Materiali ad alta resistenza, leghe ad alta resistenza

Per la creazione di reostati, la fabbricazione di resistori di precisione, la fabbricazione di forni elettrici e vari dispositivi di riscaldamento elettrico, conduttori di materiali ad alta resistenza e bassa coefficiente di temperatura della resistenza.

Questi materiali sotto forma di nastri e fili dovrebbero preferibilmente avere una resistenza da 0,42 a 0,52 ohm * mmq / m Questi materiali includono leghe a base di nichel, rame, manganese e alcuni altri metalli. Il mercurio merita un'attenzione particolare, poiché il mercurio nella sua forma pura ha una resistenza di 0,94 ohm * mmq / m.

Le proprietà caratteristiche richieste alle leghe su base individuale sono determinate dallo scopo specifico di un particolare dispositivo in cui verrà utilizzata quella lega.

Ad esempio, la creazione di resistori accurati richiede leghe con bassa termoelettricità indotta dal contatto della lega con il rame. Anche la resistenza dovrebbe rimanere costante nel tempo.Nei forni e nei riscaldatori elettrici l'ossidazione della lega è inaccettabile anche a temperature comprese tra 800 e 1100 ° C, ovvero qui sono necessarie leghe resistenti al calore.

Tutti questi materiali hanno una cosa in comune: sono tutte leghe ad alta resistività, motivo per cui queste leghe sono chiamate leghe ad alta resistività elettrica. I materiali con elevata resistenza elettrica in questo contesto sono soluzioni di metalli e hanno una struttura caotica, motivo per cui soddisfano i requisiti per se stessi.

Manganina

Le manganine sono tradizionalmente utilizzate per la resistenza di precisione. Le manganine sono composte da nichel, rame e manganese. Rame nella composizione - dall'84 all'86%, manganese - dall'11 al 13%, nichel - dal 2 al 3%. La più popolare delle manganine oggi contiene l'86% di rame, il 12% di manganese e il 2% di nichel.

Per stabilizzare le manganine, vengono aggiunti un po 'di ferro, argento e alluminio: alluminio - dallo 0,2 allo 0,5%, ferro - dallo 0,2 allo 0,5%, argento - 0,1%. Le manganine hanno un caratteristico colore arancione chiaro, la loro densità media è di 8,4 g / cm3 e il loro punto di fusione è di 960 ° C.

Il filo di manganese con un diametro da 0,02 a 6 mm (o una striscia di 0,09 mm di spessore) è duro o morbido. Il filo morbido ricotto ha una resistenza alla trazione da 45 a 50 kg / mm2, l'allungamento va dal 10 al 20%, la resistenza va da 0,42 a 0,52 ohm * mm / m.

Caratteristiche del filo pieno: resistenza alla trazione da 50 a 60 kg / mmq, allungamento - dal 5 al 9%, resistenza - 0,43 - 0,53 ohm * mmq / m Il coefficiente di temperatura dei fili o dei nastri di manganina varia da 3 * Da 10-5 a 5 * 10-5 1 / ° С, e per stabilizzato - fino a 1,5 * 10-5 1 / ° С.

Queste caratteristiche mostrano che la dipendenza dalla temperatura della resistenza elettrica della manganina è estremamente insignificante, e questo è un fattore a favore della costanza della resistenza, che è molto importante per i dispositivi di misura elettrici di precisione. La bassa termo-emf è un altro vantaggio della manganina e, a contatto con elementi di rame, non supererà 0,000001 volt per grado.

Al fine di stabilizzare le caratteristiche elettriche del filo di manganina, viene riscaldato sotto vuoto a 400 ° C e mantenuto a questa temperatura per 1 o 2 ore.Il filo viene quindi mantenuto a temperatura ambiente per lungo tempo per ottenere un'uniformità accettabile di la lega e ottenere proprietà stabili.

In condizioni operative normali, tale filo può essere utilizzato a temperature fino a 200 ° C - per manganina stabilizzata e fino a 60 ° C - per manganina non stabilizzata, poiché la manganina non stabilizzata, se riscaldata da 60 ° C e oltre, subirà cambiamenti irreversibili ... che influenzerà le sue proprietà ... Quindi è meglio non riscaldare la manganina non stabilizzata fino a 60 ° C, e questa temperatura dovrebbe essere considerata la massima consentita.

Oggi l'industria produce sia filo di manganese nudo che filo isolante smaltato ad alta resistenza - per la produzione di bobine, isolante in seta e isolante in mylar a due strati.

Costantano

La costantana, a differenza della manganina, contiene più nichel - dal 39 al 41%, meno rame - 60-65%, molto meno manganese - 1-2% - è anche una lega rame-nichel. Il coefficiente di resistenza alla temperatura della costantana si avvicina allo zero: questo è il principale vantaggio di questa lega.

La costantana ha un caratteristico colore bianco-argento, punto di fusione 1270 ° C, densità mediamente di circa 8,9 g / cm3.L'industria produce filo di costantana con un diametro da 0,02 a 5 mm.

Il filo di costantana morbida ricotto ha una resistenza alla trazione di 45 - 65 kg / mmq, la sua resistenza va da 0,46 a 0,48 ohm * mmq / m Per il filo di costantana dura: resistenza alla trazione - da 65 a 70 kg / mq. mm, resistenza - da 0,48 a 0,52 Ohm * mmq / m La termoelettricità della costantana collegata al rame è di 0,000039 volt per grado, il che limita l'uso della costantana nella produzione di resistori di precisione e strumenti di misura elettrici.

Significativo, rispetto alla manganina, il termo-EMF consente l'uso del filo di costantana nelle termocoppie (accoppiato con il rame) per misurare temperature fino a 300 ° C. A temperature superiori a 300 ° C il rame inizierà ad ossidarsi, mentre va notato che la costantana inizierà ad ossidarsi solo a 500 °C.

L'industria produce sia filo di costantana senza isolamento che filo per avvolgimento con isolamento smaltato ad alta resistenza, filo con isolamento in seta a due strati e filo con isolamento combinato: uno strato di smalto e uno strato di seta o lavsan.

Nei reostati, dove la tensione tra spire adiacenti non supera qualche volt, si utilizza la seguente proprietà di un filo permanente: se il filo viene riscaldato a 900°C per pochi secondi e poi raffreddato in aria, il filo risulterà ricoperto con un film di ossido grigio scuro, questo film può servire come una sorta di isolamento, poiché ha proprietà dielettriche.

Leghe resistenti al calore

Nei riscaldatori elettrici e nei forni a resistenza, gli elementi riscaldanti sotto forma di nastri e fili devono poter funzionare per lunghi periodi di tempo a temperature fino a 1200 °C.Né il rame, né l'alluminio, né la costantana, né la manganina sono adatti a questo, perché da 300 ° C iniziano già a ossidarsi fortemente, i film di ossido poi evaporano e l'ossidazione continua. Qui sono necessari fili resistenti al calore.

Fili resistenti al calore ad alta resistenza, resistenti anche all'ossidazione quando riscaldati e con un basso coefficiente di resistenza alla temperatura. Si tratta solo di nicromo e ferronicromi: leghe binarie di nichel e cromo e leghe ternarie di nichel, cromo e ferro.

Esistono anche leghe fechral e chromal-triple di ferro, alluminio e cromo: esse, a seconda della percentuale di componenti inclusi nella lega, differiscono per parametri elettrici e resistenza al calore. Tutte queste sono soluzioni solide di metalli con una struttura caotica.

Il riscaldamento di queste leghe resistenti al calore porta alla formazione sulla loro superficie di uno spesso film protettivo di ossidi di cromo e nichel, resistente alle alte temperature fino a 1100 ° C, proteggendo in modo affidabile queste leghe da ulteriori reazioni con l'ossigeno atmosferico. Quindi i nastri ei fili di leghe resistenti al calore possono lavorare a lungo ad alte temperature, anche in aria.

Oltre ai componenti principali, le leghe includono: carbonio - dallo 0,06 allo 0,15%, silicio - dallo 0,5 all'1,2%, manganese - dallo 0,7 all'1,5%, fosforo - 0,35%, zolfo - 0,03%.

In questo caso il fosforo, lo zolfo e il carbonio sono impurità nocive che aumentano la fragilità, quindi si cerca sempre che il loro contenuto sia ridotto al minimo o meglio eliminato del tutto. Il manganese e il silicio contribuiscono alla disossidazione, rimuovendo l'ossigeno. Nichel, cromo e alluminio, in particolare il cromo, contribuiscono a fornire resistenza a temperature fino a 1200°C.

I componenti in lega servono ad aumentare la resistenza e diminuire il coefficiente di temperatura della resistenza, che è esattamente ciò che è richiesto da queste leghe. Se il cromo è superiore al 30%, la lega risulterà fragile e dura. Per ottenere un filo sottile, ad esempio di 20 micron di diametro, non è necessario più del 20% di cromo nella composizione della lega.

Questi requisiti sono soddisfatti dalle leghe dei marchi Х20Н80 e Х15Н60. Le restanti leghe sono adatte alla produzione di nastri con spessore 0,2 mm e fili con diametro 0,2 mm.

Le leghe del tipo Fechral - X13104, contengono ferro, che le rende più economiche, ma dopo diversi cicli di riscaldamento diventano fragili, quindi durante la manutenzione è inaccettabile deformare le spirali cromatiche e fechrali in uno stato raffreddato, ad esempio, se parliamo su una spirale che funziona a lungo nel dispositivo di riscaldamento. Per la riparazione, è necessario attorcigliare o giuntare solo una spirale riscaldata a 300-400 ° C. In generale, fechral può funzionare a temperature fino a 850 °C e chromal - fino a 1200 °C.

Gli elementi riscaldanti in nichelcromo, a loro volta, sono progettati per il funzionamento continuo a temperature fino a 1100 ° C in modalità stazionarie, leggermente dinamiche, mentre non perderanno né forza né plasticità. Ma se la modalità è bruscamente dinamica, cioè la temperatura cambierà drasticamente molte volte, con frequenti accensioni e spegnimenti della corrente attraverso la bobina, i film protettivi di ossido si spezzeranno, l'ossigeno penetrerà nel nicromo e l'elemento finirà per ossidare e distruggere.

L'industria produce sia fili scoperti in leghe resistenti al calore, sia fili isolati con smalto e vernice siliconica, destinati alla produzione di bobine.

mercurio

Il mercurio merita una menzione speciale perché è l'unico metallo che rimane liquido a temperatura ambiente. La temperatura di ossidazione del mercurio è di 356,9 ° C, il mercurio quasi non interagisce con i gas dell'aria. Le soluzioni di acidi (solforico, cloridrico) e alcali non influenzano il mercurio, ma è solubile in acidi concentrati (solforico, cloridrico, nitrico). Zinco, nichel, argento, rame, piombo, stagno, oro si dissolvono nel mercurio.

La densità del mercurio è di 13,55 g / cm3, la temperatura di transizione dallo stato liquido a quello solido è di -39 ° C, la resistenza specifica è compresa tra 0,94 e 0,95 ohm * mmq / m, il coefficiente di temperatura della resistenza è 0,000990 1 / ° C ... Queste proprietà consentono di utilizzare il mercurio come contatti conduttivi liquidi per interruttori e relè per scopi speciali, nonché nei raddrizzatori al mercurio. È importante ricordare che il mercurio è estremamente tossico.