Меню сайта

Главная » Продукция » Спецстали » Новые экономически эффективные сплавы для электронагревательных элементов

Новые экономически эффективные сплавы для электронагревательных элементов

О. И. Кордубан, начальник управления инновационных программ компании ООО "Пружина-Сервис"

Существуют два основных типа сплавов нагрева: нихром (никельхромовый сплав Х20Н80-Н) и фехраль (хромоалюминиевый сплав на основе железа: Х23Ю5Т-Н, Х27Ю5Т-Н и некоторые другие) с различным содержанием основных легирующих компонентов

Эксплуатационные характеристики сплавов с высоким электрическим сопротивлением

Марка Максимальная рабочая температура на воздухе, .С* Срок службы при 1200.С**
Еврофераль 1350 1.00
Суперфехраль SY (с иттрием) 1330 1,20
Нихром X20H80-H 1150 0,28

 

Марка Стойкость в средах
Атмосферная коррозия при 20.С Воздух и окислительные
Еврофераль Средняя Высокая
Суперфехраль SY (с иттрием) Средняя Высокая
Нихром X20H80-H Высокая Высокая
Марка Стойкость в средах
Азотосодержащие с низким содержанием кислорода Науглероживающие Серосодержащие
Восстановительные Окислительные
Еврофераль Ограниченная Высокая Высокая Высокая
Суперфехраль SY (с иттрием) Ограниченая Высокая Высокая Высокая Высокая
Нихром X20H80-H Высокая Низкая Низкая Низкая

Сплавы нагрева широко применяются в технологических процессах, а также во многих бытовых электронагревательных приборах, таких как духовые шкафы, тепловентиляторы, тостеры, фены, стиральные машины и т.п. Проволоки из сплавов нагрева обладают высоким электрическим сопротивлением. От химического состава, микроструктуры и качества поверхности проволоки зависят ее эксплуатационные характеристики: жаростойкость и жаропрочность в условиях частых теплосмен (ГОСТ 2419-78), способность к пластической деформации при навивании (ГОСТ 10447-93) и т.п.

Существуют два основных типа сплавов нагрева: нихром (никельхромовый сплав Х20Н80-Н) и фехраль (хромоалюминиевый сплав на основе железа: Х23Ю5Т-Н, Х27Ю5Т-Н и некоторые другие) с различным содержанием основных легирующих компонентов. Ферронихромовые сплавы (Х20Н40СЮ-Н, Х15Н60-Н) для достижения надлежащих качественных свойств требуют дополнительных технологических особенностей при изготовлении, и поэтому они не получили в Украине достаточно широкого распространения. Отечественная металлургия пока не может предложить потребителю качественные и высокотехнологичные аналоги широкой номенклатуры применяемых за рубежом прецизионных нагревательных сплавов, которые обладают оптимальными сочетаниями высокого электрического сопротивления и низкого температурного коэффициента электрического сопротивления (ТКЭС), низкого ТКЭС и высокой тензочувствительности, высокой пластичности и высокой жаростойкости. Важнейшими факторами, определяющими улучшенные эксплуатационные характеристики данных материалов, являются гомогенность структуры и прецизионность микролегирования кремнием, марганцем, цирконием и другими элементами.

Прецизионно дозированные добавки редкоземельных металлов не только обеспечивают измельчение зерна, но и, действуя как раскислитель, связывают кислород и азот, что обеспечивает высокие прочностные и пластические свойства проволоки. При этом существенно повышается предел ползучести, а также устойчивость против окисления при более высоких температурах. Величина относительного удлинения (показатель пластичности и способности к навиванию) зарубежных фехралевых проволок существенно превышает эти же характеристики отечественных аналогов по ГОСТ 10994-74 и достигает значений .200=22-27%. Следует отметить, что методы изготовления, способы легирования и достижения сбалансированности химического состава сплавов нагрева зарубежными производителями в полной мере не раскрываются.

Отечественным производителям не удается не только прецизионно контролировать микролегирование и однородность структуры, но и добиться стабильного снижения содержания углерода до уровня <0,03%, обеспечивающего высокую пластичность и отсутствие склонности хромоалюминиевых сплавов на основе железа к межкристаллитной коррозии (МКК) при повышенных температурах. Такие сплавы, как Х23Ю5Т и Х27Ю5Т, традиционно стабилизируют титаном (до 0,5% по ГОСТ 10994-74), что часто обусловливает ухудшение качества их поверхности, неоднородность структуры и проявление склонности к ножевой коррозии. В совокупности это приводит к тому, что отечественные хромоалюминиевые сплавы нередко обладают нестабильными (в зависимости от партии) свойствами, а также склонны к высокотемпературному охрупчиванию, межкристаллитному коррозионному разрушению, быстрому проявлению признаков ползучести и, как следствие, провисанию при высоких температурах. Это заставляет отечественных потребителей сплавов нагрева использовать преимущественно дорогостоящие сплавы с высоким содержанием никеля, типа Х20Н80-Н и Х15Н60-Н, обладающие заведомо лучшими характеристиками по сравнению с отечественными фехралями.

В отличие от стран с передовой экономикой, производители и продавцы отечественных сплавов нагрева зачастую не считаются с расходами потребителей и сузили рынок до нескольких, в основном дорогостоящих никельсодержащих марок. А в большинстве промышленно развитых стран доля фехралей в общем объеме потребления специальных сплавов нагрева составляет свыше 80%. Зарубежные фехрали обладают более высокой максимальной рабочей температурой (до 1350 .С) и в 2-4 раза долговечнее в сравнении с нихромом при эксплуатации при высоких температурах (1100-1350 .С). Кроме того, эти фехрали обладают более стабильным ТКЭС, что позволяет повысить стабильность поддержания температуры систем нагрева. Повышенное значение предела ползучести в совокупности с низким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает возможность локальной фиксации легконавиваемых проволочных нагревателей на поддерживающих конструкциях, практически гарантирует отсутствие провисания нагревательных элементов при эксплуатации.

Применение фехралей, обладающих меньшим удельным весом и более высоким удельным сопротивлением по сравнению с нихромом (~ 1,4 и 1,1 Ом.мм2.м-1 соответственно) позволяет снизить вес самого нагревательного материала на 20-30% при тех же размерах проволоки, а также добиться более равномерного по длине нагрева. Это устраняет неравномерность прогрева и предотвращает риск возможного провисания и локального прогорания проволоки (ленты). Кроме того, снижение веса приводит к снижению расходов за счет уменьшения геометрических размеров футеровки, крепежной оснастки и т.д.

Работа в условиях водяного пара (сушильные шкафы и т.п.) существенно сокращает срок службы нагревательных элементов. И здесь фехрали имеют неоспоримое преимущество перед нихромами. Кроме того, фехрали обладают повышенной жаростойкостью в окислительных атмосферах, содержащих серу и сернистые соединения, в углеродосодержащих средах, а также в водороде и в вакууме. Превосходные свойства этих материалов обусловлены, в частности, тем, что на их поверхности образуется высокопрочная пленка Al2O3, которая является отличным изолятором и более эффективно предотвращает коррозию по сравнению с оксидом хрома (Cr2O3), образующимся на поверхности нихромов. Пленка оксида хрома менее устойчива, быстрее отслаивается и испаряется, что приводит к сокращению срока службы нагревателя (данные приведены в таблице). Использование нихромов на предельных температурах может привести к тому, что вышеперечисленные продукты испарения загрязнят нагреваемые поверхности рабочей оснастки и самих термообрабатываемых изделий. Термическое испарение нихрома в неокислительных средах может вызывать дополнительные тепловые нестабильности и даже короткое замыкание сопутствующих электрических цепей. Помимо этого, никельхромовые сплавы характеризуются внутрикристаллической неоднородностью твердого раствора, и у них, в отличие от хромоалюминиевых сплавов, обнаруживается падение удельного электрического сопротивления с ростом деформации (соответственно, r возрастет при отжиге и отпуске).

Промышленные камерные печи изготавливаются на основе футеровки из легковесных волокнистых огнеупоров, что в комплексе с нагревателями из фехралевого сплава позволяет сократить время выхода на рабочий режим, а также значительно снизить потребление электроэнергии и эксплуатационные затраты по сравнению с печами на основе кирпичной футеровки с нагревателями из нихрома.

Фехрали являются универсальным материалом с точки зрения их применимости к практически любой футеровке. Они могут быть успешно использованы для работы в контакте с популярной на российском рынке высокоглиноземистой керамикой с низким содержанием окислов железа. Нихромы более <капризны> и сочетаются с футеровочным материалом из оксидной керамики на основе оксидов алюминия, циркония, магния или алюмосиликата.

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