- •Лабораторная работа 3 Исследование электрических свойств материалов высокой проводимости и высокого сопротивления
- •1 Цель работы
- •2 Материальное обеспечение
- •3 Последовательность выполнения работы
- •4 Общие теоретические сведения
- •4.1 Электрические свойства металлов
- •4.2 Проводниковые материалы высокой проводимости
- •4.2 Жаростойкие сплавы высокого электрического сопротивления
- •4.3 Схема и описание лабораторной установки
- •5 Содержание отчета
- •6 Контрольные вопросы
4.2 Жаростойкие сплавы высокого электрического сопротивления
Для электронагревательных приборов и элементов применяются жаростойкие сплавы высокого сопротивления, длительно работающие в воздушной среде при температурах свыше 1000 °С и выше, а также проволочные или ленточные резисторы. Применение чистых металлов (медь, алюминий, и др.) и сплавов, рассмотренных ранее в этом случае невозможно, т.к. начиная с температуры 400 °С происходит их быстрое окисление. Кроме стойкости к окислению, при высоких температурах под воздействием воздуха или других газообразных сред, жаростойкие сплавы должны обладать высоким удельным сопротивлением и его малым температурным коэффициентом. В состав жаростойких сплавов входят металлы, которые при работе на воздухе могут образовывать на своей поверхности сплошную оксидную пленку, способную защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Сплошная оксидный слой будет образовываться в том случае, если объем оксида будет превосходить объем входящего в состав оксида металла. Представление о том, может ли на данном металле образовываться оксидная изоляция в виде сплошного слоя, дает объемный коэффициент оксидирования
, (8)
где М - молекулярная масса оксида;
ρM - плотность металла;
n - число атомов металла, входящих в молекулу оксида;
А - атомная масса металла,
ρ0 - плотность оксида.
Если К>1, то образующийся оксидный слой дает на металле сплошное покрытие и надежно защищает сплав от соприкосновения с кислородом воздуха. Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Летучими оксидами являются оксиды вольфрама и молибдена. Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями ТК1 этих сплавов и их оксидных пленок. Растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры, тогда при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава.
Металлами, обладающими способностью образовывать оксидную пленку, являются никель, алюминий, хром. Эти металлы входят в состав распространенных сплавов системы Fe-Ni-Cr, называемые нихромами ( при повышенном содержании Fe - ферронихромами). Кроме того, находят применение сплавы системы Fe-Cr-Al, называемые фехралями и хромалями. Все перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы металлов неупорядоченной структуры. В марках сплавов буквы обозначают главные компоненты сплава: хром (X), никель (Н), алюминий (Ю). Цифра, стоящая за соответствующей буквой, указывает (в среднем) количество этого металла в сплаве. Например, в сплаве Х15Н60 содержится 15-18 % хрома, 55-61 % никеля, 1,5 % марганца, остальное железо.
Кроме основных компонентов в состав сплавов входят углерод, кремний, марганец, фосфор и сера. Сера, фосфор и углерод являются вредными примесями, повышающими хрупкость сплавов. Их содержание в составе сплава не должно превышать 0,025 %, 0,035 % и 0,15 % соответственно. Марганец и кремний являются раскислителями, т.е. они позволяют устранить из сплавов кислород, ухудшающий их свойства. С целью удешевления в состав нихромов за счет частичной замены никеля вводят до 25-30 % железа, но при нагреве оно легко окисляется, что приводит к возрастанию хрупкости сплава; чем больше железа в сплаве, тем менее нагревостоек этот сплав.
Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают высокую нагревостойкость с хорошей технологичностью, что позволяет получать из них тонкую проволоку и ленту.
Хромоалюминевые сплавы (Fe-Cr-Al) практически не содержат никеля. Они дешевле нихромов и отличаются от них своими электрическими и механическими свойствами. Увеличение содержания хрома и алюминия в сплаве приводит к росту жаростойкости и одновременно к повышению прочности и хрупкости сплава. Хромоалюминиевый сплав (фехраль), с повышенным содержанием железа, менее жаростоек, но имеет более высокий температурный коэффициент удельного сопротивления, чем хромаль.
Основные свойства сплавов высокого сопротивления, применяемых в лабораторной работе, приведены в таблице 7.
Таблица 7 - Физико-механические, тепловые и электрические свойства сплавов
высокого сопротивления
|
Свойства сплавов |
Манганин |
Константан |
Нихром |
Хромоалюми-ниевые сплавы |
||
Х15Н60 |
Х20 Н80 |
Х13Ю4 |
Х23 Ю5 |
||||
1 |
Плотность D, кг/м3 |
8400 |
8900 |
8200-8300 |
8400 8500 |
7300 |
7250 |
2 |
Удельное эл. сопротивление р, мкОм-м |
0,42-0,48 |
0,48-0,52 |
1,1-1,2 |
1,0-1,1 |
1,18-1,34 |
1,30-1,40 |
3 |
Температурный к-т уд. сопротивления ТКр 10-6, С-1 |
-6-+50 |
-5-+25 |
100-200 |
100-200 |
100-120 |
65 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Коэф-т теплопроводности λ, Вт/(м-К) |
- |
- |
12,6 |
16,8 |
16,8 |
16,8 |
5 |
Температурный к - т линейного расширения, ТКl 10-6, С-1 |
13 |
14,4 |
17 |
18 |
15 |
15 |
6 |
Предел прочности при растяжении σр, МПа |
450-600 |
400-500 |
400-645 |
686-735 |
700 |
800 |
7 |
Относит. удл. при разрыве, % |
15-30 |
20-40 |
15-30 |
10-18 |
20 |
10-15 |
8 |
Температура плавления, °C |
910-960 |
1260 1080 |
1390 |
1380 1420 |
1500 |
1500 |
9 |
Макс.рабочая температура, °С |
200 60(в приборах) |
500 200-250 |
1000 |
1100 |
900 |
1200 |
Срок службы или "живучесть" нагревательных элементов, выполненных из нихрома или других жаростойких сплавов, зависит от их однородности и температуры. В местах с уменьшенным сечением элементы перегреваются и легче перегорают. Максимальная рабочая температура нагревательного элемента зависит от марки сплава, диаметра и толщины материала. В таблице 8 приведены максимальные рабочие температуры в зависимости от диаметра для наиболее применяемых марок сплава.
Таблица 8 - Зависимость максимальной рабочей температуры от толщины материла
Марка сплава |
Рекомендуемая максимальная рабочая температура |
||
d=0,2мм |
d=1мм |
d=6мм |
|
Х13Ю4 |
700 |
850 |
950 |
Х23Ю5 |
950 |
1100 |
1000 |
Х23Ю5Т |
950 |
1225 |
1400 |
Х15Н60-Н |
900 |
1000 |
1125 |
Х20Н80-Н |
950 |
1100 |
1200 |