Нихром для изготовления нагревательных элементов. Часть 1: виды и свойства

Семейство нихромовых (Ni-Cr) сплавов имеет долгую и успешную историю применения в нагревательных системах, начиная с начала 1900-х годов. Таким образом, фактический большой опыт эксплуатации нагревателей и промышленных печей позволяет с уверенностью использовать эти сплавы для новых и существующих конструкций электронагревателей.

Основными производителями сплавов никеля и хрома являются такие компании, как Haynes International (США), VDM Metals (Германия), Special Metals Corporation (США), Rolled Alloys (США), Sandvik Materials Technology (Швеция) и ThyssenKrupp (Германия), Kanthal AB (Швеция); Nippon Yakin Kogyo Co. Ltd. (Япония) и китайские производители Shanghai Tankii Alloy Material Co. Ltd. и Jiangsu Huntec Alloys Technology Co. Ltd. В России также есть несколько производителей нихромовой проволоки, но большинство производителей не плавят сплавы, а прокатывают их из материала, плавленного другими производителями.

Введение в сплавы для нагрева сопротивлением

Материалы для электрического нагрева зависят от сопротивления электрическому току для выработки тепла. Медная проволока не сильно нагревается при передаче электричества, поскольку обладает хорошей электропроводностью. Таким образом, чтобы сплав в виде проволоки, ленты или полосы мог работать как электрический нагревательный элемент, он должен сопротивляться потоку электричества.

Большинство распространенных сталей и сплавов, таких как нержавеющая сталь, действительно сопротивляются потоку электричества. Мера этой характеристики называется удельным сопротивлением. В Северной Америке общепринято использовать омы/КМФ (омы на круговой мил фут) для выражения сопротивления, и вы можете найти массу справочной информации с данными в этих единицах измерения. Но в России наиболее распространенной единицей удельного сопротивления является ом мм2/м (ом миллиметр квадратный на метр).

Если бы главным фактором для электрического нагревательного элемента было бы только удельное сопротивление, выбор мог бы быть из многих вариантов сплава в широком диапазоне стоимости. Однако по самой своей природе электрический нагревательный элемент нагревается, обычно докрасна, а обычные сплавы просто не выдерживают такого нагрева в течение длительного времени. Они выходят из строя, и это называется низкой жизненной способностью в качестве нагревательного элемента.

Семейства сплавов были разработаны много лет назад с правильным сочетанием двух специфических свойств:

1. Высокое удельное сопротивление (сопротивление потоку электричества)

2. Хороший срок службы или выносливость в качестве нагревательного элемента.

Эти семейства сплавов можно разделить на шесть основных групп.

• Никель-хромовые сплавы (нихром)

• Железо-хром-алюминиевые сплавы (фехраль)

• Медно-никелевые сплавы: для использования при низких температурах.

• Нержавеющая сталь, монель и прочее: для использования при относительно низких температурах (никель-марганцевый, чистый никель, монель, никель-кремний)

• Сплавы для работы в вакууме (молибден, вольфрам, тантал)- большое изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры

• Неметаллические материалы специального назначения (карбид кремния, дисилицид молибдена, хромит лантана)

Хотя для полноты перечислены все семейства сплавов, в этой статье рассматриваются только никель-хромовые сплавы. Это потому, что они, безусловно, наиболее широко используются в России.

Наиболее распространенными марками являются Х20Н80, Х15Н60, Х20Н80-Н (-Н-ВИ), Х15Н60 (-Н-ВИ), Н50К10 и Х25Н20. Каждая марка имеет свой состав и характеристики, которые определяют ее область применения.

• Х20Н80. Классический сплав Х20Н80 состоит преимущественно из никеля и хрома. Он имеет высокую термостойкость и хорошо подходит для работы при высоких температурах. И хотя принято считать, что в Х20Н80 именно 80 процентов никеля и 20% хрома, но на самом деле ГОСТ допускает микролегирование сплавов, улучшающее их характеристики. К примеру, Х20Н80 может содержать хрома 20-23%, никеля 73-79%, алюминия до0,2%, кремния 0,9-1,5%, марганца до 0,7%, титана до 0,3%, железа до 1,5%, углерода - до 0,1%, серы до 0,02% и фосфора до 0,03%.

• Х15Н60. Сплав Х15Н60 имеет более высокое содержание железа (до 25%) и немного меньше никеля и хрома, что делает его более экономичным, но менее термостойким.

• Сплавы Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ) получаются в вакуумных индукционных печах и отличаются стабильным электросопротивлением при изменении температуры.

• Марки Н50К10 и Х25Н20 применяются для работы при температурах до 900°C.

Расшифровка марок основана на обозначении процентного содержания состава. Буква Х обозначает хром, а Н - никель. Дополнительные буквы указывают на способ получения сплава, его категорию греющих элементов, использование в элементах сопротивления и т. д.

• ВИ - вакуумно-индукционная плавка;
• Н - категория нагревательных элементов;
• С - использование в элементах сопротивления;
• ТЭН - для нагревателей 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 был получен с помощью вакуумно-индукционного метода.

Сплавы и свойства

Свойства материалов при работе в качестве электрических нагревательных элементов существенно отличаются от их характеристик при комнатной температуре. Чтобы материал мог использоваться в качестве электрического нагревательного элемента, он должен обладать следующими характеристиками:

• Достаточно высокое сопротивление электрическому току, чтобы поперечное сечение не было чрезмерно маленьким.

• Хорошая прочность и пластичность при рабочих температурах.

• Низкий коэффициент температурной зависимости сопротивления, чтобы сопротивление при рабочей температуре не отклонялось.

• Хорошая устойчивость к прогрессивной окислительной реакции в воздухе при прерывистой работе.

• Хорошая обрабатываемость и способность принимать желаемую форму.

Было обнаружено, что четыре основных состава обладают этими желательными характеристиками: 80% Ni, 20% Cr; 70% Ni, 30% Cr; 60% Ni, 16% Cr, остаток Fe; 35% Ni, 20% Cr, остаток Fe.

История нихрома

В 1960-х годах был разработан состав 70 % никеля и 30 % хрома, чтобы увеличить срок службы на воздухе до 1 260 °C (2 300 °F). Он также превосходно предотвращает предпочтительное окисление в атмосфере с низким содержанием кислорода, явление, обычно называемое зеленой гнилью из-за зеленого цвета оксида.

Сплав, содержащий в основном 60% никеля, 16% хрома и железо, обычно выбирают там, где рабочие температуры не превышают примерно 1100°С (2012°F), например, в электрических утюгах.

Сплав, содержащий в основном 35 % никеля, 20 % хрома и остальное железо, был разработан в первую очередь для промышленных печей с регулируемой атмосферой, работающих в диапазоне температур от 800°C до 1000°C (1472°F-1832°F). Этот сплав оказался полезным в борьбе с износом, который может возникнуть с двумя другими сплавами при работе в том же диапазоне температур в восстановительной или колеблющейся между восстановительной и окислительной атмосферах. Сплав никель-хром 80 нельзя использовать в атмосферах, которые восстанавливают никель и окисляют  хром.

Конечно, в последние годы были разработаны и другие сплавы для применения в электрических нагревательных элементах. Например, сплавы на основе никеля и железа с добавлением хрома, алюминия, молибдена и других элементов, которые обеспечивают улучшенные свойства по сравнению с классическими никель-хромовыми сплавами.

Также, были разработаны сплавы на основе карбида кремния (SiC) и нитрида кремния (Si3N4), которые имеют высокую температуру плавления и отличную коррозионную стойкость. Эти материалы широко используются в промышленных печах, высокотемпературных сенсорах и других приложениях.

Однако, классические никель-хромовые сплавы до сих пор остаются наиболее распространенными для использования в электрических нагревательных элементах благодаря своей относительно низкой стоимости, хорошей коррозионной стойкости и высоким температурным характеристикам.