Электроматериаловедение - Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением
ГЛАВА III. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С БОЛЬШИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ § 14. Общие требования В. ряде случаев от проводниковых материалов требуется высокое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления. Перечисленными свойствами обладают сплавы на основе меди, никеля и марганца, а также других металлов. Из чистых металлов сюда следует отнести ртуть, так как она обладает большим удельным сопротивлением (q = 0,94 ом-мм2/м) . Наибольшее применение имеют проводниковые сплавы с большим удельным сопротивлением (q = 0,42—0,52 ом-мм2/м). Проволока и ленты из этих сплавов применяются для изготовления точных (образцовых) сопротивлений, пусковых и регулирующих реостатов, электронагревательных приборов и электрических печей сопротивления. В каждом из перечисленных случаев применения эти сплавы должны иметь дополнительные свойства, определяемые назначением прибора, в котором он используется. Так, сплавы, применяемые для изготовления точных сопротивлений, должны еще обладать малой термоэлектродвижущей силой (термо-э. д. с.) при контакте (в паре) с медью. Кроме того, они должны обеспечивать постоянство электрического сопротивления во времени. Для таких областей применения, как электронагревательные приборы, электрические печи сопротивления и другие устройства, работающие при высоких температурах (800--1100° С), требуются проводниковые материалы, могущие длительно работать при высоких температурах без заметного окисления. Этим требованиям удовлетворяют жаростойкие проводниковые сплавы. Общим же свойством всех перечисленных сплавов является их большое удельное электрическое сопротивление, поэтому они называются сплавами высокого электрического сопротивления. Эти сплавы представляют собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой . Они удовлетворяют перечисленным выше требованиям.
§ 15. Проводниковые сплавы высокого сопротивления на основе меди и никеля
Проводниковыми сплавами, применяемыми для изготовления точных (образцовых) сопротивлений, являются манганины. Они состоят из меди (Cu), марганца (Mn) и никеля (Ni). Наиболее распространенным является манганин состава: Cu 86%; Mn 12%; Ni 2%. Вообще сплавы типа манганина могут содержать: Cu 84— 86%; Mn 11—13%; Ni 2—3%. Для стабилизации свойств в манганины вводят: серебро (0,1%), железо (0,2 + 0,5%) и алюминий (0,2 + 0,5%). Цвет манганинов светло-оранжевый. Среднее значение плотности 8,4 г/см3, температура плавления 960°С или несколько выше. Из манганинов изготовляют мягкие и твердые сорта проволоки*. Основные характеристики мягкой (отожженной) проволоки: предел прочности при разрыве аь =45 + 50 кГ/мм2; относительное удлинение б„ = 10—20%, удельное сопротивление q = 0,42-+ + 0,52 ом-мм2/м. Основные характеристики твердой манганиновой проволоки: аь =50 + 60 кГ/мм2; бл = 5 + 9%; q = 0,43 + 0,53 ом-мм2/м. Из сплавов типа манганина изготовляют проволоку и ленту.
* ПММ — проволока манганиновая мягкая; ПМТ — проволока манганиновая твердая; ПМС — проволока манганиновая стабилизированная.
Манганиновая проволока выпускается диаметром от 0,02 до 6,0 мм. Манганиновая лента выпускается толщиной от 0,09 мм и больше. У манганиновых изделий (проволока, ленты) температурный коэффициент сопротивления находится в пределах а=(3 + 5)х 10-5 1/° С; у стабилизированных сортов манганина а-(0 + 1,5)х Х10-» 1/°С. Эти данные показывают, что манганин имеет весьма малую зависимость электрического сопротивления от температуры, что очень важно для обеспечения постоянства величины сопротивления в точных электроизмерительных устройствах. Вторым достоинством манганина является очень малая термо-э. д. с., развиваемая этим сплавом в контакте с медью, которая равна 0,9—1,0 мкв/град. Для стабилизации электрических свойств манганиновой проволоки ее подвергают тепловой обработке в вакууме, заключающейся в выдержке в течение 1—2 ч при 400° С и длительном выдерживании при комнатной температуре. В результате этого улучшается однородность сплава и стабилизируются его свойства. Наибольшая допустимая рабочая температура для манганина 200° С, но у нестабилизированных сортов манганина, начиная с 60° С, уже наблюдается необратимое изменение свойств. Поэтому сопротивления из нестабилизированной манганиновой проволоки не рекомендуется нагревать выше 60°С. Минимальная температура для проводов из манганина равна — 60° С. Кроме голой манганиновой проволоки, мягкой и твердой, наша промышленность выпускает манганиновые обмоточные провода с эмалевой высокопрочной изоляцией (марки: ПЭВММ-1; ПЭВММ-2; ПЭВМТ-2) и с другими видами эмалевой изоляции . Кроме того, выпускаются манганиновые провода с изоляцией из натурального шелка (марки: ПШДММ и ПШДМТ), а также провода, изолированные двумя слоями волокнистой изоляции из лавсана (марки ПЛДММ), и другие. Константин также относится к медно-никелевым сплавам, но в отличие от манганина содержит значительно больше никеля. В состав сплавов типа константана входят: медь 60—65%, никель 41—* 39% и марганец 1—2%. Характерной особенностью константана является очень незначительная величина его температурного коэффициента сопротивления. Практически он принимается равным нулю (а = 0). Поэтому электрическое сопротивление константана не изменяется с изменением температуры, что является достоинством сплава. Цвет константана серебристо-белый, температура плавления его 1270° С, среднее значение плотности 8,9 г/см3. Из константана изготовляют мягкие и твердые сорта проволоки диаметром от 0,02 до 5,0 мм. Основные характеристики мягкой (отожженной) константановой проволоки: аь =45-ь65 кГ/мм2; q = 0,46-=-0,48 ом-мм2/м. Характеристики твердой проволоки: сг& =65-=-70 кГ/мм2; д=0,48-ь -ь0,52 ом-мм2/м. Константан в паре с медью создает большую термо-э. д. с., равную 39 мне/град, что не дает возможности применять константан в точных сопротивлениях и электроизмерительных приборах. Константановая проволока применяется для изготовления реостатов и термопар. В термопарах константановая проволока чаще всего используется в паре с медной. Спай константановой и медной проволоки при нагреве развивает значительную по величине термо- э. д. с., что дает возможность измерять температуры до 300° С. При температурах выше 300° С начинается сильное окисление меди. Заметное окисление голой константановой проволоки начинается при температурах от 500° С и выше. Кроме голой (неизолированной) константановой проволоки, наша промышленность выпускает константановые обмоточные провода с высокопрочной эмалевой изоляцией (марки: ПЭВКМ-1; ПЭВКМ-2; ПЭВКТ-1; ПЭВКТ-2), провода, изолированные двумя слоями пряжи из натурального шелка (марка ПШДК) или лавсана (марка ПЛДК), а также провода, изолированные эмалью и одним слоем натурального шелка, или лавсанового волокна (марки ПЭШОК; ПЭЛОК и др.). При нагревании голой константановой проволоки до 900° С в течение нескольких секунд и последующего охлаждения на воздухе на ее поверхности образуется сплошная пленка из окислов. Эта оксидная пленка имеет темно-серый цвет и обладает электроизоляционными свойствами. Она используется в качестве естественной изоляции между витками константановой проволоки, например в реостатах, где напряжение между витками не превосходит нескольких вольт.
§ 16. Жаростойкие проводниковые сплавы
Для нагревательных элементов, применяемых в электронагревательных приборах и печах сопротивления, необходимы проволока и ленты, могущие длительно работать при температурах от 800 до 1200°С. Описанные ранее чистые металлы (медь, алюминий и др.), а также сплавы (манганин и константан) непригодны для этого, так как интенсивно окисляются, начиная с температуры 300— 500° С. Образующиеся на них защитные пленки окислов легко испаряются и не защищают металл от дальнейшего окисления. Для электронагревательных приборов нужны жаростойкие проводниковые сплавы высокого сопротивления, т. е. стойкие к окислению при высоких температурах. Кроме того, эти сплавы должны обладать большим удельным сопротивлением и малой величиной температурного коэффициента сопротивления а. Перечисленным требованиям удовлетворяют сплавы двух типов: двойные сплавы на основе никеля (Ni) и хрома (Сг), называемые нихромами, и тройные сплавы на основе никеля, хрома и железа, называемые ферронихромами. Кроме того, находят применение тройные сплавы железа, хрома и алюминия, называемые фехралями и хромалями. Эти сплавы отличаются различным содержанием составляющих их компонентов и соответственно разной жаростойкостью и электрическими характеристиками.