Материалы для электронагревателей

Общие требования к сплавам для электронагревательных элементов: высокая жаростойкость, высокое электрическое сопротивление в сочетании с низким температурным коэффициентом сопротивления, пластичность для промышленного получения изделий различного сортамента (проката, проволоки, ленты) и нагревателей.

Количество выделенной теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока, времени прохождения тока и величине сопротивления проводника. Следовательно, для изготовления электронагревателей должны использоваться материалы с высоким электрическим сопротивлением. К таким материалам, кроме того, обеспечивающим высокотемпературный нагрев до 500-800 °С, относят хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе - манганин и константан, а также хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) обладают высоким удельным сопротивлением, теплостойкостью, пластичностью, хорошей механической прочностью и низкой окисляемостью, выдерживают большой перепад температур, а поэтому являются лучшими для этих целей материалами. Хромоникелевые сплавы используют для изготовления нагревательных элементов электрических печей, плиток, паяльников и т. д. Из этих сплавов изготавливают проволоку диаметром 0,02 мм и более и ленту сечением 0,1 х 1,0 мм и более. Высокую жаростойкость нихрома можно объяснить значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах.

Скорость окисления металлов в значительной степени зависит от свойств образующегося окисла. Если окисел летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, окислы вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут эксплуатироваться в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же окисел металла не летуч, то он образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре на воздухе объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения сплавов и их окисных пленок. Поэтому последние не растрескиваются и не отделяются от проволоки при ее нагревании и расширении. Однако хотя температурные коэффициенты расширения сплава и окислов хрома и никеля близки, они не одинаковы. Вследствие этого при резких изменениях температуры может происходить растрескивание слоя окислов; при последующем нагреве кислород проникает в трещины и происходит дополнительное окисление сплава. Следовательно, при многократном кратковременном включении быстро нагревательный элемент из хромоникелевого сплава может перегореть скорее чем в случае непрерывного режима нагрева (температура нагрева одна и та же в обоих сравниваемых случаях срок службы может отличаться в 20-30 раз). Срок службы нагревательных элементов можно увеличить, если заделать спирали в твёрдую инертную среду типа глины-шамота, предохраняющую от механических воздействий и затрудняющую доступ кислорода.

Железохромоалюминиевые сплавы. Существует еще целый класс сплавов, называемых фехралями или ферохромалями, не содержащих ни одного процента никеля, их основа - железо. Так как удельное сопротивление железа выше, чем никеля, то и удельное сопротивление сплава, где процент никеля заменяется железом, будет выше. Более высокое сопротивление позволяет экономить на количестве применяемого материала. К тому же и плотность железа меньше, чем у никеля, значит ‒ дополнительная экономия на весе (от 5 до 7%).

Но есть и негативные последствия этой замены. Фехрали более ломки чем нихром, что важно для проволок. Спирали из них можно навивать только в нагретом состоянии ‒ не менее 300°C. Поверхностный окисел, образующийся у сплавов с применением железа, имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с нихромом. Это становиться значительной проблемой при применении тонких проволок и лент. Рекристализационный порог фехралей находится в районе 600‒650°C, существенно ограничивая количество возможных циклов включения-выключения нагревательных элементов до их разрушения.

Можно сказать, что эти сплавы нашли разную направленность применения в качестве нагревательных элементов. Фехраль незаменима для достижения температур до 1400°C, Х20Н80 применяется вплоть до 1200°C и имеет температуру плавления 1400°C. Фехраль более устойчива в серосодержащей атмосфере, чем нихромовая проволока и лента. Замена никеля на железо означает сокращение возможных циклов включений-выключений при преодолении барьера в 600°C. Никель от того и дорог, что его невозможно заменить железом. Это относиться ко всем нихромам и фехралям без исключения. Частое желание сэкономить на исходном материале оборачивается серьезными затратами при частой замене нагревательных элементов, работающих вне своих технологических режимов.

Дата добавления: 2014-01-15