Содержание:
Нихром представляет собой устойчивый к коррозии металл, 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.
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:
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.
Первую рецептуру нихрома изобрел и запатентовал американский ученый-металлург из штата Иллинойс Альберт Лерой Марш в 1905 году. В изобретенном им сплаве существовали только хром и никель в процентном отношении 20:80.
Названый 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.
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.
Параметры |
Показатели |
Прочность |
650-700 МПа |
Температура плавления |
1100-1400°С |
Рабочая температура |
800-1100°С |
Плотность |
До 8200-8500 кг/м3 |
Сопротивление |
650-700 МПа |
Коэффициент теплопроводности |
11,3 Вт/(м·К) |
Коэффициент линейного теплового сопротивления |
14·10¯⁶Kˉ¹ |
Предел прочности на растяжение |
0,65-0,70 ГПа |
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.
К наиболее распространенным в промышленности маркам относятся:
Сплавы, получаемые в вакуумных индукционных печах, отличаются тем, что их электросопротивление мало меняется при изменении температуры.
Цифрами обозначено процентное содержание состава.
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 с помощью вакуумно-индукционного метода.
Назначение и свойства изделий из нихрома определяется химическим составом сплава.
В международных наименованиях нихрома можно встретить обозначения:
Европейские аналоги ферронихрома: NiCr60/15, Ni60Cr15, ChromelCN6, Nikrothal 6, Nikrothal 60, CroniferII, AlloyC.
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:
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.
Практически во всех электрических печах и электроприборах в качестве нагревательных элементов используется нихромовая проволока, нить или лента.
Существует несколько способов изготовления изделий из нихрома:
Волочение нихромовой проволоки выполняют с применением высокого давления. Производство изделий методом волочения регламентируется требованиями ГОСТ 8803-89
Лента из нихрома.
Размеры, механические свойства и другие параметры проволоки из нихрома регламентируются государственными стандартами или техническими условиями.
Высокая коррозийная стойкость, способность работы в агрессивных условиях, качественные технические характеристики позволяют использовать материал в различных сферах.
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.
Материал используется практически во всех современных бытовых приборах:
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.
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:
Температура плавления многокомпонентных сплавов составляет 1500°С, а срок службы нагревательных элементов в 2-3 раза превышает изделия из нихрома.
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.
Сплав |
Удельное сопротивление |
|
|
|
|
80 – Никель, 20 – Хром |
1.0803 Ом·мм2/м |
|
80 – Никель, 20 – Хром |
1.18002 Ом·мм2/м |
|
35 – Никель, 20 – Хром, 45 – Железо |
1.01382 Ом·мм2/м |
|
|
|
|
73 – Железо, 22 – Хром, 5 – Алюминий |
1.45425 Ом·мм2/м |
|
74 – Железо, 22 – Хром, 4 – Алюминий |
1.35453 Ом·мм2/м |
|
81 – Железо, 15 – Хром, 4 – Алюминий |
1.35453 Ом·мм2/м |
|
|
|
|
55 – Медь, 45 – Никель |
0.4986 Ом·мм2/м |
|
89 – Медь, 11 – Никель |
0.1495 Ом·мм2/м |
|
98 – Медь, 2 – Никель |
0.0498 Ом·мм2/м |
Основными факторами выбора сплава для изготовления нагревателей являются сочетание высокого электрического сопротивления и способности длительное время выдерживать экстремально высокие температуры.
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.
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.
Длина спирали из нихрома зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки и определяется по формуле: L=(Rπd2)/4ρ.
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.
Допустимая сила тока (I), А |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Диаметр (d) проволоки при 700°С, мм |
0,17 |
0,3 |
0,45 |
0,55 |
0,65 |
0,75 |
0,85 |
Сечение проволоки(S), мм |
0,0227 |
0,0707 |
0,159 |
0,238 |
0,332 |
0,442 |
0,57 |
Пример:
Необходимо рассчитать длину проволоки для спирали электрической плитки.
Мощность плитки Р = 800 Вт.
Напряжение сети U=380 В.
Решение:
Тогда длина проволоки l = SR / ρ = 0,238·61 /1,1 = 13,2 м = 13 200 мм.
Изготовить спираль из нихромовой проволоки можно в домашних условиях.
Для этого нужно подобрать проволоку подходящей марки и рассчитать:
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.
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.
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:
Нагревание на 100°С повышает электрическое сопротивление нихрома на 2%.
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.
Благодаря сопротивлению металла, противостоящему потоку электричества, нагреватели из нихрома генерируют тепло.
Показатели могут меняться в зависимости от разных факторов:
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.
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:
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.
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:
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.
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 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.
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
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, коэффициент электрического сопротивления и прочие физические характеристики.