Глава 5. Легированные стали с особыми свойствами.

В зависимости от назначения стали и сплавы с особыми физиохимическими свойствами делятся на две группы:

1. Стали и сплавы с высоким электросопротивлением (высокоомные);

2. Стали и сплавы с особым тепловым расширением; Стали и сплавы с высоким электросопротивлением.

Сплавы высокого электрического сопротивления (высокоомные) в зависимости от области применения могут быть разделены на две основные группы:

1. Сплавы для изготовления сопротивлений (прецизионных, образцовых), различных элементов электроизмерительных приборов, катушек сопротивления ампер-, вольтомметров, шунтов, обмоток проволочных потенциометров, технических и лабораторных регулирующих и пусковых реостатов, термопар и компенсационных проводов.

2. Жаростойкие сплавы для нагревательных элементов электропечей, термошкафов, нагрузочных элементов, электропаяльников, накалов электроосветительных, индикаторных и радиоламп.

К материалам первой группы предъявляются следующие основные требования:

1. высокое удельное сопротивление при низком температурном коэффициенте; высокая стабильность свойств во времени;

3. повышенная нагревостойкость до 400° -500° С;

4. хорошие механические свойства - высокая прочность и достаточная пластичность, обеспечивающие получение тончайшей проволоки, ленты, фольги и возможности их безобрывной намотки на плоские, цилиндрические или другой формы электроизоляционные каркасы;

5. высокая износоустойчивость и малое контактное сопротивление;

6. низкое значение термо э.д.с. в паре с медью (особенно для прецизионных сопротивлений).

К таким материалам относят сплавы меди с никелем, цинком и марганцем - манганин, константан и никелин.

Манганин - отличается характерным желтым цветом, для стабилизации свойств подвергается старению. Сплав имеет следующие механические свойства: предел прочности (разрывное усилие) б_в=450-600 Мн/м² (45-60 кг/мм²), относительное удлинение б=15-30%. Сплав пластичен. Из него изготовляют холоднокатаную проволоку и ленту. Широко применяется для изготовления точных сопротивлений. После изготовления сопротивлений из манганина их подвергают стабилизирующему старению, особенно намотанных. Манганин технологичен, хорошо наматывается, паяется, допускает эмалирование, поставляется в виде листов, лент, полос проволоки и микропроволоки. Наиболее распространены следующие марки манганина: МНМцЗ-12 (Ni+Со-2,5-3,5%, Мn-11,5-13,5%, Cu-остальное), МНМцАЖЗ-12 (Ni+Со-2,5%, Мn-11,5-13,5%, Fе-0,2-0,5%, Сu-остальное),

таб.5-1

Сплав	химсостав			Предельная рабочая тем­пература °С	Удельное эктросо-противление	Температур­ный коэфф. электросопро­тивления
	Сu	Ni	Мn
манганин	84	4	12	200	0,42	0,00002
константан	59	40	1	500	0,5	—
никелин	55	45	—	500	0,52	0,0001

Константан — из всех медноникелевых сплавов обладает наибольшим удельным электросопротивлением и наименьшим температурным коэффициентом электросопротивления. Константан имеет предел прочности б_в=500 Мн/м (50 кг/мм). Сплав очень пластичен, что позволяет изготовлять из него холоднотянутую проволоку диаметром до 0,02 мм (микропровод). Это менее прецизионный сплав, чем манганин. Его недостатком для прецизионных сопротивлений является высокая термо е.д.с. в паре с медью. Поставляется в виде лент и проволоки. Наиболее распространен константан марки МНМц40-1,5 (Ni+Со-39-41%, Мn-1-2%, Сu - остальное). Высокая термо е.д.с. константана широко используется для изготовления медно-константановых термопар, измеряющих температуру до 100°С.

Никелин - по сравнению с константаном имеет более высокое удельное сопротивление и самый низкий температурный коэффициент. Применяется для изготовления малогабаритных сопротивлений, работающих в условиях повышенных температур. Это сплавы марок Н80ХЮД, Н60ГХ и Н63ГХ и имеют удельное электросопротивление в 3-4 раза превышающее сопротивление манганина (см. таблицу 5-2) и очень малый температурный коэффициент электросопротивления. Из никелина изготавливают проволоку диаметром 0,02-0,04 мм и поставляют в термообработанном состоянии. Применяют для пусковых и регулировочных реостатов.

Таб. 5-2

сплав	, мкОм·м	э·10 6, 1/°С	термо э.д.с. в паре с медью, мкВ/°С
Н80ХЮД	1,4-1,5	2%	(-1)...(-2)
Н63ГХ Н60ГХ	1,4-1,7		(-4)...(-5)

От материалов второй группы требуется высокая стойкость против окисления при высоких температурах (жаростойкость), высокое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления, высокие механические свойства при высоких температурах.

Применяют сплавы, изготовленные:

1. на никелевой основе (нихромы);

2. на железной основе (фехраль и хромаль).

Эти материалы применяются для элементов (нагревателей, сопротивлений и др.), работающих с температурой 1000-1200°С. Химсостав и свойства приведены в таблице 5-3.

Таблица 5-3

Сп лав	Марка	Химсостав, в %					Предельная рабочая температура °С	У.С. ом·мм2/ /м
		С	Ni	Сr	Fе	Аl
нихром 60	Х15Н60	0,15	55-61	15-18	остальное	—	1000	1,1
нихром 80	Х20Н80	0,15	75-78	20-23	остальное	—	1100	1,15
фехраль	Х17Ю5	0,12	0,6	16-19	Основа	4-6	1000	1,24
хромаль	Х25Ю5	0,12	0,6	23-27	Основа	4,6-6,5	1150	1,35

Нихромы обладают высокой пластичностью и прочностью, как при комнатных, так и при повышенных температурах. Удельное сопротивление нихромов мало изменяется с температурой, чем больше хрома содержат сплавы, тем выше их жаростойкость. Легирование никелем также увеличивает жаростойкость, удорожает эти сплавы.

По возможности нихромы заменяют более дешевыми сплавами на основе железа - фехралем и хромалем, обладающими более высоким удельным сопротивлением. Однако эти сплавы менее пластичны и хрупки, чем нихромы. Хромаль может применяться только в виде литых нагревательных элементов, а фехраль в виде проволоки, более увеличенного диаметра, чем из нихрома.

Кроме того, для высокотемпературных нагревательных и осветительных элементов (спиралей, вводов в радиолампы, электролучевые трубки телевизоров, осциллографов) часто применяют проволоки из тугоплавких материалов, таких как молибден марок МЧ, МС, МК, МРН, вольфрам (спирали накаливания) марок ВА, ВМ, ВРН (крючки, пружины и катоды электронных и газоразрядных приборов).

Сплавы с особыми тепловыми свойствами.

Сплав	Марка	Химсостав, в %				Коэффициент линейного расширения
			Ni	Сr	Fе
Инвар	Н36	0,3	35-37	0,2	остальное	а=1,5*10-6град-1
Платинит	Н42	0,3	47-49	0,2	остальное	а=(4-11)*10-6 град -1
Элинвар	Х8Н36	0,3-0,4	35-37	7,8	остальное	не приведен

Это сплавы с большим содержанием никеля, что обеспечивает у них очень низкий коэ-ффициент теплового расширения. Химсостав и свойства этих элементов приведены в таблице 5-4.

Инвар имеет минимальный коэффициент линейного расширения, почти не изменяющийся в диапазоне температур от -50 до +100°С. Инвар поставляется в виде листов, лент и применяется для измерительных приборов, узлов механизмов транспортирования ленты, детали которых не должны изменять своих размеров при большом перепаде температур, например подвижки точных перемещений направляющих блоков вращающихся головок ПСЗ видеомагнитофонов.

Элинвар обладает высоким модулем упругости (пружинный), который практически не изменяется до температуры +100°С. Этот сплав обладает высокой коррозиоустойчивостью, теплостойкостью и немагнитными свойствами. Применяется для различного рода прецизионных электромагнитных реле, пневмоэлементах, специальной АМЗ, работающей в широком диапазоне климатических воздействий (температура, влажность, давление газа).

Платинит имеет такой же коэффициент, что и стекло и платина (откуда и пошло название). Платинит поставляется в виде проволоки и заменяет дорогостоящую платину при вводе электрических штырьков радио и других ламп в стекло (ламп накаливания и осветительных), многих радиодеталей (танталовых конденсаторов и др.), оправ (тубусов) для видеообъективов самолетной и космической АМЗ.

Третью группу металлов с особыми тепловыми свойствами представляют термобиметаллы, сварные по плоскости давлением в холодном состоянии пластины двух различных металлов с резко разнородными (малым и большим) коэффициентами теплового расширения. Пластина с большим коэффициентом теплового расширения называется активной, а с меньшим - пассивной. Пластины так хорошо между собой соединяются, что практически представляют собой одно целое.

Принцип действия термобиметалла следующий: пластина в процессе нагревания деформируется изгибается за счет неравномерных коэффициентов теплового расширения ее слоев. Изгиб происходит так, что при нагреве слой с большим коэффициентом теплового расширения испытывает напряжение сжатия и находится с выпуклой стороны, а слой с меньшим коэффициентом теплового расширения испытывает напряжение растяжения и находится с вогнутой стороны. При охлаждении термобиметаллический элемент возвращается в исходное состояние, а при большом охлаждении термобиметалл изгибается в противоположном направлении.

Установив на термобиметалл контактные пары и поставив вторую пластину с неизменным коэффициентом теплового расширения (КТР), получим элементарное тепловое реле (рис 5-4).

При этом термобиметалл может выполнять функции измерительного, компенсационного, регулирующего или защитного элемента.

Основные требования к термобиметаллу:

1. высокая чувствительность, выражаемая заданным удельным изгибом термобиметалла при изменении его температуры;

2. линейная зависимость деформации от температуры;

3. отсутствие остаточной деформации термобиметалла, т.е. он должен возвращаться в исходное состояние при снятии температуры;

4. стабильность размеров и свойств во времени.

Получение оптимальных свойств термобиметалла достигается подбором его активного и пассивного элементов.

В качестве одного из пассивных металлов, имеющих небольшой КТР, обычно применяют никель в сплаве инвар (см. таб. 5-4), активным служит железо. В качестве активного элемента часто применяются: медь твердая (марки МТ), латунь, монель, а также немагнитная сталь. КТР этих металлов лежит в диапазоне (10...16)*10⁶ град^-1.

Термобиметаллы поставляются в виде ленты и листков.

Тульский патронный завод выпускает дешевый рулонный термобиметалл-3 (сталь — латунь, сталь — никель, сталь — медь).