Hochbeständige Materialien, hochbeständige Legierungen

Zur Herstellung von Rheostaten, zur Herstellung von Präzisionswiderständen, zur Herstellung von Elektroöfen und verschiedenen elektrischen Heizgeräten, Leitern aus Materialien mit hohem und niedrigem Widerstand Temperaturkoeffizient des Widerstands.

Diese Materialien in Form von Bändern und Drähten sollten vorzugsweise einen Widerstand von 0,42 bis 0,52 Ohm * mm² / m haben. Zu diesen Materialien gehören Legierungen auf Basis von Nickel, Kupfer, Mangan und einigen anderen Metallen. Besondere Aufmerksamkeit verdient Quecksilber, da Quecksilber in seiner reinen Form einen Widerstand von 0,94 Ohm * mm² / m hat.

Die charakteristischen Eigenschaften, die für Legierungen im Einzelfall erforderlich sind, werden durch den spezifischen Zweck eines bestimmten Geräts bestimmt, in dem diese Legierung verwendet wird.

Beispielsweise erfordert die Herstellung präziser Widerstände Legierungen mit geringer Thermoelektrizität, die durch den Kontakt der Legierung mit Kupfer entsteht. Der Widerstand sollte auch über die Zeit konstant bleiben.In Öfen und Elektroheizungen ist eine Oxidation der Legierung selbst bei Temperaturen von 800 bis 1100 °C nicht akzeptabel, d.h. hier werden hitzebeständige Legierungen benötigt.

Alle diese Materialien haben eines gemeinsam: Sie sind alle Legierungen mit hohem spezifischem Widerstand, weshalb diese Legierungen als Legierungen mit hohem elektrischem Widerstand bezeichnet werden. Materialien mit hohem elektrischem Widerstand sind in diesem Zusammenhang Lösungen von Metallen und haben eine chaotische Struktur, weshalb sie die Anforderungen für sich erfüllen.

Manganin

Manganine werden traditionell zur Präzisionsresistenz eingesetzt. Manganine bestehen aus Nickel, Kupfer und Mangan. Kupfer in der Zusammensetzung – 84 bis 86 %, Mangan – 11 bis 13 %, Nickel – 2 bis 3 %. Das heute beliebteste Manganin enthält 86 % Kupfer, 12 % Mangan und 2 % Nickel.

Um Manganine zu stabilisieren, wird ihnen etwas Eisen, Silber und Aluminium zugesetzt: Aluminium – 0,2 bis 0,5 %, Eisen – 0,2 bis 0,5 %, Silber – 0,1 %. Manganine haben eine charakteristische hellorange Farbe, ihre durchschnittliche Dichte beträgt 8,4 g/cm3 und ihr Schmelzpunkt liegt bei 960 °C.

Mangandraht mit einem Durchmesser von 0,02 bis 6 mm (oder ein Streifen mit einer Dicke von 0,09 mm) ist entweder hart oder weich. Geglühter weicher Draht hat eine Zugfestigkeit von 45 bis 50 kg/mm2, die Dehnung beträgt 10 bis 20 %, der Widerstand beträgt 0,42 bis 0,52 Ohm * mm/m.

Eigenschaften von Massivdraht: Zugfestigkeit von 50 bis 60 kg / mm², Dehnung - von 5 bis 9 %, Widerstand - 0,43 - 0,53 Ohm * mm² / m. Der Temperaturkoeffizient von Manganindrähten oder -bändern variiert zwischen 3 * 10-5 bis 5 * 10-5 1 / ° С und für stabilisierte - bis zu 1,5 * 10-5 1 / ° С.

Diese Eigenschaften zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Manganin äußerst unbedeutend ist, was ein Faktor ist, der für die Konstanz des Widerstands spricht, die für elektrische Präzisionsmessgeräte sehr wichtig ist. Ein weiterer Vorteil von Manganin ist die geringe Thermospannung, die bei Kontakt mit Kupferelementen 0,000001 Volt pro Grad nicht überschreitet.

Um die elektrischen Eigenschaften des Manganindrahtes zu stabilisieren, wird dieser unter Vakuum auf 400 °C erhitzt und 1 bis 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wird der Draht längere Zeit bei Raumtemperatur gehalten, um eine akzeptable Gleichmäßigkeit zu erreichen der Legierung und erhalten stabile Eigenschaften.

Unter normalen Betriebsbedingungen kann ein solcher Draht bei Temperaturen bis zu 200 °C – für stabilisiertes Manganin und bis zu 60 °C – für unstabilisiertes Manganin verwendet werden, da unstabilisiertes Manganin beim Erhitzen ab 60 °C irreversible Veränderungen erfährt .was sich auf seine Eigenschaften auswirkt ... Daher ist es besser, unstabilisiertes Manganin nicht auf 60 °C zu erhitzen, und diese Temperatur sollte als die maximal zulässige Temperatur angesehen werden.

Heute produziert die Industrie sowohl blanken Mangandraht als auch Draht in emaillierter Isolierung mit hoher Festigkeit – für die Herstellung von Spulen, in Seidenisolierung und in zweischichtiger Mylar-Isolierung.

Konstantan

Konstantan enthält im Gegensatz zu Manganin mehr Nickel – 39 bis 41 %, weniger Kupfer – 60–65 %, deutlich weniger Mangan – 1–2 % – es handelt sich außerdem um eine Kupfer-Nickel-Legierung. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Konstantan geht gegen Null – das ist der Hauptvorteil dieser Legierung.

Konstantan hat eine charakteristische silberweiße Farbe, einen Schmelzpunkt von 1270 ° C und eine durchschnittliche Dichte von etwa 8,9 g / cm3.Die Industrie produziert Konstantandraht mit einem Durchmesser von 0,02 bis 5 mm.

Der geglühte weiche Konstantandraht hat eine Zugfestigkeit von 45 bis 65 kg/mm², sein Widerstand beträgt 0,46 bis 0,48 Ohm * mm²/m. Für harten Konstantandraht: Zugfestigkeit — von 65 bis 70 kg/mm². mm, Widerstand – von 0,48 bis 0,52 Ohm * mm² / m. Die Thermoelektrizität von Konstantan in Verbindung mit Kupfer beträgt 0,000039 Volt pro Grad, was die Verwendung von Konstantan bei der Herstellung von Präzisionswiderständen und elektrischen Messgeräten einschränkt.

Die im Vergleich zu Manganin signifikante Thermo-EMF ermöglicht die Verwendung von Konstantandraht in Thermoelementen (gepaart mit Kupfer) zur Messung von Temperaturen bis zu 300 °C. Bei Temperaturen über 300 °C beginnt Kupfer zu oxidieren, wobei zu beachten ist, dass Konstantan beginnt erst bei 500 °C zu oxidieren.

Die Industrie produziert sowohl Konstantandraht ohne Isolierung als auch Wickeldraht mit hochfester Emaille-Isolierung, Draht mit zweischichtiger Seidenisolierung und Draht mit kombinierter Isolierung – einer Schicht Emaille und einer Schicht Seide oder Lavsan.

Bei Rheostaten, bei denen die Spannung zwischen benachbarten Windungen einige Volt nicht überschreitet, wird die folgende Eigenschaft eines Dauerdrahtes genutzt: Wenn der Draht einige Sekunden lang auf 900 ° C erhitzt und dann an der Luft abgekühlt wird, wird der Draht bedeckt mit einem dunkelgrauen Oxidfilm. Dieser Film kann als eine Art Isolierung dienen, da er dielektrische Eigenschaften hat.

Hitzebeständige Legierungen

Bei Elektroheizungen und Widerstandsöfen müssen die Heizelemente in Form von Bändern und Drähten über lange Zeiträume bei Temperaturen bis zu 1200 °C betrieben werden können.Weder Kupfer, noch Aluminium, noch Konstantan, noch Manganin sind dafür geeignet, denn ab 300 °C beginnen sie bereits stark zu oxidieren, die Oxidfilme verdampfen dann und die Oxidation geht weiter. Hier werden hitzebeständige Drähte benötigt.

Hitzebeständige Drähte mit hohem Widerstand, auch beständig gegen Oxidation bei Erwärmung und mit niedrigem Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Das ist gerade so Nichrom und Ferronicrome – binäre Legierungen aus Nickel und Chrom und ternäre Legierungen aus Nickel, Chrom und Eisen.

Es gibt auch Fechral- und Chrom-Dreifachlegierungen aus Eisen, Aluminium und Chrom – sie unterscheiden sich je nach Anteil der in der Legierung enthaltenen Komponenten in ihren elektrischen Parametern und ihrer Wärmebeständigkeit. All dies sind feste Lösungen von Metallen mit chaotischer Struktur.

Durch Erhitzen dieser hitzebeständigen Legierungen bildet sich auf ihrer Oberfläche ein dicker Schutzfilm aus Chrom- und Nickeloxiden, der hohen Temperaturen bis 1100 °C standhält und diese Legierungen zuverlässig vor einer weiteren Reaktion mit Luftsauerstoff schützt. So können Bänder und Drähte aus hitzebeständigen Legierungen auch an der Luft lange bei hohen Temperaturen arbeiten.

Zu den Legierungen gehören neben den Hauptbestandteilen: Kohlenstoff – 0,06 bis 0,15 %, Silizium – 0,5 bis 1,2 %, Mangan – 0,7 bis 1,5 %, Phosphor – 0,35 %, Schwefel – 0,03 %.

In diesem Fall sind Phosphor, Schwefel und Kohlenstoff schädliche Verunreinigungen, die die Sprödigkeit erhöhen. Daher wird stets versucht, ihren Gehalt zu minimieren oder besser vollständig zu eliminieren. Mangan und Silizium tragen zur Desoxidation bei und entfernen Sauerstoff. Nickel, Chrom und Aluminium, insbesondere Chrom, sorgen für eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 1200 °C.

Die Legierungsbestandteile dienen dazu, den Widerstand zu erhöhen und den Temperaturkoeffizienten des Widerstands zu verringern, was genau das ist, was von diesen Legierungen gefordert wird. Wenn der Chromanteil mehr als 30 % beträgt, wird die Legierung spröde und hart. Um einen dünnen Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise 20 Mikrometern zu erhalten, sind nicht mehr als 20 % Chrom in der Legierungszusammensetzung erforderlich.

Diese Anforderungen werden von Legierungen der Marken Х20Н80 und Х15Н60 erfüllt. Die übrigen Legierungen eignen sich zur Herstellung von Bändern mit einer Dicke von 0,2 mm und Drähten mit einem Durchmesser von 0,2 mm.

Legierungen vom Typ Fechral – X13104 – enthalten Eisen, was sie billiger macht, aber nach mehreren Erhitzungszyklen werden sie spröde, daher ist es während der Wartung nicht akzeptabel, die Chromal- und Fechral-Spiralen im abgekühlten Zustand zu verformen, wenn wir beispielsweise darüber reden etwa eine Spirale, die lange im Heizgerät arbeitet. Zur Reparatur sollte lediglich eine auf 300-400 °C erhitzte Spirale gedreht oder gespleißt werden. Im Allgemeinen kann Fechral bei Temperaturen bis zu 850 °C und Chromal bis zu 1200 °C betrieben werden.

Nichrom-Heizelemente wiederum sind für den Dauerbetrieb bei Temperaturen bis 1100 °C im stationären, leicht dynamischen Modus ausgelegt, verlieren dabei aber weder an Festigkeit noch an Plastizität. Wenn der Modus jedoch stark dynamisch ist, d oxidieren und zerstören.

Die Industrie produziert sowohl blanke Drähte aus hitzebeständigen Legierungen als auch mit Emaille und Siliziumlack isolierte Drähte, die für die Herstellung von Spulen bestimmt sind.

Quecksilber

Eine besondere Erwähnung verdient Quecksilber, da es das einzige Metall ist, das bei Raumtemperatur flüssig bleibt. Die Oxidationstemperatur von Quecksilber beträgt 356,9 °C, Quecksilber interagiert fast nicht mit Luftgasen. Lösungen von Säuren (Schwefelsäure, Salzsäure) und Laugen haben keinen Einfluss auf Quecksilber, es ist jedoch in konzentrierten Säuren (Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure) löslich. Zink, Nickel, Silber, Kupfer, Blei, Zinn, Gold lösen sich in Quecksilber.

Die Dichte von Quecksilber beträgt 13,55 g/cm3, die Übergangstemperatur vom flüssigen in den festen Zustand beträgt -39 °C, der spezifische Widerstand beträgt 0,94 bis 0,95 Ohm * mm²/m, der Temperaturkoeffizient des Widerstands beträgt 0,000990 1 / ° C ... Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von Quecksilber als flüssigkeitsleitende Kontakte für Spezialschalter und Relais sowie in Quecksilbergleichrichtern. Es ist wichtig zu bedenken, dass Quecksilber äußerst giftig ist.