Сплавы на основе никеля

М анганин. Это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов и т. п. сплав. Примерный состав его: Сu 85%, Мn — 12%, Ni — 3%; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum) ,желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. Значение р манганина 0,42—0,48 мкОм.м; αρ весьма мал, (6—50). 10-6 К-1 - коэффициент термо - э. д. с. в паре с медью всего лишь 1—2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (до диаметра 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. для обеспечения малого значения с и стабильности р во времени манганиновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550—600° С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200° С). Предельная длительно допустимая рабочая температура сплавов типа манганина не более 200° с; механические свойства: σρ= 450-600 МПа, l/l = 15-30%. Плотность манганина 8,4 Мт/м³

Константан — сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот состав отвечает минимуму αρ в системе Сu — Ni при довольно высоком значении р . Название “Константан” объясняется значительным постоянством р при изменении температуры (для сплавов типа константана αρ при нормальной температуре составляет минус (5-25) ·10¯6 К¯¹ при р = 0,48 - 0,52 мкОм·м). По механическим свойствам константан близок к манганину (σρ = 400-500 МПа, D1/1 = 20+40%). Его плотность 8,9Мг/м

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450° С.

Существенным отличием константана от манганина является высокая термо-э. д. с. константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-э. д. с. в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К (рис. 7-3, в).

Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений. Зато константан с спехом может быть использован при изготовлении термопар, служащих для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов (рис. 7-27, графики З и 4).

Широкому применению константана препятствует большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы на основе железа.

Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации К и потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как уже отмечалось выше, имеет объемный коэффициент. оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется (рис. 7-10); чем больше содержание железа в сплаве, например с Ni и Сг, тем менее нагревостоек этот сплав.

Сплавы системы Fе—Ni—Сг называются нихромами или (при повышенном содержании Fе) ферронихромами (табл. 7.6); сплавы системы Fе—Сг—А1 называются - фехралями и хромалями (табл. 7-7). Следует отметить, что для самых различных сплавов по принятым в СССР стандартам часто применяются условные обозначения, составляемые из букв и чисел. Буквы эти обозначают наиболее характерные элементы, -входящие в состав сплава, причем буква входит в название элемента, но не обязательно является первой буквой этого названия (например, Б означает ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, Л —бериллий, Н — никель, Т — титан, Х — хром, Ю — алюминий и т. п.), а число — приблизительное содержание данного компонёнта в сплаве (в процентах по массе); дополнительные цифры в начале обозначения определяют повышенное (цифра 0) или пониженное качество сплава. Так, в табл. 7-7 обозначение 0Х25Ю5 соответствует сплаву особо высокой нагревостойкости с содержанием хрома около 25% и алюминия - около 5%; другие примеры см. в табл. 7-6.

Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если оксид летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид нелетуч, то он при окислении образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких смёнах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скореё, чем в случае непрерывной работы элемента при той же температуре. Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением (“шейки”) нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из ни хрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах проволока из сплава высокого сопротивления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией МgO) При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках; они могут работать весьма длительно без повреждений.

Некоторые свойства сплавов типа нихрома даны в табл. 7-6. Их механические параметры: σρ = 650-700 МПа, д1/1 = 25-30%. 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.

Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды ,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. Некоторые свойства этих сплавов приведены в табл. 7-7. Они имеют высокую механическую прочность (σρ = 700-800 МПа при д1/1 .10-20%). Плотность этих сплавов находится в пределах от 6,9 до 7,5 Мг/м³