2.8. Металлы с высоким удельным электрическим сопротивлением

Металлы с высоким удельным электрическим сопротивлением — преимущественно сплавы с удельным сопротивлением 0,4·10^6...0,5·10^6 Ом·м . Они обладают высокими механической прочностью и пластичностью, что позволяет изготавливать из них проволоку и ленты требуемого сечения для производства проволочных резисторов и реостатов, электронагревательных приборов и электрических печей.

К металлам с высоким удельным сопротивлением в зависимости от их назначения предъявляют особые требования.

Сплавы для изготовления образцовых резисторов должны обладать высокостабильными характеристиками во времени и минимальным температурным коэффициентом сопротивления. При соединении с медью они не должны образовывать термоэлектродвижущую силу (термоЭДС) , чтобы при точных измерениях не возникали погрешности из-за разностей потенциалов, возникающих при нагреве соединений проволок из разнородных металлов (см. раздел 2.9).

Металлы, предназначенные для работы в нагревательных приборах и печах при температурах +1000 ^ОС и более, должны обладать жаростойкостью — стойкостью к окислению и жаропрочностью — способностью сохранять механическую прочность при высоких температурах.

Манганины — группа сплавов с высоким удельным сопротивлением на основе меди, марганца, никеля, кобальта, легирующих присадок и так называемые серебряные манганины с основой из серебра в сплаве с марганцем (до 17 %) и оловом (до 7 %).

Удельное сопротивление манганинов — (0,42...0,53)·10^–6 Ом·м , температурный коэффициент сопротивления — около 10^5 град^1 , температура плавления — +960 ^ОС. Введение в сплав никеля обеспечивает малую термоЭДС в паре с медью — около 1 мкВ/град. Увеличение содержания марганца и никеля повышает удельное электрическое сопротивление сплава до (1,8...2,2)·10^–6 Ом·м.

Из манганинов изготовляют проволоку диаметром 0,02...6 мм, ленту толщиной 0,08 и шириной до 270 мм.

Для получения малого температурного коэффициента сопротивления и стабильности характеристик манганиновые проволоки и ленты подвергают искусственному тепловому старению — отжигу на протяжении 1...1,5 часов при температуре около +400 ^ОС в атмосфере инертного газа или в вакууме.

Наибольшая допустимая температура для изделий из стабилизированных манганинов — +200 ^ОС, из нестабилизированных — +60 ^ОС. При более высоких температурах происходят необратимые отрицательные изменения их свойств.

Для изготовления твёрдой и мягкой (отожжённой) проволоки используют манганин МНМц 3-12 , содержащий около 3 % никеля и кобальта, около 12 % марганца, 83 % меди и иные компоненты.

Мягкую проволоку выполняют из манганина МНМцАЖ 3-12-0,3-0,3 — сплава из 3 % никеля и кобальта, 12 % марганца, 0,3 % алюминия, 0,3 % железа, около 83 % меди и иных добавок. Легко заметить, что марка манганина отражает состав сплава и примерное процентное соотношение его компонентов.

Кроме голой манганиновой проволоки выпускаются манганиновые обмоточные провода с высокопрочной эмалевой изоляцией, изоляцией из натурального шёлка и лавсана.

Манганины дороги, их используют для изготовления образцовых прецизионных резисторов и потенциометров.

Константаны — медно-никелевые сплавы с повышенным, по сравнению с манганинами, содержанием никеля и значительно меньшей долей марганца (никель — до 40 %, марганец — до 1,5 %, медь — около 58 %).

Удельные электрические сопротивления мягких и твёрдых константанов — (0,44...0,52)·10^6 Ом·м. Меньшие из указанных удельных сопротивлений относятся к мягким константанам. Электрическое сопротивление константанов мало зависит от температуры: их температурный коэффициент электрического сопротивления весьма низок — 0,1·10^–5 град^–1.

В паре с медью константан образует термоЭДС около 40 мкВ/град, что ограничивает его использование в образцовых сопротивлениях и точных электроизмерительных приборах.

Из константанов изготавливают мягкую и твёрдую проволоку диаметром 0,03...5 мм, ленту толщиной до 0,1 мм. Кроме голой константановой проволоки выпускают провода из мягкого и твёрдого константана с изоляцией из высокопрочной эмали, шёлка или лавсана.

Предельная рабочая температура проволочных резисторов на основе константанов — +450 ^ОС. При больших температурах константаны активно окисляются.

Нихромы, хромали, фехрали — жаростойкие сплавы на основе никеля, хрома, железа, легированные алюминием и титаном (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Состав и основные характеристики жаростойких сплавов

Характеристики сплава	Название и марка сплава
	Нихром Х15Н60	Нихром Х20Н80	Фехраль Х13Ю4	Хромаль Х23Ю5Т
Состав сплава, % : Хром Никель Алюминий Титан Железо	15…18 55…61 - - 18…20	20…23 77…80 - - 3…4	12…15 0,6 3,5…5,5 - 75…80	26…28 0,6 5,0…5,8 0,4…0,6 60…63
Удельное сопротивление ( х 10–6 ) , Ом·м	1,06…1,17	1.04…1,17	1,2…1,34	1,3…1,5
Температурный коэффициент сопротивления ( х 10–5 ) , град–1	12	10	15	5
Рабочая температура, ОС	+950	+1050	+850	+1100

Все они обладают высоким удельным электрическим сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. Буквы в их марках обозначают: Х — хром, Н — никель, Ю — алюминий, Т — титан. Цифры вслед за буквами — округлённое процентное содержание основных металлов в сплаве, кроме которых в состав жаростойких сплавов входят марганец, кремний, углерод, фосфор, сера.

Марганец и кремний, вводимые в сплавы в малом количестве (0,5…1,5 %), позволяют устранить кислород, ухудшающий свойства сплава.

Присутствующие в сплаве углерод, фосфор, сера, хотя их количество и не превышает 0,5 % , значительно повышают хрупкость и ухудшают технологичность сплавов.

Железо в составе фехралей удешевляет их, но после нескольких циклов нагрева и охлаждения хрупкость сплавов увеличивается, поэтому нагревательные элементы из фехраля не выдерживают деформаций при эксплуатации и ремонте.

Никель, алюминий, хром обеспечивают жаростойкость сплавов, повышают их удельное электрическое сопротивление, снижают величину температурного коэффициента сопротивления.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) в наибольшей мере отвечают требованиям, предъявляемым к материалам нагревательных элементов. Различают нихромы двойные, содержащие хром и никель (Х20Н80), и тройные, в состав которых, кроме никеля и хрома, входит железо (Х15Н60). Чем больше никеля в сплаве, тем выше его рабочая температура. В низкотемпературных электротермических установках надёжно работают более дешёвые двойные нихромы, содержащие 24...27 % хрома и 17...20 % никеля (Х25Н20 и Х25Н18).

Жаростойкость сплавов обусловлена образованием на поверхности металла плотной плёнки из окиси хрома и закиси никеля, предохраняющей от окисления находящиеся под ней слои сплава. Увеличение содержания хрома повышает твёрдость и хрупкость сплавов, поэтому изготовление проволоки диаметром менее 0,02 мм возможно лишь из сплавов с содержанием хрома не более 20 %.

Из нихрома делают голые проволоку и ленты, провода с эмалевой изоляцией (ПЭНХ), с двухслойной стекловолокнистой изоляцией на термостойком кремнийорганическом лаке (ПСДНХ) и с другими видами изоляции.

Нагревательные элементы из нихрома надёжно работают при длительных включениях. При частых включениях и отключениях, вызывающих многократное изменение температуры, оксидная пленка на поверхности нихрома растрескивается и утрачивает защитные свойства, нихром подвергается активному окислению и последующему разрушению.

Н

Рис. 2.12. Трубчатый нагревательный элемент:

1 — изолятор, 2 — контактный стержень, 3 — наполнитель (периклаз), 4 — нихромовая спираль, 5 — трубчатая оболочка

а основе нихромов изготовляют герметичные трубчатые нагревательные элементы — ТЭНы (рис. 2.12). Их применяют для нагрева воздуха, воды, масел, растворов электролитов и других сред до температур +450…+600 ^ОС. ТЭНы можно помещать непосредственно в нагреваемую среду, они надёжно работают при вибрациях и ударных нагрузках, отличаются электро- и пожаробезопасностью, повышенным сроком службы, так как спираль из нихрома находится внутри защитной оболочки.

Платина не окисляется, температура её плавления — +1773 ^ОС, удельное электрическое сопротивление — 0,105·10^6 Ом·м. Она жаростойка до +1600 ^ОС, но ввиду высокой стоимости её используют только в лабораторных микропечах.