Materiais de alta resistência, ligas de alta resistência

Para a criação de reostatos, fabricação de resistores de precisão, fabricação de fornos elétricos e vários dispositivos de aquecimento elétrico, condutores de materiais com alta resistência e baixo coeficiente de temperatura de resistência.

Esses materiais na forma de fitas e fios devem ter, preferencialmente, uma resistência de 0,42 a 0,52 ohms * mm2 / m. Esses materiais incluem ligas à base de níquel, cobre, manganês e alguns outros metais. O mercúrio merece atenção especial, pois o mercúrio em sua forma pura possui resistência de 0,94 ohm * sq.mm / m.

As propriedades características exigidas das ligas individualmente são determinadas pela finalidade específica de um determinado dispositivo no qual essa liga será usada.

Por exemplo, a criação de resistores precisos requer ligas com baixa termoeletricidade induzida pelo contato da liga com o cobre. A resistência também deve permanecer constante ao longo do tempo.Em fornos e aquecedores elétricos, a oxidação da liga é inaceitável mesmo em temperaturas de 800 a 1100 ° C, ou seja, aqui são necessárias ligas resistentes ao calor.

Todos esses materiais têm uma coisa em comum - todos são ligas de alta resistividade, razão pela qual essas ligas são chamadas de ligas de alta resistividade elétrica. Os materiais com alta resistência elétrica neste contexto são soluções de metais e possuem uma estrutura caótica, razão pela qual atendem aos requisitos para si mesmos.

Manganina

Manganinas são tradicionalmente usadas para resistência de precisão. As manganinas são compostas de níquel, cobre e manganês. Cobre na composição — de 84 a 86%, manganês — de 11 a 13%, níquel — de 2 a 3%. O mais popular dos manganins hoje contém 86% de cobre, 12% de manganês e 2% de níquel.

Para estabilizar os manganins, um pouco de ferro, prata e alumínio são adicionados a eles: alumínio - de 0,2 a 0,5%, ferro - de 0,2 a 0,5%, prata - 0,1%. As manganinas têm uma cor laranja clara característica, sua densidade média é de 8,4 g / cm3 e seu ponto de fusão é de 960 ° C.

O fio de manganês com um diâmetro de 0,02 a 6 mm (ou uma tira de 0,09 mm de espessura) é duro ou macio. O fio macio recozido tem uma resistência à tração de 45 a 50 kg / mm2, o alongamento é de 10 a 20%, a resistência é de 0,42 a 0,52 ohm * mm / m.

Características do fio sólido: resistência à tração de 50 a 60 kg / mm quadrado, alongamento - de 5 a 9%, resistência - 0,43 - 0,53 ohm * mm quadrado / m. O coeficiente de temperatura dos fios ou fitas de manganina varia de 3 * 10-5 a 5 * 10-5 1 / ° С, e para estabilizado - até 1,5 * 10-5 1 / ° С.

Essas características mostram que a dependência da resistência elétrica da manganina com a temperatura é extremamente insignificante, e isso é um fator a favor da constância da resistência, o que é muito importante para dispositivos elétricos de medição de precisão. A baixa termofem é outra vantagem da manganina e, em contato com elementos de cobre, não excederá 0,000001 volts por grau.

A fim de estabilizar as características elétricas do fio de manganina, ele é aquecido sob vácuo a 400 ° C e mantido nessa temperatura por 1 a 2 horas. O fio é então mantido em temperatura ambiente por um longo tempo para atingir uma uniformidade aceitável de a liga e obter propriedades estáveis.

Em condições normais de operação, esse fio pode ser usado em temperaturas de até 200 ° C - para manganina estabilizada e até 60 ° C - para manganina não estabilizada, pois a manganina não estabilizada, quando aquecida a partir de 60 ° C, sofrerá alterações irreversíveis .o que afetará suas propriedades ... Portanto, é melhor não aquecer a manganina não estabilizada até 60 ° C, e essa temperatura deve ser considerada a máxima permitida.

Hoje, a indústria produz tanto fio de manganês nu quanto fio em isolamento de esmalte de alta resistência - para a fabricação de bobinas, em isolamento de seda e em isolamento de duas camadas de mylar.

Constantan

Constantan, ao contrário do manganin, contém mais níquel - de 39 a 41%, menos cobre - 60-65%, significativamente menos manganês - 1-2% - também é uma liga de cobre-níquel. O coeficiente de resistência de temperatura de constantan se aproxima de zero - esta é a principal vantagem desta liga.

Constantan tem uma cor branca prateada característica, ponto de fusão 1270 ° C, densidade média de cerca de 8,9 g / cm3.A indústria produz fio constantan com diâmetro de 0,02 a 5 mm.

O fio de constantan macio recozido tem uma resistência à tração de 45 a 65 kg / m2, sua resistência é de 0,46 a 0,48 ohm * m2 / m. Para fio de constantan rígido: resistência à tração - de 65 a 70 kg / m2. mm, resistência — de 0,48 a 0,52 Ohm * sq.mm / m. A termoeletricidade do constantan conectado ao cobre é de 0,000039 volts por grau, o que limita o uso do constantan na fabricação de resistores de precisão e instrumentos elétricos de medição.

Significativo, em comparação com a manganina, o termo-EMF permite o uso de fio constantan em termopares (emparelhado com cobre) para medir temperaturas de até 300 ° C. Em temperaturas acima de 300 ° C, o cobre começará a oxidar, embora seja necessário observar que constantan começará a oxidar apenas a 500 °C.

A indústria produz fio constantan sem isolamento e fio enrolado com isolamento de esmalte de alta resistência, fio com isolamento de seda de duas camadas e fio com isolamento combinado - uma camada de esmalte e uma camada de seda ou lavsan.

Em reostatos, onde a tensão entre espiras adjacentes não excede alguns volts, é usada a seguinte propriedade de um fio permanente: se o fio for aquecido a 900 ° C por alguns segundos e depois resfriado ao ar, o fio será coberto com um filme de óxido cinza escuro, esse filme pode servir como uma espécie de isolamento, pois possui propriedades dielétricas.

Ligas resistentes ao calor

Em aquecedores elétricos e fornos de resistência, os elementos de aquecimento na forma de fitas e fios devem ser capazes de operar por longos períodos de tempo em temperaturas de até 1200 °C.Nem cobre, nem alumínio, nem constantan, nem manganina são adequados para isso, porque a partir de 300 ° C eles já começam a oxidar fortemente, os filmes de óxido evaporam e a oxidação continua. Fios resistentes ao calor são necessários aqui.

Fios termorresistentes de alta resistência, também resistentes à oxidação quando aquecidos e com baixo coeficiente de resistência à temperatura. Isso é quase nicromo e ferronicromos — ligas binárias de níquel e cromo e ligas ternárias de níquel, cromo e ferro.

Existem também ligas fechrais e triplas de ferro, alumínio e cromo - elas, dependendo da porcentagem de componentes incluídos na liga, diferem nos parâmetros elétricos e na resistência ao calor. Todas essas são soluções sólidas de metais com estrutura caótica.

O aquecimento dessas ligas resistentes ao calor leva à formação em sua superfície de uma espessa película protetora de óxidos de cromo e níquel, resistente a altas temperaturas de até 1100 ° C, protegendo de forma confiável essas ligas de reações posteriores com o oxigênio atmosférico. Assim, as fitas e fios de ligas resistentes ao calor podem funcionar por muito tempo em altas temperaturas, mesmo no ar.

Além dos componentes principais, as ligas incluem: carbono — de 0,06 a 0,15%, silício — de 0,5 a 1,2%, manganês — de 0,7 a 1,5%, fósforo — 0,35%, enxofre — 0,03%.

Neste caso, o fósforo, o enxofre e o carbono são impurezas nocivas que aumentam a fragilidade, pelo que se procura sempre minimizar o seu teor, ou melhor, eliminá-lo completamente. O manganês e o silício contribuem para a desoxidação, removendo o oxigênio. Níquel, cromo e alumínio, especialmente o cromo, ajudam a fornecer resistência a temperaturas de até 1200°C.

Os componentes da liga servem para aumentar a resistência e diminuir o coeficiente de resistência à temperatura, que é exatamente o que é necessário nessas ligas. Se o cromo for superior a 30%, a liga ficará quebradiça e dura. Para obter um fio fino, por exemplo, de 20 mícrons de diâmetro, não é necessário mais do que 20% de cromo na composição da liga.

Esses requisitos são atendidos por ligas das marcas Х20Н80 e Х15Н60. As demais ligas são adequadas para a produção de tiras com espessura de 0,2 mm e fios com diâmetro de 0,2 mm.

As ligas do tipo Fechral — X13104, contêm ferro, o que as torna mais baratas, mas após vários ciclos de aquecimento tornam-se quebradiças, portanto, durante a manutenção, é inaceitável deformar as espirais cromal e fechral em estado resfriado, por exemplo, se falarmos sobre uma espiral que funciona por muito tempo no dispositivo de aquecimento. Para reparo, apenas uma espiral aquecida a 300-400 ° C deve ser torcida ou emendada. Em geral, fechral pode operar em temperaturas de até 850 °C e cromal - até 1200 °C.

Os elementos de aquecimento de nicromo, por sua vez, são projetados para operação contínua em temperaturas de até 1100 ° C em modos estacionários e levemente dinâmicos, embora não percam resistência ou plasticidade. Mas se o modo for nitidamente dinâmico, ou seja, a temperatura mudará dramaticamente muitas vezes, com frequentes ligando e desligando a corrente através da bobina, os filmes protetores de óxido racharão, o oxigênio penetrará no nicromo e o elemento acabará oxidar e destruir.

A indústria produz tanto fios nus feitos de ligas resistentes ao calor, quanto fios isolados com esmalte e verniz silício-silício, destinados à produção de bobinas.

mercúrio

O mercúrio merece uma menção especial porque é o único metal que permanece líquido à temperatura ambiente. A temperatura de oxidação do mercúrio é de 356,9 ° C, o mercúrio quase não interage com os gases do ar. As soluções de ácidos (sulfúrico, clorídrico) e álcalis não afetam o mercúrio, mas é solúvel em ácidos concentrados (sulfúrico, clorídrico, nítrico). Zinco, níquel, prata, cobre, chumbo, estanho, ouro dissolvem-se em mercúrio.

A densidade do mercúrio é de 13,55 g / cm3, a temperatura de transição do estado líquido para o sólido é de -39 ° C, a resistência específica é de 0,94 a 0,95 ohm * sq.mm / m, o coeficiente de resistência da temperatura é 0 ,000990 1 / ° C ... Essas propriedades permitem o uso de mercúrio como contatos condutores líquidos para chaves e relés de finalidade especial, bem como em retificadores de mercúrio. É importante lembrar que o mercúrio é extremamente tóxico.