Вопрос 17
СПЛАВЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Общие сведения. Определение понятия «сплав высокого сопротивления» и области применения этих сплавов уже были указаны выше (стр. 186). При использовании этих сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления р, требуются высокая стабильность р во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, и малый коэффициент термоЭДС в паре данного сплава с медью. Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000 °С и даже выше). Кроме того, во многих случаях требуется технологичность сплавов — возможность изготовления из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка --сотых долей миллиметра). Наконец, желательно, чтобы сплавит—используемые для приборов, производимых в больших количествах, — реостатов, электроплиток, электрических чайников, паяльников, — были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
Манганин. Это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Си —85%, Мп—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; ар весьма мал, (5 —30)-10~с К"1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1—2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку: часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения сср и стабильности р во времени манганиновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг д__вакууме при температуре 550—600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200 °С. Предельно длительно допустимая рабочая температура сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: ар = 450—600 МПа, МП = 15—30 %. Плотность манганина 8,4 Мг/м3.
Константин — сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ар в системе Си —Ni при довольно высоком значении р (см. рис. 7-3, а и б). Название «константан» объясняется значительным постоянством р при изменении температуры [для сплавов типа константана ар при нормальной температуре составляет минус (5—25)-10"в К"' при р = 0,48— 0,52 мкОмм].
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-ЭДС константана в паре с медью, а также с железом: его коэффициент термо-ЭДС в паре с медью составляет 45—55 мкВ/К (рис. 7-27). Это является недостатком при использовании констан-тановых 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 потенцио-метрических методах измерений. Зато константан с успехом можег быть использован при изготовлении термопар, служащих для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов (рис. 7-27), кривые 3 и 4).
Широкому применению констапгана 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 (стр. 183), 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 (см. рис. 7-10); чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сг, тем менее нагревостоек этот сплав.
Сплавы системы Fe — Ni — Сг называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами (табл. 7-6); сплавы системы Fe — Сг — А1 называются фехралями и хромалями (табл. 7-7). Происхождение названий этих сплавов не требует разъяснения. 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 обозначает ниобий, В —вольфрам, Г —марганец, Д —медь, К —кобальт, Л —бериллий, Н — никель, Т —титан, X —хром, Ю —алюминий и т. п.), а число — приблизительное содержание данного компонента 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 Х23Ю5 соответствует сплаву с содержанием хрома 23 % и алюминия —около 5 %.
Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента счлава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если он 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 пшмюетупе 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 сменах 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 скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же температуре.
Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплаг, ,г? существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются1 и легче перегорают.
Длительность работы электронагревательных элементе» из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах спираль 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 MgO). 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: ар = 650—700 МПа, МП = 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 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. Некоторые свойства этих сплавов приведены в табл. 7-7.
СПЛАВЫ ДЛЯ ТЕРМОПАР
Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: капель (56 % Си и 44 % N1), алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90 % Ni и 10 % Сг), пттинвродай (90 % Pt и 10 % Rh).
Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платано родий — платина до 1600С,
медь — константан и медь — капель — до> 360С.
Наибольшую термо-ЭДС при данной разности температур развивает термопара хромель — копель. Знак термо-ЭДС у приведенных на рис. 7-27 термопар таков, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму (т. е-, от хромел» к копелю, от меди: к константаиу), а: в горячем спае — в обратном направлении.
Весьма значительными коэффициентами термо-ЭДС обладают некоторые полупроводниковые материалы, которые, в частности, могут использоваться для изготовления термоэлектрических генераторов (см. стр. 266).
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
Эта сплавы применяются в преобразователях деформации различных кон~ струкцдй иод действием механических (обычно растягивающих) усилий. Действи таких преобразователей основано на изменении сопротивления при деформациях тензометрического элемента.
Основным материалом для тензопреобразователей, работающих при сравнительно невысоких температурах, является описанный выше константан.
КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные, а также скользящие контакты).
Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны обеспечивать высокую надежность (исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, а также приваривания их друг к другу под действием возникающей при разрыве контакта электрической дуги) при малом переходном электрическом сопротивлении контакта в замкнутом состоянии.
В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов, применяются различные сплавы и металлокерамические композиции. Большое применение имеет материал системы Ag—CdO при содержании оксида кадмия 12—20 % по массе. Такой материал получается при нагреве в окислительной атмосфере сплава серебро — кадмий. Для разрывных контактов в установках большой мощности применяют композиции kg с Со, Ni, Сг, VV, Мо и Ta^Cu__c W и Мо; Аи с W и Мо.
^Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для этой цели применяют холоднотянутую (твердую) медь, берилли-евую бронзу (см. выше), а также материалы системы Ag—-CdO. Щетки, служащие для создания скользящего контакта во вращающихся электрических машинах, описаны ниже на стр. 226.