Обзор самых популярных сплавов сопротивления

"Нихромы" (сплавы Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) известны с начала века и применяются до сих пор как в промышленности, так и в бытовых приборах. Нихром это прецизионный сплав никеля и хрома, обладающий высоким электрическим сопротивлением и жаростойкостью, что определило его дальнейшую судьбу, как основу электронагревательных элементов. Высокое цены на никель обуславливают еще более высокие цены на "нихромовые" проволоки и ленты и породили логичную тенденцию на снижение процентного содержания никеля в нихроме. Погоня за ценой заставляет снизать содержание никеля и хрома в "нихромах", заменяя их на дешевое железо. В результате чего "нихромовая" проволока и лента становится менее пластичной и более ломкой и допускает намотку в спираль только при высоких температурах (более 300 ºС). Часто упоминают, что удельное сопротивление нихрома Х20Н80 мало, а удельный вес велик по сравнению с аналогами, разница в этих характеристиках напрямую зависит от процентной замены никеля железом (как известно никель имеет меньшее удельное сопротивление и больший вес по сравнению с железом). Также железо сильнее подвержено коррозии - сроки хранения "нихромовых" проволок и полос из сплавов с содержанием никеля меньше 80% уменьшаются. И пожалуй самой значительной проблемой этих изменений становиться срок службы "нихромовой" проволоки и ленты в циклах нагрева и полного остывания. "Фехрали" (сплавы Fe-Cr-Al) стали широко применяться с 30-х годов. Имеют по сравнению с "нихромами" такие улучшенные характеристики: более высокая температура применения; больший срок службы при высоких температурах; меньшую удельную плотность сплава; меньшую стоимость. Однако широкому применению "фехрали" вместо "нихрома" долгое время препятствовали плохие механические свойства "фехрали", а именно, низкая пластичность в исходном состоянии (что важно при изготовлении резистивных элементов), а также резкое уменьшение пластичности сплава при эксплуатации (что важно при работе и ремонте резистивных элементов). Многокомпонентные сплавы (база Fe-Cr-Al, легирующие элементы: Si, Y, La, Ce, Zr, Ti.), известные под названиями фирм производителей: Kanthal, Rescal, Aluchrom, и др. Имеют базу близкую к "фехралям" (Fe-Cr-Al). Однако, за счет легирования различными элементами Si, Mn, Zr, Y и другими, а также технологическим особенностям изготовления производителям удалось избавиться от основных недостатков, присущих классическим "фехралям": существенно поднять пластичность, предотвратить сильный рост зерна и межкристаллитное разрушение сплавов при повышенных температурах сохранив основные достоинства этого класса сплавов. Хотя химический состав данных современных сплавов и близок к классическим "фехралям", однако материал имеет ряд существенных отличий: микролегирование Y, La, Ce, Zr, Ti, Si; сниженное содержание С; однородность структуры; уменьшение размера зерна; высокое качество поверхности; высокая плотность слоя защитной пленки Al2O3 , что позволяет избавиться от основных недостатков, присущих классическим "фехралям" существенно поднять пластичность; предотвратить сильный рост зерна и межкристаллитное разрушение сплавов при повышенных температурах, сохранив основные достоинства этого класса сплавов. Превосходные свойства этих материалов обусловлены, в частности, тем, что на их поверхности образуется высокопрочная пленка Al2O3 светло-серого цвета, которая является отличным изолятором и более эффективно предотвращает коррозию по сравнению с оксидом хрома (Cr2O3), образующимся на поверхности нихромов. Пленка оксида хрома менее устойчива, быстрее отслаивается и испаряется (испарение при 1100 'С), что приводит к сокращению срока службы нагревателя. Многокомпонентные сплавы широко используются в электронагревателях сопротивления для многих отраслей промышленности. В большинстве промышленно развитых стран мира доля данных сплавов в общем потреблении сплавов сопротивления составляет свыше 80%. Отличие многокомпонентных сплавов от: " нихромов": Высокая рабочая и максимальная температура применения: Тmax=1200-1350 ºС, Tплавл.=1500 ºС; Срок службы больше в 2-3 раза при работе при температурах выше 1100 ºС. Пример: при Т=1100 ºС, срок службы Х20Н80 как минимум в 2,8 раза ниже чем "Резистом Р", атмосфера - воздух; Плотность ниже, чем у нихрома (7,1-7,2 г/см3 против 8,4 г/см3 у Х20Н80). Экономия на материале составляет 17% по весу; Выше удельное электросопротивление 1,39-1,45 Ом*мм2/м против 1,12 для Х20Н80, что приводит к экономии на материале; Выше значение допустимой поверхностной мощности q (4 Вт/см2 против 2 Вт/см2 для Х20Н80 при Т=1000 ºС); Выше приведенные преимущества позволяют экономить на материале для резистивных элементов 20-30% по весу в сравнении с Х20Н80; Отличная стойкость в воздушной среде, вакууме, аргоне, серосодержащих и СО-содержащих атмосферах, водяном паре; Низкое значение интеркристаллитного окисления; Высокое значение предела ползучести, что уменьшает вероятность провисания элементов; Хорошие механические свойства: высокий предел текучести, хорошая пластичность при комнатной температуре (удлинение более 21%); Низкое стабильное значение ТКЭС; Небольшая зависимость электросопротивления от различных видов теплового воздействия и холодного деформирования; Цена ниже, чем у нихромов. классических "фехралей": Существенно большая пластичность (удельное удлинение) при комнатной температуре: более 21% против 10-12% у классических "фехралей"; Более высокая пластичность сплава после эксплуатации при высоких температурах. Сниженное значение интеркристаллитного окисления; Снижение размера зерна как в исходном состоянии, так и замедленный рост зерна при эксплуатации при высоких температурах - стабильность функциональных свойств; Хорошая "свариваемость" сплавов; Таким образом, именно качество резистивных элементов во многом является определяющим для его параметров и сроков службы. Рынок СНГ до сих пор ориентирован преимущественно на дорогостоящие нихромы. Причин этого много. Отметим лишь, что применение морально устаревших технологий приводит к тому, что отечественные хромоалюминиевые сплавы обладают нестабильными от партии к партии свойствами, а также склонны к высокотемпературному охрупчиванию, межкристаллитному коррозионному разрушению, быстрому проявлению признаков ползучести и, как следствие, провисанию при высоких температурах. Это подталкивает отечественных потребителей сплавов нагрева в основном использовать дорогостоящие сплавы с высоким содержанием никеля типа Х20Н80 и Х15Н60, обладающие заведомо лучшими характеристиками по сравнению с отечественными "фехралями". Проблема заключается еще и в том, что, имея негативный опыт применения отечественных резистивных элементов, потребитель по инерции не доверяет и аналогичным высококачественным зарубежным сплавам нагрева, распространяя на них недостатки, присущие отечественным маркам. От этого страдает прежде всего потребитель конечного продукта - нагревателей. Таким образом, выбор производителя резистивных элементов дело также немаловажное. Ведь зачастую материалы с одинаковыми паспортными характеристиками по разному ведут себя в процессе производства и эксплуатации нагревательных элементов. В течение более чем двадцатилетнего опыта производства нагревательных систем были определены мировые производители самых качественных сплавов сопротивления. На данный момент, в зависимости от типа нагревательной системы и условий ее работы, мы используем продукцию таких производителей как: