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 металлы (медь, алюминий и др.), а также сплавы ( манганин и константан) не пригодны для этого, так как они интенсивно окисляются, начиная с температуры 400С. Образующие на них 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 малой величиной температурного коэффициента сопротивления а, перечисленным требованиям удовлетворяют сплавы двух типов: двойные сплавы на основе никеля (Ni) и хрома (Cr),называемыми нихромами и тройные сплавы на основе никеля хрома и железа, называемыми ферронихромами. Кроме того, находят применение тройные сплавы железа хрома и алюминия, называемыми фехралями и хромалями. Эти сплавы отличаются различным содержанием их составляющих компонентов
Все перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы металлов неупорядоченной структуры. При нагревании этих сплавов на их поверхности образуется плотная защитная пленка состоящая из окиси хрома и закиси никеля. Это пленка устойчива при высоких температурах (900 – 1200С), и она надежно защищает сплавы от соприкосновения их с кислородом воздуха. Этим обеспечивается длительная работа проволоки и лент, изготовленных из жаростойких сплавов.
В табл.4.приведены основной состав и свойства жаростойких сплавов высокого электрического сопротивления.
В марках сплавов буквы обозначают главные части сплава: хром (Х), никель (Н), алюминий (Ю), и титан (Т). Цифра, стоящая за соответствующей буквой, указывает (в среднем) количестве этого металла в сплаве. Например, в нихроме марки Х20Н80 содержится хрома 20%, а никеля 80%. В то же время в обозначениях марок сплавов невозможно отразить точное содержание всех компонентов сплава.
Кроме основных компонентов, перечисленных в (табл. 4), в состав жаростойких сплавов еще входит углерод (0.06 – 0.015%), кремний (0.5 – 1.2) марганец (0.7 – 1.5%) фосфор (0.35%) и сера (0.03%). Сера фосфор и углерод – вредные примеси, так как они повышают хрупкость сплавов. Марганец и кремний являются раскислителями, т.е. они позволяют устранить из сплавов кислород, ухудшающий их свойства. Введение же марганца и кремния в сплавы в большом количестве вызывает хрупкость сплавов. Присутствие в сплавах никеля, алюминия и особенно хрома обеспечивать жаростойкость сплавов (900 – 1200С). Кроме того, эти компоненты увеличивают удельное сопротивление р и снижают величину температурного коэффициента сопротивления, что и требуется для этих сплавов. Содержание в сплавах хрома больше 30% приводит к повышенной хрупкости и твердости сплавов. Изготовление тонкой проволоки (диаметром 0.01мм) производится из сплавов, в которых содержание хрома не превышает 20%. Это сплавы марок Х15Н60 и Х20Н80. Проволока диаметром больше 0.2 мм и лента толщиной 0.2 мм и выше изготовляются из сплавов остальных марок.
Железо, вводимое в сплавы фехраль и хромаль, удешевляет их, но после нескольких нагревов у этих сплавов наблюдается резкое возрастание хрупкости. Поэтому спирали из фехраля и хромаля, проработавших в электронагревательных приборах, не должны подвергаться деформации (при ремонте) в холодном состоянии. Сращивания и скрутки проволок из этих сплавов должны производиться в подогретом (300- 400°С)состоянии. Наибольшая допустимая температура для нагревательных элементов из фехраля равна 800 – 850°С, а для нагревательных элементов хромаля 1000 – 1200°С.
Нагревательные элементы из нихрома могут длительно работать при температурах 900 – 1100°С, не изменяя своей пластичности и механической прочности. Однако они надежно работают лишь в стационарном режиме. При частых же включениях и выключениях, вызывающее резкое изменение температуры нихромовых спиралей, может происходить растрескивание защитных пленок на их поверхности. Это вызовет проникновение кислорода воздуха к поверхности нихрома и приведет к его окислению и разрушению.
Кроме перечисленных сплавов, были разработаны железо-хромо-алюминиевые сплавы, известные под № 1, 2, 3 и 4. Наибольший интерес представляют сплавы № 2 и 3, допускающие высокие рабочие температуры (1250 – 1350°С) и обладающие удовлетворительными технологическими свойствами. Сплав № 2 допускает переработку его в проволоку при комнатной температуре, а сплав № 3 – в нагретом состоянии. Нагревательные элементы из сплава № 4 могут быть получены только методом литья. Состав и основные свойства сплавов №2, 3 и 4 приведены в табл. . недостатками этих сплавов являются трудность их переработки и нарастание хрупкости в процессе эксплуатации.
Таблица 4
| Название сплава | Марка сплава | Состав, % | Удельное „сопротивление ом мм2/м | Температурный коэффициент сопротивления 10 1/°С | Допустимая температура °С | ||||
| хром | никель | Алюми ний | титан | железо | |||||
| Нихром | Х15Н60 | 15-18 | 55-61 | 1.02-1.15 | 900-1000 | ||||
| ,,... | Х20Н80 | 20-23 | 75-80 | - | - | - | 1.02-1.12 | 1000- 1100 | |
| Ферронихром | Х20Н80Т | 19-23 | - | 0.4 | остальное | 1.04-1.17 | 950- ПО | ||
| Х20Н80ТЗ | 19-23 | Остальное | - | 2.0-2.9 | 2.5 | 1.18-136 | 950-1100 | ||
| Фехраль | Х13Ю4 | 12-15 | 0.6 | 3.5-5.5 | - | остальное | 1.2-1.3 | 800-850 | |
| Х17Ю5 | 16-19 | 0.6 | 4-6 | - | - | 1.2-1.5 | 850-900 | ||
| Хромаль | ОХ25Ю5 | 23-27 | 0.6 | 4.5-6.5 | - | остальное | 1.3-1.5 | 1100-1200 | |
| сплав | № 1 | 16-18 | - | 4.5-6.5 | - | 76-80 | 1.3-1.5 | 800-950 | |
| №2 | 23-27 | - | 5-7 | - | 66-72 | 1.4-1.6 | |||
| №3 | 40-45 | - | 7-12 | - | 43-53 | 1.8-2.0 | 1.6 |