2.8 Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормаль­ных условиях составляют не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение α_ρ, а также малая термо-э. д. с. относительно меди. Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать на воздухе при температурах порядка 1000 C. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространёнными в практике являются сплавы на медной основе – манганин и константан, а также хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

Мaнганин – основной сплав на медной основе для электроиз­мерительных приборов и образцовых резисторов; состав и свойства его приведены в таблице. Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Из манганина изготавливают также ленту толщиной 0,01 – 1 мм и шириной 10 – 300 мм.

Для получения малого α_ρ и высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке – отжигу при 350 – 550 °С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

Константан – сплав меди и никеля (таблица 2.6). Содержание никеля в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму α_ρ для сплавов Сu–Ni

Константан хорошо поддаётся обработке; его можно протягивать в про­волоку и прокатывать в ленту тех же раз­меров, что и из манганина. Значение α_ρ константана близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак.

Таблица 2.6  Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Сплав	Удельное сопротивление, мкОм · м	Температурный коэффициент удельного со­противления, α0 106 К-1	Термо- эдс относитель­но меди, мкВ/К	Предельная рабочая температура, С
Манганин (8б % Сu, 12 % Мn, 2 % Ni) Константан (60 % Сu, 40 % Ni) Хромоникелевые сплавы Х15Н60 (55 – 61 % Ni, 15 – 18 % Сr, 1,5 % Мn, ос­тальное – Fe) Х20Н80 (75 – 78 % Ni, 20 – 23 % Cr, 1,5 % Мn, остальное – Fe)	0,42-0,48 0,48-0,52 1,0-1,2 1,0-1,1	5-30 -(5-25) 100-200 100-200	1-2 40-50 - -	100-200 450-500 1000 1100

Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает (400 – 450) °С.

При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется плёнка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изо­ляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если только напряжение между соседними витками не превышает 1 В. Таким образом, напри­мер, изготавливают реостаты. Для окисления константановой проволоки, дающей достаточно гибкую и прочную плёнку окисла, требуется быстрый (не более 3 с) нагрев проволоки до температуры 900 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Константан в паре с медью или железом приобретает большую термо-э.д.с. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; за счёт разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э.д.с, которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах.

Константан с успехом применяют для изготовления термопар, кото­рые служат для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) используют для изготовления нагревательных элементов электричес­ких печей, плиток, паяльников и т. д. Из этих сплавов изготавливают проволоку диаметром 0,02 мм и более и ленту сечением 0,1 х 1,0 мм и более.

Высокую жаростойкость нихрома можно объяснить значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах.

Скорость окисления металлов в значительной степени зависит от свойств образующегося окисла. Если окисел летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, окислы вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут эксплуатироваться в накалённом состоянии при доступе кислорода. Если же окисел металла нелетуч, то он образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре на воздухе объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения сплавов и их окисных пленок. Поэтому последние не растрескиваются и не отделяются от проволоки при её нагревании и расширении.

Сплавы системы Fe – Ni – Сr называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe – Сr – Al называются фехралями и хромалями. Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента – никеля.

Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дёшевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы:

копель (56 % Сu и 44 % Ni);

алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg);

хромель (90 % Ni и 10 % Сr);

платинородий (90% Pt и 10 % Rn).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

платинородий – платина – до 1600 °С,

медь – константан и медь – капель – до 350 °С,

железо - константан, железо - капель и хромель - капель – до 1600 °С, хромель – алюмель – до 900 – 1000 °С.

Наибольшую термоэдс при данной разности температур развивает термопара хромель – копель.