Общие требования к сплавам для электронагревательных элементов: высокая жаростойкость, высокое электрическое сопротивление в сочетании с низким температурным коэффициентом сопротивления, пластичность, необходимая для промышленного получения изделий различного сортамента (проката, проволоки, ленты) и нагревателей.
Количество выделенной теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока, времени прохождения тока и величине сопротивления проводника. Следовательно, для изготовления электронагревателей должны использоваться материалы с высоким электрическим сопротивлением. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе − манганин и константан. К таким материалам, кроме того, обеспечивающими высокотемпературный нагрев до 500 ч 800 °С, относятся хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.
Хромоникелевые сплавы (нихромы) обладают высоким удельным сопротивлением, теплостойкостью, пластичностью, хорошей механической прочностью и низкой окисляемостью, выдерживают большой перепад температур, а поэтому являются лучшими для этих целей материалами. Хромоникелевые сплавы 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 0,1-1,0 мм и более. Высокую жаростойкость нихрома можно объяснить значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах.
Срок службы нагревательных элементов можно увеличить, если поместить спирали в твёрдую инертную среду типа глины-шамота, предохраняющую от механических воздействий и затрудняющую доступ кислорода.
Железохромоалюминиевые сплавы.
Существует целый класс сплавов, называемых фехралями или ферохромалями, не содержащих ни одного процента никеля, их основа − железо. Так как удельное сопротивление железа выше, чем никеля, то и удельное сопротивление сплава, где никель заменяется железом, будет выше.
Фехрали более ломки по сравнению с нихромом. Спирали из них можно навивать только в нагретом состоянии ‒ при температурах не менее 300°C. Рекристализационный порог фехралей находится в диапазоне температур 600 - 650 °C, существенно ограничивая количество возможных циклов включения-выключения нагревательных элементов до их разрушения.
Поверхностный окисел, образующийся у сплавов с железом, имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с нихромом.
Фехраль незаменим для достижения температур до 1400°C, хромоникелевый сплав Х20Н80 применяется вплоть до 1200°C и имеет температуру плавления 1400°C. Фехраль более устойчива в серосодержащей атмосфере, чем нихромовая проволока и лента. Замена никеля на железо означает сокращение возможных циклов включений-выключений при преодолении барьера в 600°C.
Материалы для термопар
Термопара – два различных проводника, один конец которых спаян и помещен в место измерения температуры (горячий контакт), а свободные концы помещены в термостат (холодный контакт). Термопары служат датчиками для измерения температуры.
Компенсационные провода – термопарная проволока, которая служит для передачи термо-эдс от свободных концов термопары к измерительным устройствам. В качестве компенсационных проводов используется более дешевая термопарная проволока с не столь строго контролируемыми параметрами.
Подавляющее большинство термопар изготавливают из следующих сплавов: копель, алюмель, хромель, константан, платинородий (90% Pt и 10% Rh).
Алюмель (95% Ni, остальное – Al, Si и Mn) имеет удельное электрическое сопротивление 3,2·10-6 Ом·м, температурный коэффициент линейного расширения 13,7·10-6 К-1, плотность 8,48 г/см3, температуру плавления 1430 - 1450 °C.
Копель (56% Cu, 44% Ni) имеет плотность 8,9 г/см3, температуру плавления 1220 - 1290 °C, температурный коэффициент линейного расширения 14·10-6 К-1, удельное электрическое сопротивление 0,5·10-6 Ом·м, жаростоек до 600 °С.
Хромель (90% Ni, 10% Cr) обладает плотностью 8,71 г/см3, температура плавления 1400 - 1500 °C, температурный коэффициент линейного расширения 12,8·10-6 К-1, удельное электрическое опротивление 0,66·10-6 Ом·м, отличается большой жаростойкостью
Константан (40% Ni, 1,5% Mn, остальное – Cu) имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5·10-6 Ом·м), низкое значение термического коэффициента электрического сопротивления, температурный коэффициент линейного расширения 14,4·10-6 °К1, плотность константана 8,8 ч 8,9 г/см3, температура плавления около 1260 °C. Для константана характерна высокая термо-ЭДС в паре с медью, железом, хромелем и низкая термо-ЭДС по отношению к меди.
Платинородий (90% Pt, 10% Rh) используется в паре с платиной для измерения высоких температур, поверки рабочих термопар и как эталонная термопара. При длительном применении пределы измерения температуры составляют от -20 до 1300 °С, при кратковременном — от -20 до 1600 °С. Недостатком термопары платинародий-платина является сравнительно небольшая развиваемая термо-ЭДС.
Термопары можно применять для измерения следующих температур: платинародий – платина до 1600oС; медь – константан и медь – копель до 350°С; железо – константан, железо – копель и хромель – копель до 600°С; хромель – алюмель до 900 – 1000°С. Из применяемых в практике термопар наибольшую термо-эдс при данной разности температур имеет термопара хромель – копель.
Причины нестабильной работы:
-активная среда;
- загрязнения примесями из атмосферы;
-летучесть компонентов;
-резкие перегибы и деформации, которые вносят внутренние напряжения и создают физическую неоднородность.