Меню сайта

Главная » Продукция » Спецстали » Экономно легированные сплавы нового поколения для нагревательных элементов

Экономно легированные сплавы нового поколения для нагревательных элементов

Никельхромовые сплавы с высоким электрическим сопротивлением типа Х20Н80 (нихромы) в течение многих десятилетий использовались во всем мире для изготовления нагревательных элементов различных бытовых приборов и промышленного оборудования. Однако, дороговизна этих сплавов и их недостаточно высокая коррозионная стойкость в различных серосодержащих (пары серы, H2S, SO2, SO3 и др.), науглероживающих, окислительных газах и других средах, часто используемых в промышленности, постепенно переориентировали потребительский рынок развитых стран на сплавы Fe-Cr-Al (фехрали) и экономнолегированные никелем сплавы Fe-Ni-Cr (ферронихромы). За рубежом в объеме потребления специальных сплавов нагрева доля последних уже сейчас превышает 80% и продолжает увеличиваться. Примерная структура потребления этих сплавов представлена на рисунке.

В Украине рынок до сих пор ориентирован преимущественно на дорогостоящие нихромы. Причин этого много. Отметим лишь, что применение морально устаревших технологий приводит к тому, что отечественные хромоалюминиевые сплавы обладают нестабильными от партии к партии свойствами, а также склонны к высокотемпературному охрупчиванию, межкристаллитному коррозионному разрушению, быстрому проявлению признаков ползучести и, как следствие, провисанию при высоких температурах. Это заставляет российских потребителей сплавов нагрева в основном использовать дорогостоящие сплавы с высоким содержанием никеля типа Х20Н80%Н и Х15Н60%Н, обладающие заведомо лучшими характеристиками по сравнению с отечественными фехралями. Проблема заключается еще и в том, что, имея негативный опыт применения российских фехралей, потребитель по инерции не доверяет и аналогичным высококачественным зарубежным сплавам нагрева, распространяя на них недостатки, присущие отечественным маркам.

Типичный химический состав, физические и механические свойства наиболее популярных сплавов нагрева приведены в табл. 1 и 2.

Новейшие технологии изготовления обеспечивают однородную структуру фехралей, равномерность защитного оксидного покрытия и его адгезию к поверхности благодаря прецизионному микролегированию алюминием, кремнием, марганцем, цирконием, иттрием и другими элементами. В сочетании со снижением содержания углерода до уровня <0,03% гарантируется высокая пластичность этих сплавов, отсутствие склонности к межкристаллитной высокотемпературной коррозии, высокий предел ползучести, а также устойчивость против окисления, сульфидизации и карбюризации при повышенных температурах. Более высокая устойчивость фехралей к окислению и коррозии в самых распространенных промышленных агрессивных средах обусловлена самой природой химически инертного, плотного поверхностного защитного оксидного слоя на основе Al2О3. Фехрали наиболее устойчивы к хлоридной питтинговой и щелевой коррозии, хлоридному коррозионному растрескиванию и коррозии, вызванной как органическими кислотами, так и едкими веществами. Никельсодержащие сплавы нельзя использовать в защитной СО-содержащей атмосфере при 800-950 .С, поскольку при одновременном окислении и карбюризации на их поверхности происходит разрушение защитного оксида с образованием так называемой <зеленой гнили>. Зарубежные фехрали обладают более высокими максимальной рабочей температурой и долговечностью по сравнению с нихромом и ферронихромами. Кроме того, они характеризуются более стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления, что позволяет прецизионно поддерживать температуру нагрева. Следует также отметить, что в ряде случаев предпочтительнее использование предварительно оксидированных фехралей.

Усредненные сравнительные эксплуатационные свойства различных сплавов с высоким электрическим сопротивлением приведены в табл. 3.

Таблица 1. Химический состав и физические свойства наиболее популярных сплавов нагрева

Марка Химический состав, % Удельное сопротивление, Ом*мм2*м-1
Ni Cu Cr Fe Прочие
Ni-Cr и Ni-Cr-Fe
X20H80 78 - 20 - Si<1,5 1,08
XH70Ю 68 - 30 - Si<1,5 1,18
X15H60 59 - 15 основа Si<1,75 1,12
Нихром GS40 30 - 20 основа Si<3,0 1,04
Fe-Cu-Al
Еврофехраль - - 23 основа 6,0Al 1,45
Суперфехраль GS SY - - 22 основа 5Al+Y 1,39
Еврофехраль Т - - 20 основа 5,25Al 1,35

Марка Плотность, гм*см-3 Коэффициент термического сопротивления Теплопроводность, Вт*м-1*.С-1
10-6*°С-1 t °С
Ni-Cr и Ni-Cr-Fe
X20H80 8,35 17,5 20-1000 15,0
XH70Ю 8,16 17,5 20-1000 13,7
X15H60 8,20 17,5 20-1000 13,3
Нихром GS40 7,90 18 20-1000 13,0
Fe-Cu-Al
Еврофехраль 7,10 15,1 20-1000 16,0
Суперфехраль GS SY 7,10 15 20-1000 16,0
Еврофехраль Т 7,25 14 20-1000 16,5

Таблица 2. Механические свойства наиболее популярных сплавов нагрева

Свойство Суперфехраль GS SY X20H80 Нихром GS40
Предел текучести, МПа 550 420 340
Предел прочности, МПа 725 810 680
Относительное удлиннение, % 18 20 25
Твердость, Hv 230 180 180

В Украине рынок до сих пор ориентирован преимущественно на дорогостоящие нихромы. Причин этого много. Отметим лишь, что применение морально устаревших технологий приводит к тому, что отечественные хромоалюминиевые сплавы обладают нестабильными от партии к партии свойствами, а также склонны к высокотемпературному охрупчиванию, межкристаллитному коррозионному разрушению, быстрому проявлению признаков ползучести и, как следствие, провисанию при высоких температурах. Это заставляет российских потребителей сплавов нагрева в основном использовать дорогостоящие сплавы с высоким содержанием никеля типа Х20Н80%Н и Х15Н60%Н, обладающие заведомо лучшими характеристиками по сравнению с отечественными фехралями. Проблема заключается еще и в том, что, имея негативный опыт применения российских фехралей, потребитель по инерции не доверяет и аналогичным высококачественным зарубежным сплавам нагрева, распространяя на них недостатки, присущие отечественным маркам.

Типичный химический состав, физические и механические свойства наиболее популярных сплавов нагрева приведены в табл. 1 и 2.

Новейшие технологии изготовления обеспечивают однородную структуру фехралей, равномерность защитного оксидного покрытия и его адгезию к поверхности благодаря прецизионному микролегированию алюминием, кремнием, марганцем, цирконием, иттрием и другими элементами. В сочетании со снижением содержания углерода до уровня <0,03% гарантируется высокая пластичность этих сплавов, отсутствие склонности к межкристаллитной высокотемпературной коррозии, высокий предел ползучести, а также устойчивость против окисления, сульфидизации и карбюризации при повышенных температурах. Более высокая устойчивость фехралей к окислению и коррозии в самых распространенных промышленных агрессивных средах обусловлена самой природой химически инертного, плотного поверхностного защитного оксидного слоя на основе Al2О3. Фехрали наиболее устойчивы к хлоридной питтинговой и щелевой коррозии, хлоридному коррозионному растрескиванию и коррозии, вызванной как органическими кислотами, так и едкими веществами. Никельсодержащие сплавы нельзя использовать в защитной СО-содержащей атмосфере при 800-950 .С, поскольку при одновременном окислении и карбюризации на их поверхности происходит разрушение защитного оксида с образованием так называемой <зеленой гнили>. Зарубежные фехрали обладают более высокими максимальной рабочей температурой и долговечностью по сравнению с нихромом и ферронихромами. Кроме того, они характеризуются более стабильным температурным коэффициентом электрического сопротивления, что позволяет прецизионно поддерживать температуру нагрева. Следует также отметить, что в ряде случаев предпочтительнее использование предварительно оксидированных фехралей. Усредненные сравнительные эксплуатационные свойства различных сплавов с высоким электрическим сопротивлением приведены в табл. 3.

Таблица 3. Сравнительные эксплуатационные свойства сплавов с высоким электрическим сопротивлением*

Характеристика Суперфехраль **GS SY X20H80 GS 40** Примечания
Максимальная рабочая температура (Тэ макс.) и длительность эксплуатации на воздухе (ДЭв) при температуре 1100 .С (в относительных %) Тэ макс.=1400 .С,ДЭв=100% Тэ макс. =1200 .С, ДЭв=25% Тэ макс. =1150 .С, ДЭв=20% ДЭв обратно пропорциональна частоте циклов нагрева и зависит от диаметра проволоки. Чем выше рабочая температура, тем больше разница в сроках службы
Стойкость к окислению при повышенных температурах Превосходная стойкость обусловлена формированием защитного оксида Al2О3 Защитный оксидный слой Cr2O3 существенно менее стойкий Защитный оксидный слой Cr2O3 существенно менее стойкий Добавки иттрия в фехраль повышают стойкость к окалино -образованию
Стойкость в серосодержащих газовых средах Превосходная стойкость обусловлена формированием защитного оксида Al2О3 Защитный оксидный слой Cr2O3 существенно менее стойкий Защитный оксидный слой Cr2O3 существенно менее стойкий Оксидное покрытие Al2О3 повышает устойчивость нагревательных материалов в SO2- и SO3- содержащих средах
Коррозионная стойкость во влажной атмосфере Гораздо лучше, чем нихромы, противостоит коррозии в потоках водяного пара При комнатной температуре корродирует гораздо меньше, чем неоксидированный фехраль При комнатной температуре корродирует гораздо меньше, чем неоксидированный фехраль Оксидное покрытие Al2О3 повышает устойчивость фехралей. Продувание пара гораздо сильнее сокращает срок службы никель -содержащих сплавов
Прочность при температуре эксплуатации Достаточно высокая. Идеально эксплуатируется при отсутствии высоких растягивающих нагрузок Высокие эксплуатационная прочность и предел ползучести по сравнению с фехралями Повышенные прочность и самый высокий предел ползучести по сравнению с фехралями Актуально только при высоких растягивающих нагрузках
Пластические свойства после использования Проволока не используется для вторичной навивки Может использоваться для вторичной навивки. Сохраняет пластические свойства Может использоваться для вторичной навивки. Сохраняет пластические свойства Вторичное навивание любых типов проволоки высокого сопротивления может использоваться только в крайних случаях
Кислотостойкость Стойкий к органическим кислотам Стойкий к органическим и неорганическим кислотам Стойкий к органическим и неорганическим кислотам При эксплуатации в средах, содержащих пары неорганических кислот (фосфорная, серная и др.), фехрали следует заменять на материал GS 40

* Приведенные данные условны, поскольку не учитывают влияния загрязненности среды, температурных циклов, механических нагрузок, а также оснастки и других факторов.

** Торговые наименования сплавов с высоким сопротивлением.

Высокое качество относительно недорогих зарубежных фехралей открывает широкие перспективы для отечественных потребителей, поскольку позволяет получать ощутимые преимущества, связанные с повышенными сроками их эксплуатации и высокой технологичностью изготовления нагревательных элементов. Так, фехралевые проволоки (в особенности легированные иттрием) могут использоваться не только в качестве встроенных и навитых спиралей в керамических и др. матричных основах бытовых электроприборов и промышленного печного оборудования, но даже в нагревательных конструкциях подвесного и натяжного типа (термовентиляторы, фены, тепловые пушки, конвекционные нагреватели и т.п.).