Нихром и Фехраль: характеристика сплавов и их различия

Состав

В составе нихрома содержится около 20% никеля и до 80% хрома.

Кроме того, в сплаве могут присутствовать добавки в виде марганца, алюминия, железа, кремния и пр.

Введение в состав нихрома лигатур повышает эксплуатационные показатели и технические параметры металла:

• никель и железо улучшает обрабатываемость;
• железо, титан, алюминий и марганец снижают сопротивляемость повышенным температурам;
• при наличии в сплаве железа нихром приобретает магнитные свойства.

Повышение добавок может ухудшать характеристики металла.

От количества никеля зависит температура, которую способны выдержать нагревательные элементы.

Содержание хрома в сплаве должно быть не более 20%. Увеличение количества хрома повышает хрупкость и ухудшает обрабатываемость металла. При его содержании в сплаве более 30% становится невозможной холодная прокатка и волочение материала.

От количества хрома зависит прочность защитной пленки и стойкость к окислению.

Свойства нихрома

Сплав отличается хорошей пластичностью и высоким электрическим сопротивлением. Его показатель может составлять от 1100 до 1400 Ом·мм²/м в зависимости от марки металла.

Таблица 1. Технические характеристики нихрома.

Изделия из нихрома легко деформируются, сохраняя заданную форму.

Нихром не обладает магнитными свойствами за исключением сплава, в составе которого имеется лигатура железа.

Рисунок 2. Нагревательный элемент.

Что такое нихром? Свойства и применения нихрома. Описание нихрома

История нихрома началась в 1905-ом году. Сплав изобрел Альберт Марш. Ученый из США запатентовал одну формулу. Сейчас же существует около 10-ти вариантов рецептуры, поэтому понятие «нихром» разрослось до обозначения ни одного, а группы сплавов.

Что такое нихром?

Альберт Марш соединил когда-то около 80% никеля и 20% хрома. В формулах, составленных позже, первого элемента может быть от 55%, а второго от 15%. В качестве примесей добавляют алюминий, железо, марганец, кремний, молибден, титан. В первом в истории варианте смеси лигатуры не было.

Физические и химические свойства нихрома

От пропорций металлов в сплаве зависят его свойства. Чем больше хрома, тем меньше смесь подвержена окислению. Почему же максимальный показатель содержания хрома в сплаве равен 20%? Почему нельзя купить нихром, к примеру, с 30% хрома? Дело в том, что перебор этого металла уменьшает пластичность, данные обработки смеси. Холодной прокатке или волочению ее уже не подвергнешь.

Обрабатываемость нихрома улучшает не только никель, но и железо в качестве лигатуры. Однако, такое добавление уменьшает сопротивляемость состава жару. Железообогащенный нихром выдерживает температуры лишь до 900 градусов Цельсия.

Сплав с лигатурой железа – единственная магнитная разновидность нихрома. Все остальные варианты смеси не обладают магнитными свойствами.

Нихром с легкостью выдерживает температуры до 1 400 градусов Цельсия при рецептуре только из никеля и хрома. Понижают показатель, кроме железа, добавки титана, алюминия, марганца. Составу в чистом виде переносить жар помогает образующаяся на его поверхности оксидная пленка. Она утончается при сторонних примесях.

При небольшом нагреве, велико и электро-сопротивление нихрома. Его показатель – 1,05-1,4 мм2/м. К тому же, нихром крипоустойчив. Это означает способность материала, при определенном нагреве, удлинятся за определенный промежуток времени. Кроме того, сплав пластичный, его легко деформировать. При этом, нихром отлично держит приданную ему форму.

Один из минусов сырья – ограниченный период службы. Это особенно касается небольших элементов из сплава. Чем шире, к примеру, проволока нихром, тем дольше она служит. Необходимость периодически заменять элементы из сплава в приборах привела к настоящему ажиотажу на нихром в 20-ом веке. Крупные производители стали закупать состав в прок, опустошая рынок. Дефицит вызвало и резкое расширение списка сфер применения смеси никеля с хромом. К тому же, закупки сплава (так оно и по сей день) стараются осуществлять в момент падения ценника на никель. Для этого следят за торгами на бирже. Успеть надо в короткие периоды спада стоимости. Это опять же приводит к ажиотажу.

В промышленности нихром во многом заменил железо, ведь смесь никеля с хромом не искрит, не оставляет привкуса гари, не дает неприятного запаха. Удельное сопротивление нихрома в 70 раз превышает этот показатель у меди, а оцинкованную сталь сплав обходит в 10 раз.

Применение нихрома

Проволока нихром, пластины, болты, спирали – неотъемлемые части почти всех нагревательных приборов. Сплав не плавится и не окисляется при высоких температурах. Этим не может похвастаться большинство других смесей металлов.Единственный заменитель нихрома придуман на рубеже 20-го и 21-го веков. Имя аналога – фехраль. Однако, аналог этот относителен. Рабочих циклом он выдерживает меньше, температуры переносить не такие большие. Зато, сплав дешевле, ведь не содержит дорогостоящего никеля. Вместо него хром дополняют алюминий и железо. На стоимость влияет и производственный цикл. Фехраль делать гораздо проще нихрома.

Тем не менее, солидные производители стараются делать выбор в пользу пусть и более дорогого, но и более качественного сплава. Нихром есть в тостерах, духовках, хлебопекарнях, печах для обжига и сушки, обогревателях. Сплав также находит применение в реостатах и резисторах. Нихром есть в паяльниках и электрических лампах.

Жаропрочный сплав также наносят при газотермическом напылении. В нем нихром выступает подслоем термоустойчивого покрытия. Применение находит и лом нихрома. Его переплавляют, и материал вновь идет в дело. Некоторые сдают детали из сплава в пункты приема металлов. За один килограмм нихрома дают примерно 200 рублей. Для сравнения, за килограмм алюминия, к примеру, скупщики готовы выложить всего около 40-ка рублей.

Выбор в пользу нихрома часто делают в случаях, когда выбирают сплав для применения в агрессивных средах. Так, сплав никеля с хромом используют в химических лаборатория. Состав не вступает в реакции с большинством кислот и щелочей.

Стоимость нихрома

Двухкомпонентный сплав оценивают почти в 1 000 рублей. Столько просят за килограмм при покупке в розницу. Таким образом, на нихром цена в 4 раза больше, чем на фехраль. Однако, большинство марок нихрома с лигатурой стоят в районе 500-600-от рублей. Но, и фехраль встречается по 150-100 рублей за килограмм. Ценник обусловлен процентным соотношением в сплаве хрома и алюминия, а также наличием и качеством лигатуры. Интересно, что нихромом называется еще и один из интернет браузеров. Его разработали специалисты на базе так называемого «хромиума». Имя этого движка, более известного как Google Chrome, и легло в основу названия продукта.

Как и всем интернет-продуктам, нихрому ищут замену. Но, пока, кроме фехраля вариантов нет. Тем не менее, ученые и металлурги продолжают эксперименты, смешивая известные металлы во всевозможных пропорциях. Это погоня за знанием, качеством и, конечно, финансовой выгодой.

Марки нихрома

К наиболее распространенным в промышленности маркам относятся:

• Х20Н80 — классический сплав, содержащий около 20% хрома и 80% никеля;
• Х15Н60 — в сплаве уменьшено содержание хрома и никеля, увеличено содержание железа до 25%;
• Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ) — сплавы, получаемые в вакуумных индукционных печах;
• Н50К10, Х25Н20 — марки нихрома, используемые для работы при температуре до 900°С.

Сплавы, получаемые в вакуумных индукционных печах, отличаются тем, что их электросопротивление мало меняется при изменении температуры.

Расшифровка марок:

• Х – хром(Cr);
• Н – никель(Ni);

Цифрами обозначено процентное содержание состава.

Дополнительные буквы означают:

• ВИ — вакуумно-индукционная плавка;
• Н — категория греющих элементов;
• С — использование в элементах сопротивления;
• ТЭН —предназначено для электронагревателей сухого типа.

Например, марка Х20Н73ЮМ-ВИ обозначает: содержание хрома – 20%, никеля – 73%, алюминия – 3%, молибдена – 1,5%, марганца – до 0,3%, титана – до 0,05%, железа – 2%, углерода – до 0,05%. Сплав выплавлен с помощью вакуумно-индукционного метода.

Назначение и свойства изделий из нихрома определяется химическим составом сплава.

Международные обозначения

В международных наименованиях нихрома можно встретить обозначения:

• Cronix 80;
• NiCr80/20;
• Nichrome V;
• Chromel A;
• HAI-NiCr 80;
• Ni80Cr20;
• Nikrothal 8;
• Resistohm 80;
• евронихром.

Европейские аналоги ферронихрома: NiCr60/15, Ni60Cr15, ChromelCN6, Nikrothal 6, Nikrothal 60, CroniferII, AlloyC.

Марки

Распространенными и востребованными в промышленности считаются две марки сплава: Х20Н80, Х15Н60. Пример расшифровки:

• Х – Хром; • 20 – процентное содержание Хрома в сплаве; • Н – Никель; • 80 – процентное содержание Никеля.

Также в сплав могут вводить вспомогательные присадки на основе Циркония. В обозначении добавляют индекс Н.

В некоторых случаях, производитель вводит в название индекс метода производства Нихрома. Например, «-ВИ» означает индукционную плавку под глубоким вакуумом.

Достоинства и недостатки

Сплавы нихрома отличаются высоким электрическим сопротивлением.

Показатели удельного сопротивления нихрома в 10 раз выше, чем у оцинкованной стали и в 70 раз превышают показатели меди.

К другим достоинствам относятся:

• высокая механическая прочность и твердость;
• жаростойкость и отсутствие температурных деформаций;
• малый удельный вес и хорошая пластичность;
• устойчивость к коррозии и воздействию агрессивных сред;

Материал легко поддается обработке: заточке, штамповке, сварке и т. д. Не меняет своих характеристик под действием высоких температур.

Благодаря устойчивости к коррозии и агрессивной внешней среде сплав имеет практически неограниченный срок службы.

К недостаткам материала относится высокая стоимость.

Уменьшение процентного содержания хрома в сплаве удешевляет изделия, но и понижает технические свойства материала.

Фехраль: описание и характеристики

Фехраль (Fecral)

– сплав, в химическом составе которого основными компонентами выступают железо (Fe), хром (Cr) и алюминий (Al), отсюда и название. Чаще всего процентное содержание элементов в составе сплава такое: Fe – 5,0-5,5%, Cr – 12,0-15,0%, Al – 3,5-5,5%, также возможно присутствие в составе марганца, кремния и титана.

Самые востребованные марки Фехрали — FeCrAl 125, FeCrAl 135, FeCrAl 140, FeCrAl 145 и FeCrAl H.

Очень часто Фехраль называют Канталом. В принципе, это один и тот же сплав – FeCrNi, вот только Кантал (Kanthal) – это зарегистрированное название производителем проволоки из сплава фехраля.

Самыми популярными являются три типа Кантала:

• Kanthal D
  – сплав, в химическом составе которого 4,8% алюминия;
• Kanthal A
  – сплав, в химическом составе которого 5,3% алюминия;
• Kanthal A-1
  – сплав, в химическом составе которого 5,8% алюминия.

Различие в процентном содержании алюминия в химическом составе сплавов немного влияет на удельное сопротивление.

Также можно встретить такие названия фехраля, как: еврофехраль, мегапир, Aluchrom, Resistohm.

Основные свойства фехраля:

• максимальная рабочая температура — 14000С; температура плавления фехрали – 15000С;
• высокое удельное электрическое сопротивление;
• стойкость к повышенным поверхностным нагрузкам;
• устойчивость к окислению в условиях атмосферы на основе серы;
• высокая жаростойкость и устойчивость к окислению на воздухе;
• отличная пластичность и способность долго держать форму;
• долговечность.

Из марок фехраля изготавливают проволоку, прутки, ленты, пластины, нагревательные спирали.

Этот металлопрокат применяют в:

• производстве нагревательных элементов в мощных промышленных и лабораторных печах;
• производстве резисторов электровозов и моторвагонных подвижных составов;
• производстве бытовой технике: сушилки, духовые печи и т.д.;
• изготовлении резисторов и блоков сопротивления;
• изготовление электронных сигарет.

Изготовление проволоки и ленты из нихрома

Практически во всех электрических печах и электроприборах в качестве нагревательных элементов используется нихромовая проволока, нить или лента.

Существует несколько способов изготовления изделий из нихрома:

1. Волочение проволоки и нити с промежуточной термообработкой. Непосредственно перед волочением катанку диаметром 6-8 мм нагревают в специальных печах до температуры 1170-1230°С и быстро охлаждают. Температура нагрева заготовки зависит от состава сплава. Следующий этап — травление катанки в смеси соляной и азотной кислоты с водой.

Волочение нихромовой проволоки выполняют с применением высокого давления. Производство изделий методом волочения регламентируется требованиями ГОСТ 8803-89

1. Волочение горячекатаной заготовки для получения ленты из нихрома. Такой способ позволяет на выходе получить высококачественную полосу, точно соответствующую профилю и сечению волочильного канала. Получаемая лента отличается высоким качеством и отсутствием острых кромок.
2. Холоднотянутая протяжка. Способ применяется для изготовления проволоки и нитей из нихрома. Осуществляется без предварительного прогрева заготовки. Регламентируется ГОСТ 12766.1-90
3. Холодная прокатка. Применяется для изготовления ленты из нихрома. Выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 12766.2-90.
4. Плющение — применяется для изготовления ленты из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Выполняется по ГОСТ 12766.5-90.

Лента из нихрома.

Размеры, механические свойства и другие параметры проволоки из нихрома регламентируются государственными стандартами или техническими условиями.

Характеристики и свойства сплава

Среди сталей аналогичной специализации наибольшей популярностью пользуется нихром Х20Н80, характеристики которого оптимально подходят для изготовления из сплава деталей для электрических нагревательных приборов. Нихром Х20Н80, ГОСТ 10994-74, отличается жаростойкостью, пластичностью и одновременно стабильностью формы. Металлопродукция и детали из нихрома Х20Н80 применяются в агрессивных средах, где важны жаропрочность и криптостойкость материала.

Сплав Х20Н80 – характеристики:

• жаростойкость: марка стали принадлежит к самым жаропрочным сплавам, нихром и изделия из него выдерживают нагрев до 1200°С, температура плавления – 1400°С. Чем больше толщина (диаметр) нихромовой детали, тем более высокая предельная температура у нагревательного элемента;
• коррозионная стойкость: марка Х20Н80 сохраняет жаростойкость в аммиаке, азоте, окислительной среде. Однако при контакте с серой и сернистыми веществами материал теряет устойчивость структуры;
• долговечность: изделия из нихрома рассчитаны на годы эксплуатации при постоянном нагреве, при этом сталь Х20Н80 свойства свои сохраняет. Сплав меньше подвержен разрушению, чем нихромы и фехрали других марок при одинаковом количестве циклов включения-выключения и нагреве свыше 600°С.

При использовании нихромовой стали на поверхности не образуются поверхностные окислы, в отличие от сплавов с более высоким содержанием железа, что расширяет возможности применения проволоки и лент из нихрома Х20Н80.

Области применения

Высокая коррозийная стойкость, способность работы в агрессивных условиях, качественные технические характеристики позволяют использовать материал в различных сферах.

В промышленных установках и электрооборудовании:

• высокотемпературные электрические печи;
• вентиляционные сушки;
• котлы и теплообменники;
• сварочные аппараты;
• одножильные и многожильные электрические провода;
• конструкционные элементы металлоплавильного оборудования;
• камеры полимеризации порошковой краски;
• приборы для резки пенопласта;
• резисторы, реостаты.

Нагревательные элементы из нихрома установлены в автомобильных прикуривателях, системах обогрева стекол и сидений в автомобилях.

Специальные марки сложнолегированного нихрома с небольшим коэффициентом электрического сопротивления используют в качестве жаропрочного покрытия при выполнении газотермического напыления.

В быту

Материал используется практически во всех современных бытовых приборах:

• электрических плитах и духовках;
• обогревателях и бойлерах;
• стиральных машинах и тостерах;
• фенах и утюгах;
• электропаяльниках и приборах для выжигания по дереву;
• электронных атомайзерах и лампочках.

Использование спиралей в бытовых электроплитах.

Нити из нихрома получили широкое распространение в медицине в качестве шовного материала при проведении внутриполостных хирургических и пластических операций.

Для каждой сферы применения производятся определенные марки сплавов с оптимальными техническими характеристиками.

Применение нихрома

Нихром используется в электронагревателях печей для всех отраслей промышленности, бытовых приборов и аппаратов теплового действия. Широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Применяется в качестве нагревательных и резисторных элементов. Обладает повышенной жаропрочностью, крипоустойчивостью, пластичностью и стабильностью формы. Также нихром используется в качестве жаропрочного (жаростойкого) сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах. В частности нихром марки Х20Н80 является материалом для нагревательных элементов промышленных электропечей и различных электронагревательных устройств. Рекомендуется применять для нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности. Нихром Х15Н60 применяется для изготовления тех же изделий, что и Х20Н80, а также используется в изделиях электронной техники и при создании непрецизионных резисторов.

Что такое сплав для резистивного нагрева

Резистивными называют материалы, которые нагреваются до высоких температур при прохождении по ним тока.

Надежность, качество и технические характеристики нагревательных элементов зависят от состава материала.

К основным видам резистивных сплавов относятся:

1. Нихромы — сплавы никеля и хрома.
2. Ферхали — сплавы железа, хрома и алюминия.
3. Многокомпонентные сплавы, в которые, кроме хрома, алюминия, железа, добавлены легирующие элементы — медь, марганец, кремний, титан.

Температура плавления многокомпонентных сплавов составляет 1500°С, а срок службы нагревательных элементов в 2-3 раза превышает изделия из нихрома.

Удельное сопротивление нихрома и других сплавов для нагревателей

Удельное электрическое сопротивление определяет способность металла препятствовать прохождению тока. Рассчитывается как отношение электрического поля к плотности тока и измеряется в Ом·мм²/м.

Таблица 2. Удельное сопротивление основных сплавов, подходящих для нагревательных элементов.

Основными факторами выбора сплава для изготовления нагревателей являются сочетание высокого электрического сопротивления и способности длительное время выдерживать экстремально высокие температуры.

Нихром это прецизионный сплав — основа никель 55-78% и хром 15-23%

Прецизионными называются металлические высоколегированные сплавы, которые отличаются точным химическим составом и расчетными физико-механическими параметрами. К этой большой группе материалов относится нихром. Отличается высоким сопротивлением и повышенной температурой плавления. Это свойство способствует тому, что нихромовая проволока активно применяется в электрических нагревателях разной мощности.

В этом разделе клиент может ознакомиться с описанием и видами данного материала, его характеристиками, сферами применения.

Общее описание

Нихром представляет собой сплав из:

• Ni, в процентном соотношении на объем 55-78%; • Mn — 1,5%; • Cr — 15-23%.

Остальной объем сплава занимает Fe.

При объемной плотности 8200-8500 кг/м3, сплав имеет показатель температуры плавления в диапазоне до 1400 градусов. Удельное сопротивление Нихрома на погонный метр находится в пределах 1-1,1х10-6 Ом·м

Сплав отличается рабочей температурой — вплоть до 1100 градусов. Нихром сохраняет механическую прочность на уровне 0,65-0,7 ГПа (растяжение). Никель-хромовый сплав с указанными параметрами применяется для тепловых источников:

• Электропечей сопротивления; • бытовых и технических плит; • паяльного оборудования; • воздушных обогревателей и т.д.

Благодаря своим свойствам материал активно используется в точных лабораторных установках.

Расчёт электрической спирали из нихрома

Параметры спирали можно рассчитать, пользуясь электронными калькуляторами на сайте производителей. Указав мощность нагревателя, напряжение питания и диаметр проволоки, можно рассчитать длину проволоки, необходимую для спирали нагревателя.

Расчет сопротивления

Оно рассчитывается исходя из диаметра используемой проволоки или площади сечения ленты.

Общая длина проволоки умножается на удельное сопротивление одного метра проводника с соответствующим сечением.

Если известна марка сплава, удельное сопротивление проволоки берется из таблиц, размещенных в технических справочниках, ГОСТ или в интернете.

Если марка сплава неизвестна, показатели проволоки или готовой спирали можно измерить мультиметром.

С помощью онлайн-калькулятора можно сделать предварительный расчет спирали, но для точного расчета параметров нагревателя следует учесть еще много факторов.

Спирали из нихрома.

Расчет длины

Длина спирали из нихрома зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки и определяется по формуле: L=(Rπd2)/4ρ.

• R – сопротивление проволоки;
• d – диаметр проволоки;
• ρ – удельное сопротивление нихрома;
• π – константа = 3,14.

ρ нихрома берем из таблицы ГОСТ 12766.1-90:ρ=1.0÷1.2 Ом·мм2/м.

Таблица 3. Соотношение силы тока, диаметра и сечения нихрома.

Пример:

Необходимо рассчитать длину проволоки для спирали электрической плитки.

Мощность плитки Р = 800 Вт.

Напряжение сети U=380 В.

Решение:

• Определяем силу тока: I = P/U = 800/220 = 3,64 A.
• Определяем сопротивление проволоки R = U/I = 220/3,64 = 61 Ом.
• По этим данным (см. таблицу 3) выбираем d=0,55 мм; S=0,238 мм.

Тогда длина проволоки l = SR / ρ = 0,238·61 /1,1 = 13,2 м = 13 200 мм.

• L — длина проволоки (мм);
• S — сечение проволоки (мм);
• R — сопротивление проволоки (Ом);
• ρ — удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм²/м).

Сравнение нихрома и фехраля

Физические характеристики
Фехраль наравне с нихромом обладает высоким удельным сопротивлением. Номинальные показатели сопротивления у нихрома зависят от диаметра проволоки (ленты/нити). А в случае фехряля номинальное сопротивление определяет его марка. Плавление нихрома начинается после 1400C, фехраль плавится при 1500C.

Прочность в состоянии покоя (без нагревания)

Нихром сам по себе пластичен и поддается изгибу и вытягиванию не менее 20% удлинения либо сужения. Пластичность фехраля маркой Х23Ю5Т достигает 10%, а Х15Ю5 -16%. Это говорит о том, что нихром пластичней фехраля, и плюс ко всему, у него выше временное сопротивление разрыва.

Фехраль более твердый сравнительно с никелем, и это делает его более ломким материалом. По этим причинам намотка фехраля проводится лишь после разогрева проволоки до 300C. В случае же нихрома разогрев проводить не нужно, он отлично сматывается в катушку даже при комнатных температурах.

Прочность при нагревании

Фехраль отлично справляется с высокотемпературной нагрузкой. Его можно эксплуатировать в условиях повышенной температуры длительное время. А нихром, напротив, способен отлично справляться с высокотемпературным циклическим нагревом, но плохо ведет себя при длительном термическом воздействии.

Стойкость к окислительной среде

Нихром способен длительно и хорошо работать в окислительных условиях, ведь высокое содержание никеля предотвращает быстрые процессы коррозии. Если нихром долго работает в окислительной среде, его поверхность покрывается тонкой пленкой оксида хрома, которая обеспечивает защиту сплава от агрессивной среды. Быстрое окисление может наступать в электрических печах с высоким содержанием кислорода.

Так как у фехраля высокий процент содержания железа он менее устойчив в окислительных средах. Защитная пленка образовывается у него намного быстрее, чем у нихрома, поэтому в агрессивной среде применять его затруднительно. Особенно сильно это сказывается на тонких проволоках и лентах. Зато фехраль отлично справляется с нагревом глинозёмной, углеродной и содержащей серу среде.

Как навить спираль из нихрома

Изготовить спираль из нихромовой проволоки можно в домашних условиях.

Для этого нужно подобрать проволоку подходящей марки и рассчитать:

• длину проволоки;
• шаг навивки спирали;
• количество витков.

Длину одного витка определяем по формуле:

l=π(D+d/2)=3,14(5+0,55/2)=32 мм.

Количество витков:

N=L/l=13 200/32=412 витков.

• d — диаметр проволоки;
• L — длина проволоки;
• I — длина витка;
• D — диаметр стержня для навивки.

Количество витков проволоки при навивке на трубчатый стержень D=10 мм составляет 412 шт.

На практике редко занимаются навивкой спиралей в домашних условиях. Проще купить нагревательный элемент с требуемыми параметрами в специализированном магазине.

Кустарная намотка спирали.

Температурный коэффициент сопротивления

Удельное сопротивление сплава меняется при нагревании или охлаждении материала.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) нихрома определяется как отношение изменения электрического сопротивления к изменению температуры в градусах Кельвина, взятые в минус первой степени (Кˉ¹).

ТКС нихрома определяется по формуле: α= (R1 — R2) / R1 Х (T1 — T2), где:

• R1 — величина сопротивления при начальной температуре;
• R2 — при конечной температуре;
• T1 — температура начальная;
• T2 —температура измененная;
• (R1 — R2) — разница электрических сопротивлений;
• (T1 — T2) — разница температур.

Нагревание на 100°С повышает электрическое сопротивление нихрома на 2%.

Нихром 60 против нихрома 80

Свойства нихрома определяются количественным соотношением никеля и хрома в сплаве.

Чем больше никеля в сплаве, тем выше его максимальная рабочая температура:

• для нихрома Х20Н80 этот показатель равен 1200°С;
• для сплава Х15Н60 — до 1125°С.

Следующим важным показателем является пластичность. Она влияет на обрабатываемость металла.

Сплав нихром 60 был создан за счет уменьшения количества никеля в сплаве и увеличения модифицирующих добавок для снижения стоимости нагревателей.

Использование более дорогого сплава марки Х20Н80 оправдано при эксплуатации приборов в условиях предельно высоких температур.

Нихром: описание и характеристики

Нихром (Nichrom)

– общее название группы сплавов, которые в своем химическом составе имеют высокий процент содержания никеля (Ni) и хрома (Cr), отсюда и название. В зависимости от необходимости улучшить те или иные механические свойства помимо никеля и хрома могут быть добавлены другие элементы, например, железо, алюминий, кремний или марганец.

Различают два основных типа нихромов:

• Нихром-80 (Nichrome 80) или нежелезистый – прецизионный сплав, в химическом составе которого 80% никеля и 20% хрома (Ni-Cr);
• Нихром-60 (Nichrome 60) или железистый – прецизионный сплав, в химическом составе которого 60% никеля, 16% хрома и 24% железа (Ni-Cr-Fe).

Отличаются эти два типа нихрома процентным соотношением никеля/хрома и присутствием в химическом составе последнего железа, что влияет на показатели удельного сопротивления. Среди самых востребованных марок Нихрома — Ni80Cr20, Ni70Cr30, Ni60Cr15, Ni40Cr20, Ni30Cr20 и Ni20Cr25.

Основные свойства нихрома:

• максимальная рабочая температура – 11000С; температура плавления нихрома – 11000С-14000С;
• устойчивость к агрессивным средам;
• отличные показатели пластичности и крипоустойчивости;
• высокая жаропрочность в окислительной атмосфере (до 12500С);
• низкий температурный коэффициент расширения;
• отличная свариваемость;
• высокое удельное сопротивление;
• коррозионостойкость и долговечность.

Стоит отметить, что нихромовые изделия отлично проводят тепловую энергию, поэтому из марок нихромов изготавливают проволоку, прутки, ленты, полосы, нагревательные спирали.

Этот металлопрокат применяют в:

• производстве нагревательных элементов в электропечах, печах для обжига, аппаратов для выжигания;
• промышленных вентиляционных сушках;
• котлах и теплообменниках;
• изготовлении электрических проводов;
• производстве деталей, которые эксплуатируются при высоких температурах, например, реостаты;
• изготовлении электронных сигарет.

Влияние температуры и обработки на удельное сопротивление

Благодаря сопротивлению металла, противостоящему потоку электричества, нагреватели из нихрома генерируют тепло.

Показатели могут меняться в зависимости от разных факторов:

1. Температуры сплава. При повышении температуры с 20°С до 650°С удельное сопротивление увеличивается примерно на 8%.
2. Методов изготовления и обработки. Сопротивление меняется после отжига и быстрого охлаждения:

• Х20Н80 – увеличение на 6%;
• Х30Н70 – увеличение на 4%;
• Х15Н60 – увеличение на 2%.

Сплав Х20Н35 удельное сопротивление при обработке и изменении температуры практически не меняет.

Способность к изменению удельного сопротивления зависит не только от состава сплава, но и от размера сечения нагревателя. Элементы меньшего сечения сильнее реагируют на изменение температуры сплава, чем массивные части.

Пайка нихрома

При длительном использовании электронагревательных приборов или перегреве спираль из нихрома может перегореть.

Соединить элементы из нихрома между собой, а также со сталью, медью или их сплавами можно пайкой, с помощью олово-свинцового припоя ПОС 50 или ПОС 61.

Кроме того, используют флюс из смеси технического вазелина (100 г), глицерина (5 г) и порошка хлористого цинка(7 г), перемешенного до кашицеобразного состояния.

Пайка выполняется в следующем порядке:

• соединяемые элементы зачищаются абразивной шкуркой;
• выполняется обезжиривание с помощью десятипроцентного спиртового раствора хлористой меди;
• детали обрабатываются флюсом;
• проводится лужение концов проволоки;
• выполняется пайка.

Лужение можно выполнять с помощью обычной лимонной кислоты. Для этого небольшое её количество насыпают на деревянную подставку, на порошок кладут зачищенные концы соединяемых деталей и нагревают паяльником. Кислота плавится, покрывая тонким слоем поверхность металла.

Для удаления остатков лимонной кислоты концы провода еще раз лудят с помощью канифоли.

Пайка выполняется припоями ПОС 40/50/61.

Ремонт перегоревшей нихромовой спирали с помощью припоя не подходит для приборов, нагрев которых превышает 300°С.

Пайка нихрома.

Чем можно заменить нить из нихрома

Современным аналогом нихрома является фехраль (FеСгАl) — сплав железа, хрома и алюминия.

Фехралевые нагреватели используются в машиностроении, литейной промышленности, производстве стекла и керамики, других отраслях.

Материал поставляется в виде проволоки, нити, спиралей различного диаметра или готовых нагревательных элементов.

К преимуществам фехралевых нагревателей, по сравнению с нихромовыми, относятся:

• отсутствие окалины;
• меньшая плотность;
• больший срок эксплуатации (в 2-4 раза);
• стоимость ниже нихрома в 2-3 раза.

Защиту нагревательных элементов из фехраля обеспечивает алюминиевая пленка. При работе в безокислительной среде защитную пленку следует восстанавливать с помощью отжига на воздухе (в окислительной среде).

При температуре свыше 900°С металл становится зернистым и хрупким.

Нагревательные элементы из фехраля необходимо размещать на керамических трубках, так как при температуре свыше 800°С спирали могут деформироваться даже под собственным весом.

Проволока фехраль 0,5 мм Х23Ю5Т.

Химический состав нихрома (Х20Н80, Х15Н60). Прокат нихрома

По ГОСТ 10994-74 химический состав нихрома Х20Н80: содержание хрома Cr 20,0-23,0%, никель Ni — остальное, железо Fe — не более 1,5%, алюминий Al — не более 0,20%, титан Ti — не более 0,30% и.т.д. В сумме эти элементы вместе с хромом по максимуму набирают 27,35%. В нихроме Х15Н60 по ГОСТу содержание никеля 55,0-61,0%. Нихром: проволока, лента, круг, лист. Особое распространение получил нихром в виде проволоки Х20Н80 разных размеров.

Изоляция нихрома силиконовым многожильным кабелем

Термостойкий нагревательный кабель в силиконовой изоляции на основе ленты или проволоки марки Х20Н80 используют в различных нагревательных системах и установках теплового воздействия.

Для изоляции проволоки или ленты из нихрома используют в основном двухслойную силиконовую изоляцию.

Основу изоляционного материала составляет силиконовый каучук, получаемый на базе высокомолекулярных кремнийорганических соединений. По внешнему виду изоляция похожа на обычную резину, но отличается от нее более высокими техническими показателями:

• устойчивостью к высоким напряжениям — напряжение пробоя составляет 5 000 Вольт;
• стойкостью к агрессивным средам и атмосферным воздействиям;
• огнестойкостью — материал не горит и не выделяет токсичного дыма при горении;
• рабочими температурами от -60°С, до +180°С;
• повышенной прочностью и долговечностью.

Силиконовая изоляция выдерживает кратковременное повышение температуры до 220°С без изменения структуры и качества покрытия. Не разрушается под действием ультрафиолета и радиоактивных излучений. Не теряет своих качеств под воздействием ионизирующих излучений до 20 Мрад (20 х 106 кДж/кг).

Для изготовления термостойкого греющего кабеля используется в основном двухслойная силиконовая изоляция.

Нихром в изоляции.

Сферы применения материала

Сплав активно применяется в нагревателях промышленного, бытового и лабораторного классов. Спираль нихромовая используется в качестве основного теплоэлемента в электропечах сопротивления высокой степени нагрева, сушильных аппаратах. Благодаря свойствам материала его можно применять во всех устройствах, где требуется контролируемый нагрев.

Например, сплав Х20Н80 используется в высокотемпературных электрических печах сопротивления промышленного масштаба. Марку рекомендуется применять для тех устройств, где требования к надежности выше обычных.

Сферы использования Х15Н60 аналогичные. Кроме этого, сплав данной марки активно применяется при создании электроники, а также электронных компонентов. На основе Х15Н60 создают резисторы разного класса мощности.

Требования к эксплуатации

Чтобы обеспечить длительный срок службы изделий из нихрома, важно соблюдать определенные правила:

• для предотвращения перегрева не допускается намотка нагревательного кабеля на каркас в несколько слоев;
• изгиб токоведущей жилы в кабеле не должен превышать пяти ее диаметров.

Целостность проводника можно восстановить путем механической скрутки, резьбовых зажимов или муфт, пайки или сварки.

При первом включении прибора с нагревательным кабелем из нихрома может выделяться небольшое количество дыма из-за выгорания остатков масла.

Спираль нихромовая