Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормаль­ных условиях составляют не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение α_ρ, а также малая термо-э. д. с. относительно меди. Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать на воздухе при температурах порядка 1000 °C. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространёнными в практике являются сплавы на медной основе – манганин и константан, а также хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

М a нганин – основной сплав на медной основе для электроиз­мерительных приборов и образцовых резисторов; состав и свойства его приведены в таблице. Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Из манганина изготавливают также ленту толщиной 0,01 – 1 мм и шириной 10 – 300 мм.

Для получения малого α_ρи высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке – отжигу при 350 – 550 °С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

Константан – сплав меди и никеля (таблица 2.6). Содержание никеля в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму α_ρ для сплавов Сu–Ni

Константан хорошо поддаётся обработке; его можно протягивать в про­волоку и прокатывать в ленту тех же раз­меров, что и из манганина. Значение α_ρ константана близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак.

Таблица 2.6 - Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает (400 – 450) °С.

При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется плёнка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изо­ляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если только напряжение между соседними витками не превышает 1 В. Таким образом, напри­мер, изготавливают реостаты. Для окисления константановой проволоки, дающей достаточно гибкую и прочную плёнку окисла, требуется быстрый (не более 3 с) нагрев проволоки до температуры 900 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Константан в паре с медью или железом приобретает большую термо-э.д.с. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; за счёт разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э.д.с, которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах.

Константан с успехом применяют для изготовления термопар, кото­рые служат для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) 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 накалённом состоянии при доступе кислорода. Если же окисел металла нелетуч, 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 её нагревании и расширении.

Сплавы системы Fe – Ni – Сr называются нихромамиили (при повышенном содержании Fe) ферронихромами;сплавы системы Fe – Сr – Al называются фехралямии хромалями. Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента – никеля.

Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дёшевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы:

копель(56 % Сu и 44 % Ni);

алюмель(95% Ni, остальное Al, Si и Mg);

хромель(90 % Ni и 10 % Сr);

платинородий(90% Pt и 10 % Rn).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

 платинородий – платина– до 1600 °С,

медь – константан и медь – капель–до 350 °С,

железо - константан, железо - капель и хромель - капель– до 1600 °С, хромель – алюмель– до 900 – 1000 °С.

Наибольшую термоэдс при данной разности температур развивает термопара хромель – копель.

Припои и флюсы

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка осуществляется или с целью создания механически прочного (иногда гер­метичного) шва, или с целью получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой на­греваются. Так как припой имеет температуру плавления значительно меньшую, чем у соединяемых металлов, то он плавится, в то время как спаиваемые металлы остаются твёрдыми. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твёрдого металла происходят сложные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями.

Припои принято делить на две группы: мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до       400 °С, а к твёрдым – припои с температу­рой плавления свыше 500 °С. Кроме температуры плавления, припои существенно различаются и по механическим свойствам. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении о_р не выше (50 – 70) МПа, а твёрдые – до 500 МПа.

Тип припоя выбирают, сообразуясь с родом спаиваемых металлов или сплавов, требуемой механической прочностью, коррозионной стойкостью, стоимостью и – при пайке токоведущих частей – с удельной электрической проводимостью припоя. Мягкими припоями в основном являются припои оловянно-соинцовые (марка ПОС) с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет (9 – 13)% удельной проводимости стандартной меди, а температурный коэффициент линейного расширения α_l - (26-27)·10⁶ K^-1. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Еще более легкоплавки припои, в состав которых входят висмут и кадмий. Они применяются там, где требуется пониженная температура пайки; механическая прочность их очень незначительна. Висмутовые припои обладают большой хрупкостью.

Наиболее распространённые твёрдые припои – медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр).

По действию, оказываемому на металл, подвергающийся пайке, флюсы делятся на несколько групп.

Это вспомогательные материалы для получения надёжной пайки. Они должны:

1) растворять и удалять оксиды и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов;

2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный при­пой от окисления;

3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

Активные или кислотные флюсы. Они приготовляются на основе активных веществ: соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов и т. д. Эти флюсы интенсивно растворяют оксидные плёнки на поверхности металла, бла­годаря чему обеспечивается хорошая адгезия, а следовательно, и высокая меха­ническая прочность спая. Остаток флюса после пайки вызывает интенсивную кор­розию спая и основного металла. Применяются эти флюсы только в том случае, когда возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса.

При монтажной пайке электрорадиоприборов применение активных флюсов недопустимо.

Бескислотные флюсы. Так называют канифоль и флюсы, приготовляемые на её основе с добавлением неактивных веществ (спирт, глицерин).

Активированные флюсы. Так называют флюсы, приготовляемые на основе канифоли с добавкой активаторов – небольших количеств солянокислого или фосфорно­кислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина и т. п. Вы­сокая активность некоторых активированных флюсов позволяет производить пайку без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.

Антикоррозийные флюсы. Это флюсы на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии.