Materiales de alta resistencia, aleaciones de alta resistencia

Para la creación de reóstatos, la fabricación de resistencias de precisión, la fabricación de hornos eléctricos y diversos dispositivos de calefacción eléctrica, conductores de materiales con alta resistencia y baja coeficiente de temperatura de resistencia.

Estos materiales en forma de cintas y alambres deben tener preferentemente una resistencia de 0,42 a 0,52 ohmios * mm2 / m Estos materiales incluyen aleaciones a base de níquel, cobre, manganeso y algunos otros metales. El mercurio merece una atención especial, ya que el mercurio en estado puro tiene una resistencia de 0,94 ohmios * mm2 / m.

Las propiedades características requeridas de las aleaciones en forma individual están determinadas por el propósito específico de un dispositivo particular en el que se utilizará esa aleación.

Por ejemplo, la creación de resistencias precisas requiere aleaciones con baja termoelectricidad inducida por el contacto de la aleación con el cobre. La resistencia también debe permanecer constante en el tiempo.En hornos y calentadores eléctricos, la oxidación de la aleación es inaceptable incluso a temperaturas de 800 a 1100 ° C, es decir, aquí se necesitan aleaciones resistentes al calor.

Todos estos materiales tienen una cosa en común: todos son aleaciones de alta resistividad, por lo que estas aleaciones se denominan aleaciones de alta resistividad eléctrica. Los materiales con alta resistencia eléctrica en este contexto son soluciones de metales y tienen una estructura caótica, por lo que cumplen los requisitos por sí mismos.

manganina

Las manganinas se utilizan tradicionalmente para la resistencia de precisión. Las manganinas están compuestas de níquel, cobre y manganeso. El cobre en la composición — del 84 al 86 %, el manganeso — del 11 al 13 %, el níquel — del 2 al 3 %. La más popular de las manganinas hoy en día contiene 86% de cobre, 12% de manganeso y 2% de níquel.

Para estabilizar las manganinas, se les agrega un poco de hierro, plata y aluminio: aluminio — de 0,2 a 0,5%, hierro — de 0,2 a 0,5%, plata — 0,1%. Las manganinas tienen un color anaranjado claro característico, su densidad promedio es de 8.4 g/cm3, y su punto de fusión es de 960 °C.

El alambre de manganeso con un diámetro de 0,02 a 6 mm (o una tira de 0,09 mm de espesor) es duro o blando. El alambre blando recocido tiene una resistencia a la tracción de 45 a 50 kg / mm2, el alargamiento es de 10 a 20%, la resistencia es de 0,42 a 0,52 ohm * mm / m.

Características del alambre sólido: resistencia a la tracción de 50 a 60 kg / mm2, alargamiento - de 5 a 9%, resistencia - 0,43 - 0,53 ohmios * mm2 / m El coeficiente de temperatura de los alambres o cintas de manganina varía de 3 * 10-5 a 5 * 10-5 1 / ° С, y para estabilizado - hasta 1.5 * 10-5 1 / ° С.

Estas características muestran que la dependencia de la temperatura de la resistencia eléctrica de la manganina es extremadamente insignificante, y esto es un factor a favor de la constancia de la resistencia, que es muy importante para los dispositivos de medición eléctrica de precisión. La baja termoemf es otra ventaja de la manganina y, en contacto con elementos de cobre, no excederá los 0,000001 voltios por grado.

Para estabilizar las características eléctricas del hilo de manganina, se calienta al vacío a 400 °C y se mantiene a esta temperatura durante 1 a 2 horas, luego se mantiene el hilo a temperatura ambiente durante un largo tiempo para lograr una uniformidad aceptable de la aleación y obtener propiedades estables.

En condiciones normales de operación, dicho alambre se puede usar a temperaturas de hasta 200 ° C, para manganina estabilizada y hasta 60 ° C, para manganina no estabilizada, ya que la manganina no estabilizada, cuando se calienta desde 60 ° C y más, sufrirá cambios irreversibles. lo que afectará a sus propiedades... Por lo tanto, es mejor no calentar la manganina no estabilizada hasta 60 ° C, y esta temperatura debe considerarse la máxima permisible.

Hoy en día, la industria produce tanto alambre de manganeso desnudo como alambre con aislamiento de esmalte de alta resistencia, para la fabricación de bobinas, aislamiento de seda y aislamiento de mylar de dos capas.

Constantán

Constantan, a diferencia de la manganina, contiene más níquel, del 39 al 41 %, menos cobre, del 60 al 65 %, significativamente menos manganeso, del 1 al 2 %; también es una aleación de cobre y níquel. El coeficiente de temperatura de resistencia de constantan se acerca a cero; esta es la principal ventaja de esta aleación.

Constantan tiene un color blanco plateado característico, punto de fusión 1270 ° C, densidad en promedio alrededor de 8,9 g / cm3.La industria produce alambre de constantán con un diámetro de 0,02 a 5 mm.

El alambre de constantán blando recocido tiene una resistencia a la tracción de 45 a 65 kg / mm2, su resistencia es de 0,46 a 0,48 ohmios * mm2 / m Para el alambre de constantán duro: resistencia a la tracción de 65 a 70 kg / mm2. mm, resistencia: de 0,48 a 0,52 ohmios * mm2 / m La termoelectricidad del constantán conectado al cobre es de 0,000039 voltios por grado, lo que limita el uso del constantán en la fabricación de resistencias de precisión e instrumentos de medición eléctrica.

Significativo, en comparación con la manganina, termo-EMF permite el uso de alambre de constantan en termopares (junto con cobre) para medir temperaturas de hasta 300 ° C. A temperaturas superiores a 300 ° C, el cobre comenzará a oxidarse, aunque se debe tener en cuenta que Constantan comenzará a oxidarse solo a 500 ° C.

La industria produce alambre de constantan sin aislamiento y alambre para bobinas con aislamiento de esmalte de alta resistencia, alambre con aislamiento de seda de dos capas y alambre con aislamiento combinado: una capa de esmalte y una capa de seda o lavsan.

En los reóstatos, donde el voltaje entre espiras adyacentes no supera unos pocos voltios, se utiliza la siguiente propiedad de un cable permanente: si el cable se calienta a 900 °C durante unos segundos y luego se enfría al aire, el cable se cubrirá. con una película de óxido gris oscuro, esta película puede servir como una especie de aislante, ya que tiene propiedades dieléctricas.

Aleaciones resistentes al calor

En calentadores eléctricos y hornos de resistencia, los elementos calefactores en forma de cintas y alambres deben poder operar durante largos períodos de tiempo a temperaturas de hasta 1200 °C.Ni el cobre, ni el aluminio, ni el constantan, ni la manganina son adecuados para esto, porque a partir de los 300°C ya comienzan a oxidarse fuertemente, luego las películas de óxido se evaporan y la oxidación continúa. Aquí se necesitan cables resistentes al calor.

Alambres resistentes al calor con alta resistencia, también resistentes a la oxidación cuando se calientan y con un coeficiente de resistencia de baja temperatura. Esto es solo sobre nicromo y ferronicromos: aleaciones binarias de níquel y cromo y aleaciones ternarias de níquel, cromo y hierro.

También hay aleaciones fechral y chromal-triple de hierro, aluminio y cromo que, según el porcentaje de componentes incluidos en la aleación, difieren en los parámetros eléctricos y la resistencia al calor. Todas estas son soluciones sólidas de metales con una estructura caótica.

El calentamiento de estas aleaciones resistentes al calor conduce a la formación en su superficie de una gruesa película protectora de óxidos de cromo y níquel, resistente a altas temperaturas de hasta 1100 ° C, que protege de manera confiable estas aleaciones de una reacción posterior con el oxígeno atmosférico. Por eso, las cintas y los alambres de aleaciones resistentes al calor pueden funcionar durante mucho tiempo a altas temperaturas, incluso en el aire.

Además de los componentes principales, las aleaciones incluyen: carbono — de 0,06 a 0,15 %, silicio — de 0,5 a 1,2 %, manganeso — de 0,7 a 1,5 %, fósforo — 0,35 %, azufre — 0,03 %.

En este caso, el fósforo, el azufre y el carbono son impurezas nocivas que aumentan la fragilidad, por lo que siempre se busca minimizar su contenido o mejor eliminarlo por completo. El manganeso y el silicio contribuyen a la desoxidación, eliminando el oxígeno. El níquel, el cromo y el aluminio, especialmente el cromo, ayudan a brindar resistencia a temperaturas de hasta 1200°C.

Los componentes de la aleación sirven para aumentar la resistencia y disminuir el coeficiente de temperatura de resistencia, que es exactamente lo que se necesita de estas aleaciones. Si el cromo es más del 30%, la aleación resultará quebradiza y dura. Para obtener un alambre delgado, por ejemplo, de 20 micras de diámetro, no se necesita más del 20% de cromo en la composición de la aleación.

Estos requisitos los cumplen las aleaciones de las marcas Х20Н80 y Х15Н60. Las aleaciones restantes son adecuadas para la producción de tiras con un espesor de 0,2 mm y alambres con un diámetro de 0,2 mm.

Las aleaciones del tipo Fechral — X13104 contienen hierro, lo que las hace más baratas, pero después de varios ciclos de calentamiento se vuelven quebradizas, por lo tanto, durante el mantenimiento es inaceptable deformar las espirales cromal y fechral en un estado enfriado, por ejemplo, si hablamos sobre una espiral que funciona durante mucho tiempo en el dispositivo de calefacción. Para la reparación, solo se debe torcer o empalmar una espiral calentada a 300-400 ° C. En general, fechral puede funcionar a temperaturas de hasta 850 °C y chromal, hasta 1200 °C.

Los elementos calefactores de nicromo, a su vez, están diseñados para un funcionamiento continuo a temperaturas de hasta 1100 ° C en modos estacionarios, ligeramente dinámicos, mientras que no perderán fuerza ni plasticidad. Pero si el modo es marcadamente dinámico, es decir, la temperatura cambiará dramáticamente muchas veces, con frecuentes encendidos y apagados de la corriente a través de la bobina, las películas protectoras de óxido se agrietarán, el oxígeno penetrará en el nicromo y el elemento eventualmente se romperá. oxidar y destruir.

La industria produce tanto alambres desnudos hechos de aleaciones resistentes al calor como alambres aislados con esmalte y barniz de silicona, destinados a la producción de bobinas.

mercurio

El mercurio merece una mención especial porque es el único metal que permanece líquido a temperatura ambiente. La temperatura de oxidación del mercurio es de 356,9 °C, el mercurio casi no interactúa con los gases del aire. Las soluciones de ácidos (sulfúrico, clorhídrico) y álcalis no afectan al mercurio, pero es soluble en ácidos concentrados (sulfúrico, clorhídrico, nítrico). El zinc, el níquel, la plata, el cobre, el plomo, el estaño y el oro se disuelven en mercurio.

La densidad del mercurio es de 13,55 g/cm3, la temperatura de transición de estado líquido a sólido es de -39 °C, la resistencia específica es de 0,94 a 0,95 ohm * mm2/m, el coeficiente de temperatura de resistencia es de 0,000990 1 / ° C ... Estas propiedades hacen posible el uso de mercurio como contactos conductores líquidos para interruptores y relés de propósito especial, así como en rectificadores de mercurio. Es importante recordar que el mercurio es extremadamente tóxico.