Нихром

Содержание:

1. Состав
2. История открытия
3. Свойства нихрома
4. Марки нихрома
5. Достоинства и недостатки
6. Изготовление проволоки и ленты из нихрома
7. Области применения
8. Что такое сплав для резистивного нагрева
9. Удельное сопротивление нихрома и других сплавов для нагревателей
10. Расчёт электрической спирали из нихрома
11. Как навить спираль из нихрома
12. Температурный коэффициент сопротивления
13. Нихром 60 против нихрома 80
14. Влияние температуры и обработки на удельное сопротивление
15. Пайка нихрома
16. Чем можно заменить нить из нихрома
17. Изоляция нихрома
18. Требования к эксплуатации
19. Где взять нихромовую нить

Нихром представляет собой устойчивый к коррозии сплав, состоящий из никеля и хрома.

Он относится к классу прецизионных сплавов с заданными механическими свойствами и точным химическим составом.

Материал обладает высоким электрическим сопротивлением, позволяющим использовать его при изготовлении электрических нагревателей.

Состав

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

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

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

Повышение доли 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% становятся невозможными холодная прокатка и волочение материала.

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

История открытия

Первую рецептуру нихрома изобрел и запатентовал американский ученый-металлург из штата Иллинойс Альберт Лерой Марш в 1905 году. В изобретенном им сплаве присутствовали только хром и никель в процентном отношении 20:80.

Названный хромелем материал сначала использовался в первом электроприборе — аппарате для приготовления тостов. Затем нашел свое применение в кухонных печах, утюгах, чайниках и т. д.

В последующем в состав сплава вводились различные добавки:

При этом содержание хрома уменьшалось до 15%, а никеля — до 55-78%.

Сейчас существуют десятки формул сплавов нихрома, различающихся по своим техническим и эксплуатационным свойствам.

Свойства нихрома зависят от пропорций металлов в сплаве.

Свойства нихрома

Сплав отличается хорошей пластичностью и высоким электрическим сопротивлением. Удельное сопротивление может составлять от 1,1 до 1,4 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 сплавов, в составе которых имеется лигатура железа.

Нагревательный элемент.

Марки нихрома

К наиболее распространенным в промышленности маркам относятся:

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

Расшифровка марок

Цифрами обозначено процентное содержание элементов.

Дополнительные буквы означают:

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 вакуумно-индукционным методом.

Назначение и свойства изделий из нихрома определяются химическим составом сплава.

Международные обозначения

В международных наименованиях нихрома можно встретить обозначения:

Европейские аналоги ферронихрома: NiCr60/15, Ni60Cr15, Chromel C, Nikrothal 6, Nikrothal 60, Cronifer II, Alloy C.

Достоинства и недостатки

Сплавы нихрома отличаются высоким электрическим сопротивлением.

Удельное сопротивление нихрома примерно в 10 раз выше, чем у оцинкованной стали, и в 60-70 раз превышает показатели меди.

К другим достоинствам относятся:

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 длительный срок службы.

К недостаткам материала относится высокая стоимость.

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

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.
2. 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.
3. Холоднотянутая протяжка. Способ применяется для изготовления проволоки и нитей из нихрома. Осуществляется без предварительного прогрева заготовки. Регламентируется ГОСТ 12766.1-90.
4. Холодная прокатка. Применяется для изготовления ленты из нихрома. Выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 12766.2-90.
5. 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.

Области применения

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

В промышленных установках и электрооборудовании

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

Специальные марки сложнолегированного нихрома используют в качестве жаропрочного покрытия при выполнении газотермического напыления.

В быту

Материал используется практически во всех современных бытовых нагревательных приборах:

Использование спиралей в бытовых электроплитах.

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

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. Фехрали — 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 около 1500 °С, а срок службы нагревательных элементов из них в 2-3 раза превышает срок службы изделий из нихрома.

Удельное сопротивление нихрома и других сплавов для нагревателей

Удельное электрическое сопротивление определяет способность металла препятствовать прохождению тока. Рассчитывается как отношение напряженности 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.

Расчёт электрической спирали из нихрома

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

Расчет сопротивления

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

Общая длина проволоки умножается на 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, сопротивление 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 проволоки для спирали из нихрома зависит от требуемого сопротивления, удельного сопротивления и диаметра проволоки и определяется по формуле: L = Rπd² / (4ρ), где:

Удельное сопротивление нихрома берем из ГОСТ 12766.1-90: ρ = 1,0÷1,2 Ом·мм²/м.

Таблица 3. Соотношение силы тока, диаметра и сечения нихромовой проволоки

Пример. Необходимо рассчитать длину проволоки для спирали электрической плитки.

Мощность плитки P = 800 Вт. Напряжение сети U = 220 В.

Решение:

Тогда длина проволоки L = SR/ρ = 0,238·61/1,1 = 13,2 м = 13 200 мм, где:

Как навить спираль из нихрома

Изготовить спираль из нихромовой проволоки можно в домашних условиях.

Для этого нужно подобрать проволоку подходящей марки и рассчитать:

Длину одного витка при навивке на стержень D = 10 мм определяем по формуле:

l = π(D + d/2) = 3,14·(10 + 0,55/2) ≈ 32 мм.

Количество витков:

N = L/l = 13 200/32 ≈ 412 витков, где:

Таким образом, при навивке на трубчатый стержень D = 10 мм потребуется около 412 витков.

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) показывает относительное изменение электрического сопротивления при изменении температуры на 1 градус и измеряется в К^-1.

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

Нагревание на 100 °С повышает электрическое сопротивление нихрома примерно 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:

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.

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:

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), перемешанного до кашицеобразного состояния.

Пайка выполняется в следующем порядке:

1. Соединяемые элементы зачищаются абразивной шкуркой.
2. Выполняется обезжиривание с помощью десятипроцентного спиртового раствора хлористой меди.
3. Детали обрабатываются флюсом.
4. Проводится лужение концов проволоки.
5. 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, ПОС 50 или ПОС 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 (FeCrAl) — 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:

Защиту нагревательных элементов из фехраля обеспечивает оксидная пленка алюминия. 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.

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:

Силиконовая изоляция выдерживает кратковременное повышение температуры до 220 °С без изменения структуры и качества покрытия. Не разрушается под действием ультрафиолета и не теряет своих качеств под воздействием ионизирующих излучений до 20 Мрад (200 кДж/кг).

Нихром в изоляции.

Требования к эксплуатации

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

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.

Где взять нихромовую нить

Купить проволоку из нихрома можно в специализированных магазинах, хозяйственных павильонах или на радиорынках.

Узнать нихром можно по темно-зеленой пленке на поверхности металла.

Для домашних нужд проволоку можно извлечь из старых бытовых приборов или электрооборудования:

Можно найти нити, проволоку или спирали из нихрома в интернет-магазинах и на сайтах производителей.

Выбирая продукцию из нихрома, важно знать химический состав нужной марки, удельное электрическое сопротивление и прочие физические характеристики.