначенням і властивостями розділяють на резистивні і нагрівостійкі.

Із сплавів для проволочних резисторів найбільше поширення отримали сплави на основі міді і нікелю, особливо манганін і константан.

Манганін – сплав на основі міді, що отримав свою назву із-за наявності в ньому марганцю (до 12%), що широко застосовується для виготовлення еталонних резисторів. Жовтий колір пояснюється великим вмістом міді – 85%, решта – 3% – нікель. Манганін може витягуватись в тонку проволоку, що може мати емалеву ізоляцію. Мікропровід з манганіну в скляній ізоляції виготовляють діаметром в декілька мкм. Мікропровід використовують для конструювання мініатюрних високоточних елементів. Скляна ізоляція характеризується високими електроізоляційними властивостями, підвищеною нагріво- і вологостійкістю. Недоліком є крихкість скляної ізоляції. Для забезпечення стабільності опору і зниження ТКρ проволоку піддають тепловому старінню: обпалюванні у вакуумі при температурі 550-600 ºС з подальшим повільним охолод-женням. Гранично допустима робоча температура сплавів цього типу не перевищує 200 ºС. Механічні властивості манганіну: σ_р = = 450-600 МПа; Δl ∕ l = (15-30)%, D = 8,4 МГ/м³, питомий опір ρ = = (0,47-0,48)·10^-6 Ом·м, α_ρ = (10-15)·10^-6 К^-1.

Константан – сплав, що має більше 60% міді і 40% нікелю. Щоб сплав відповідав мінімуму α_ρ в системі Cu-Ni при доволі високому ρ. Назва константан пояснюється значною незмінністю ρ при зміні температури. Сплав добре піддається обробці, його можна протягнути в проволоку діаметром 10-20 мкм. Температурний коефіцієнт опору α_ρ = – (5-20)·10^-6 К^-1 при ρ = (0,48-0,52) мкОм·м. За механічними властивостями константан близький до манганіну: σ_р = 400-500 МПа, Δl ∕ l = (20-40) %, D = 8,9 Мг/м³.

Рис.4.10. Залежності параметрів сплавів мідь-нікель від складу

(в % по масі).

Нагрівостійкість константану вища, ніж у манганіну, гранично допустима температура при довготривалій роботі досягає 500°С. Утворюється плівка оксиду, що володіє електроізоляційними властивостями. Це дає змогу застосовувати константан без спіральної міжвиткової ізоляції для виготовлення реостатів чи нагрівальних елементів. Однак в парі з міддю константан розвиває високу термоЕРС (45-55 мкВ/K). Це затрудняє використання константанових резисторів в точних вимірювальних схемах, особливо при нульових вимірах в мостових і потенціометричних системах. Але ця ж властивість константану дає змогу використовувати його в парі з міддю чи залізом при виготовленні термопар, що служать для вимірювання температури. Сплави на основі заліза в основному використовуються для електронагрівальних пристроїв. При нагріванні на поверхні константану утворюється плівка окислу, яка має електроізоляційні властивості, що дає змогу виготовляти з неї реостати без ізоляції між витками. Однак наявність у складі константану великої кількості дефіцитного нікелю обмежує його використання у виробах масового застосування.

Висока нагрівостійкість таких елементів пояснюється введенням в їх склад значної кількості металів, що мають високі значення об’ємного коефіцієнта оксидації, що дає змогу при нагріві на повітрі утворювати оксидну плівку. Такими металами є нікель, хром та алюміній. Залізо, навпаки, має низький коефіцієнт оксидації, тому при нагріві легко окислюється. Чим більший вміст заліза у сплаві, наприклад з нікелем і хромом, тим цей сплав є менш нагрівостійким.

Сплави системи Fe-Ni-Cr називають ніхромами або (при підвищеному вмісті Fe) фероніхромами. Сплави системи Fe-Cr-Al називають фехралями і хромалями.

Стійкість хромонікелевих сплавів при високій температурі в навколишньому середовищі пояснюється близькими значеннями температурних коефіцієнтів лінійного розширення цих сплавів і їх оксидних плівок. Тому розтріскування оксидних плівок має місце тільки при різких змінах температури. Тоді при подальших нагрівах кисень буде проникати в утворені тріщини і призводити подальше окислення сплаву. Тому при багатократному короткочасному ввімкненні електронагрівального елементу з ніхрому він може перегоріти значно швидше, ніж при неперервній роботі елементу при цій же температурі. Строк експлуатації елементів з ніхрому та інших нагрівостійких сплавів суттєво скорочується при наявності коливань перерізу проволоки: в місцях із зменшеним перерізом нагрівальні елементи перегріваються і легше перегоряють. Довго тривалість роботи електронагрівальних елементів з ніхрому та аналогічних сплавів може бути суттєво збільшена, якщо доступ повітря буде обмежений. В трубчастих нагрівальних елементах спіраль із сплаву високого опору проходить по осі трубки із стійкого до окислення металу. Проміжок між проволокою і трубкою заповнюється порошком діелектрику з високою теплопровідністю (наприклад магнезій MgO). При додатковій протяжці цієї трубки її зовнішній діаметр зменшується, магнезія ущільнюється і утворює механічно міцну ізоляцію внутрішнього провідника (приклад електричного кип’ятильника).

Хромо-алюмінієві сплави набагато дешевші ніхромів, так як хром і алюміній порівняно дешеві і легко доступні. Однак ці сплави менш технологічні, більш тверді і крихкі, з них можуть бути отримані проволоки і стрічки лише великого поперечного перерізу, ніж з ніхромів. Тому ці сплави в основному використовуються в електротермічній техніці для нагрівальних пристроїв великої потужності і промислових електричних печей.

Основні характеристики сплавів наведені в таблиці 4.2.

Табл.4.2.

Марка сплаву	Склад, % по масі *				D, Мгр/м3	ρ, мкОм·м	ТКρ, ·10-6 К-1	Тгр, оС
	Cr	Ni	Mn	Al
Х15Н60	15-18	55-61	1,5	-	8,2	1,1-1,2	100-200	1000
Х20Н80	20-23	75-78	1,5	-	8,4	1,0-1,1	100-200	1100
Х13Ю4	12-15	0,6	0,7	3,5-5	7,3	1,2-1,4	100-120	900
Х23Ю5	22-25	0,6	0,7	4,5-5	7,2	1,3-1,5	65	1200

^* - все інше залізо.