Matériaux à haute résistance, alliages à haute résistance

Pour la création de rhéostats, la fabrication de résistances de précision, la fabrication de fours électriques et divers appareils de chauffage électriques, conducteurs de matériaux à haute résistance et à faible coefficient de température de résistance.

Ces matériaux sous forme de rubans et de fils doivent de préférence avoir une résistance de 0,42 à 0,52 ohms * sq.mm / m Ces matériaux comprennent des alliages à base de nickel, de cuivre, de manganèse et de certains autres métaux. Le mercure mérite une attention particulière, car le mercure sous sa forme pure a une résistance de 0,94 ohm * mm² / m.

Les propriétés caractéristiques requises des alliages sur une base individuelle sont déterminées par le but spécifique d'un dispositif particulier dans lequel cet alliage sera utilisé.

Par exemple, la création de résistances précises nécessite des alliages à faible thermoélectricité induite par le contact de l'alliage avec le cuivre. La résistance doit également rester constante dans le temps.Dans les fours et les radiateurs électriques, l'oxydation de l'alliage est inacceptable même à des températures de 800 à 1100 ° C, c'est-à-dire que des alliages résistants à la chaleur sont nécessaires ici.

Tous ces matériaux ont une chose en commun : ce sont tous des alliages à haute résistivité, c'est pourquoi ces alliages sont appelés alliages à haute résistivité électrique. Les matériaux à haute résistance électrique dans ce contexte sont des solutions de métaux et ont une structure chaotique, c'est pourquoi ils répondent eux-mêmes aux exigences.

Manganine

Les manganins sont traditionnellement utilisés pour la résistance de précision. Les manganines sont composées de nickel, de cuivre et de manganèse. Cuivre dans la composition — de 84 à 86 %, manganèse — de 11 à 13 %, nickel — de 2 à 3 %. Le plus populaire des manganins contient aujourd'hui 86 % de cuivre, 12 % de manganèse et 2 % de nickel.

Pour stabiliser les manganins, on leur ajoute un peu de fer, d'argent et d'aluminium: aluminium - de 0,2 à 0,5%, fer - de 0,2 à 0,5%, argent - 0,1%. Les manganins ont une couleur orange clair caractéristique, leur densité moyenne est de 8,4 g/cm3 et leur point de fusion est de 960°C.

Le fil de manganèse d'un diamètre de 0,02 à 6 mm (ou une bande de 0,09 mm d'épaisseur) est soit dur, soit mou. Le fil souple recuit a une résistance à la traction de 45 à 50 kg/mm2, l'allongement est de 10 à 20%, la résistance est de 0,42 à 0,52 ohm * mm/m.

Caractéristiques du fil solide: résistance à la traction de 50 à 60 kg / mm², allongement - de 5 à 9%, résistance - 0,43 - 0,53 ohm * mm² / m Le coefficient de température des fils ou rubans de manganin varie de 3 * 10-5 à 5 * 10-5 1 / ° С, et pour stabilisé - jusqu'à 1,5 * 10-5 1 / ° С.

Ces caractéristiques montrent que la dépendance à la température de la résistance électrique du manganin est extrêmement insignifiante, ce qui est un facteur en faveur de la constance de la résistance, ce qui est très important pour les appareils de mesure électriques de précision. Le faible thermo-emf est un autre avantage du manganin, et en contact avec des éléments en cuivre, il ne dépassera pas 0,000001 volt par degré.

Afin de stabiliser les caractéristiques électriques du fil de manganine, celui-ci est chauffé sous vide à 400°C et maintenu à cette température pendant 1 à 2 heures.Le fil est ensuite maintenu à température ambiante pendant une longue période pour atteindre une homogénéité acceptable de l'alliage et obtenir des propriétés stables.

Dans des conditions de fonctionnement normales, un tel fil peut être utilisé à des températures allant jusqu'à 200 ° C - pour le manganin stabilisé et jusqu'à 60 ° C - pour le manganin non stabilisé, car le manganin non stabilisé, lorsqu'il est chauffé à partir de 60 ° C et plus, subira des modifications irréversibles .ce qui affectera ses propriétés ... Il est donc préférable de ne pas chauffer le manganin non stabilisé jusqu'à 60 ° C, et cette température doit être considérée comme le maximum autorisé.

Aujourd'hui, l'industrie produit à la fois du fil de manganèse nu et du fil en isolation émaillée à haute résistance - pour la fabrication de bobines, en isolation en soie et en isolation en mylar à deux couches.

Constantan

Le constantan, contrairement au manganin, contient plus de nickel — de 39 à 41 %, moins de cuivre — 60-65 %, beaucoup moins de manganèse — 1-2 % — c'est aussi un alliage cuivre-nickel. Le coefficient de température de résistance du constantan se rapproche de zéro - c'est le principal avantage de cet alliage.

Le constantan a une couleur blanc argenté caractéristique, un point de fusion de 1270 ° C, une densité moyenne d'environ 8,9 g / cm3.L'industrie produit du fil de constantan d'un diamètre de 0,02 à 5 mm.

Le fil de constantan doux recuit a une résistance à la traction de 45 à 65 kg / mm², sa résistance est de 0,46 à 0,48 ohm * mm² / m. Pour le fil de constantan dur: résistance à la traction - de 65 à 70 kg / m². mm, résistance - de 0,48 à 0,52 Ohm * sq.mm / M. La thermoélectricité du constantan connecté au cuivre est de 0,000039 volts par degré, ce qui limite l'utilisation du constantan dans la fabrication de résistances de précision et d'instruments de mesure électriques.

Important, par rapport au manganin, le thermo-EMF permet l'utilisation du fil de constantan dans les thermocouples (apparié au cuivre) pour mesurer des températures jusqu'à 300°C. A des températures supérieures à 300°C le cuivre va commencer à s'oxyder, alors qu'il faut noter que le constantan ne commencera à s'oxyder qu'à 500 °C.

L'industrie produit à la fois du fil de constantan sans isolation et du fil de bobinage avec isolation en émail à haute résistance, du fil en isolation en soie à deux couches et du fil en isolation combinée - une couche d'émail et une couche de soie ou de lavsan.

Dans les rhéostats, où la tension entre spires adjacentes ne dépasse pas quelques volts, on utilise la propriété suivante d'un fil permanent : si le fil est chauffé à 900°C pendant quelques secondes puis refroidi à l'air, le fil sera recouvert avec un film d'oxyde gris foncé, ce film peut servir en quelque sorte d'isolant, car il a des propriétés diélectriques.

Alliages résistants à la chaleur

Dans les radiateurs électriques et les fours à résistance, les éléments chauffants sous forme de rubans et de fils doivent pouvoir fonctionner pendant de longues périodes à des températures allant jusqu'à 1200 °C.Ni le cuivre, ni l'aluminium, ni le constantan, ni le manganin ne conviennent pour cela, car dès 300°C ils commencent déjà à s'oxyder fortement, les films d'oxyde s'évaporent alors et l'oxydation se poursuit. Des fils résistants à la chaleur sont nécessaires ici.

Fils résistants à la chaleur à haute résistance, également résistants à l'oxydation lorsqu'ils sont chauffés et avec un faible coefficient de résistance à la température. C'est à peu près nichrome et les ferronichromes - alliages binaires de nickel et de chrome et alliages ternaires de nickel, de chrome et de fer.

Il existe également des alliages féchral et chromal-triple de fer, d'aluminium et de chrome - ils, en fonction du pourcentage de composants inclus dans l'alliage, diffèrent par leurs paramètres électriques et leur résistance à la chaleur. Ce sont toutes des solutions solides de métaux à structure chaotique.

Le chauffage de ces alliages résistants à la chaleur entraîne la formation à leur surface d'un épais film protecteur d'oxydes de chrome et de nickel, résistant aux températures élevées jusqu'à 1100 ° C, protégeant de manière fiable ces alliages d'une réaction ultérieure avec l'oxygène atmosphérique. Ainsi, les rubans et les fils d'alliages résistants à la chaleur peuvent fonctionner longtemps à des températures élevées, même dans l'air.

En plus des composants principaux, les alliages comprennent : le carbone — de 0,06 à 0,15 %, le silicium — de 0,5 à 1,2 %, le manganèse — de 0,7 à 1,5 %, le phosphore — 0,35 %, le soufre — 0,03 %.

Dans ce cas, le phosphore, le soufre et le carbone sont des impuretés nocives qui augmentent la fragilité, c'est pourquoi leur teneur est toujours recherchée pour être minimisée ou mieux pour être complètement éliminée. Le manganèse et le silicium contribuent à la désoxydation en éliminant l'oxygène. Le nickel, le chrome et l'aluminium, en particulier le chrome, contribuent à assurer une résistance à des températures allant jusqu'à 1200°C.

Les composants en alliage servent à augmenter la résistance et à diminuer le coefficient de température de résistance, ce qui est exactement ce dont ces alliages ont besoin. Si le chrome est supérieur à 30%, l'alliage se révélera cassant et dur. Pour obtenir un fil fin, par exemple de 20 microns de diamètre, il ne faut pas plus de 20 % de chrome dans la composition de l'alliage.

Ces exigences sont satisfaites par les alliages des marques Х20Н80 et Х15Н60. Les alliages restants conviennent à la production de bandes d'une épaisseur de 0,2 mm et de fils d'un diamètre de 0,2 mm.

Les alliages de type Fechral - X13104 contiennent du fer, ce qui les rend moins chers, mais après plusieurs cycles de chauffage, ils deviennent cassants. Par conséquent, lors de la maintenance, il est inacceptable de déformer les spirales chromales et féchrales à l'état refroidi, par exemple, si nous parlons à propos d'une spirale qui fonctionne longtemps dans l'appareil de chauffage. Pour la réparation, seule une spirale chauffée à 300-400 ° C doit être tordue ou épissée. En général, le fechral peut fonctionner à des températures allant jusqu'à 850 °C et le chromal jusqu'à 1200 °C.

Les éléments chauffants en nichrome, à leur tour, sont conçus pour un fonctionnement continu à des températures allant jusqu'à 1100 ° C dans des modes stationnaires légèrement dynamiques, sans perdre ni résistance ni plasticité. Mais si le mode est fortement dynamique, c'est-à-dire que la température changera considérablement plusieurs fois, avec une activation et une désactivation fréquentes du courant à travers la bobine, les films d'oxyde protecteurs se fissureront, l'oxygène pénétrera dans le nichrome et l'élément finira par oxyder et détruire.

L'industrie produit à la fois des fils nus en alliages résistants à la chaleur et des fils isolés avec de l'émail et du vernis de silicium au silicium, destinés à la production de bobines.

Mercure

Le mercure mérite une mention spéciale car c'est le seul métal qui reste liquide à température ambiante. La température d'oxydation du mercure est de 356,9 ° C, le mercure n'interagit presque pas avec les gaz de l'air. Les solutions d'acides (sulfurique, chlorhydrique) et d'alcalis n'affectent pas le mercure, mais il est soluble dans les acides concentrés (sulfurique, chlorhydrique, nitrique). Le zinc, le nickel, l'argent, le cuivre, le plomb, l'étain, l'or se dissolvent dans le mercure.

La densité du mercure est de 13,55 g/cm3, la température de transition de l'état liquide à l'état solide est de -39°C, la résistance spécifique est de 0,94 à 0,95 ohm*mm2/m, le coefficient de température de résistance est de 0,000990 1 / ° C ... Ces propriétés permettent d'utiliser le mercure comme contacts conducteurs liquides pour les interrupteurs et relais à usage spécial, ainsi que dans les redresseurs au mercure. Il est important de se rappeler que le mercure est extrêmement toxique.