Особую группу прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением составляют так называемые сплавы нагрева: нихромы и фехрали, широко используемые для изготовления нагревательных элементов электротермического оборудования. Нихром (Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) получил свое название из-за высокой концентрации никеля («ни») и хрома («хром») в составе, а фехраль (Fe-Cr-Al) назван по первым буквам основных элементов («фе», «хр», «аль»). Несмотря на аналогичную направленность применения, из-за существенного различия в химических составах, нихром и фехраль обладают разными качественными характеристиками, о которых мы расскажем в этой статье.
Рисунок 1. Сравнение сплавов фехраль и нихром
Химический состав основных марок нихрома и фехраля
Нихром
Базовый химический состав нихрома содержит около 55-80% никеля (Ni), 13-23% хрома (Cr), до 1,5 марганца (Mn), плюс незначительное количество примесей. Разделяют два типа нихромов – нежелезистый (в котором присутствует не более 1,5% железа) и железистый (содержащий до 75% никеля, 13-18% хрома и до 5-6% железа).
Нихром марок Х20Н80 (Х20Н80-Н) и Х15Н60 (Х15Н60-Н)
Популярная марка нихрома Х20Н80 относится к нежелезистому типу, и в соответствии с ГОСТ 10994-74 имеет в своем составе 20-23% хрома (Cr), 75-80% никеля (Ni). Остальную часть сплава Х20Н80 занимают до 1,5% железа (Fe), до 0,9-1,5% кремния (Si), до 0,7% марганца (Mn), менее 0,3% титана (Ti), 0,2% алюминия (Al) и 0,1% углерода (C), плюс ничтожно малое количество фосфора (P) и серы (S). Марка нихрома Х15Н60 относится к железистому типу сплава и потому концентрация железа по ГОСТу в его составе достигает 5-6%, при 55-61% никеля (Ni) и 15-18% хрома (Cr).
В роли главного компонента нихрома выступает никель (Ni), которым определяются ключевые технологические свойства материала. В связи с этим, на основе марки Х20Н80 была создана «улучшенная» модификация сплава, для обозначения которой в конце буквенно-цифрового кода была добавлена буква «Н». Получилось Х20Н80-Н. В соответствии с ГОСТом объем хрома (Cr) в сплаве марки Х20Н80-Н остался прежним, а количество никеля (Ni) немного увеличилось за счет сокращения объема остальных компонентов, плюс было добавлено 0,2-0,5 циркония (Zr). Марку нихрома Х15Н60-Н создали точно по такому же принципу.
Фехраль
В базовой компоновке химических элементов фехраль содержит до 70-72% железа (Fe), 12-27 % хрома (Cr), 3,5-6% алюминия (Al), до 1% кремния (Si), 0,7% марганца (Mn), плюс незначительное количество легирующих добавок в виде циркония (Zr) и титана (Ti). Фехраль имеет множество марок, как отечественных, так и международных, позволяющих подобрать оптимальный сплав под самые разные цели и условия эксплуатации.
Фехраль марок Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, Х15Ю5
Рынок России и СНГ сегодня ориентирован на фехраль трех отечественных марок: Х23Ю5Т, Х27Ю5Т и Х15Ю5, демонстрирующих стабильность физических характеристик при высоких температурах, в том числе и в агрессивных средах. В число наиболее востребованных марок входит фехраль Х23Ю5Т (зарубежные аналоги Kanthal A-1, GSSY). В соответствии с ГОСТ 10994-74 сплав марки Х23Ю5Т содержит около 70% железа (Fe), 22-24% хрома (Cr) и 5-5,8% алюминия (Al). В оставшуюся часть входят до 0,6% никеля (Ni), до 0,5% титана (Ti), кремния (Si) и углерода (C), до 0,3% марганца (Mn), а также крайне небольшое количество кальция (Ca), церия (Ce), фосфора (P) и серы (S).
Фехраль марки Х15Ю5 (зарубежный аналог Aluchrom W) отличается повышенным содержанием железа (до 77-78%) и уменьшенным объемом хрома (13,5-15,5%), что делает сплав более прочным и менее хрупким. Остальные химические элементы содержатся в сплаве Х15Ю5 в пределах традиционных для фехралей пропорций: 4,5-5,8% алюминия (Al), до 0,6-0,7% кремния (Si), никеля (Ni), марганца (Mn), титана (Ti), плюс сотые доли процента фосфора (P), серы (S), углерода (C), кальция (Ca) и церия (Ce). Следует также упомянуть фехраль марки Х27Ю5Т со сравнительно высокой концентрацией хрома (до 28%), который редко сегодня выпускается и постепенно замещается более современными аналогами.
Сравнение свойств нихрома и фехраля
Общие физические характеристики
Нихром и фехраль объединяет высокое удельное сопротивление, величина которого практически не изменяется при повышении температуры сплавов. Для нихрома значение номинального удельного сопротивления зависит от диаметра нагревателя. Например, для проволоки Ø > 3,0 мм оно равно 1,07-1,18 мкОм·м, для Ø 0,5-3,0 мм – 1,06-1,16 мкОм·м, а для проволоки Ø 0,1-0,5 составляет 1,03-1,13 мкОм·м. Для фехраля марки Х23Ю5Т величина удельного сопротивления равна 1,34-1,45 мкОм·м, а для марки Х15Ю5 – 1,24-1,34 мкОм·м. Температура плавления нихрома – 1400°C, фехраля – 1500°C. Удельный вес нихрома больше – 8,40 г/см3, фехраля меньше – 7,21-7,28 г/см3.
Прочность при комнатной температуре
Пластичность нихрома при комнатной температуре (относительное удлинение или поперечное сужение проволоки) составляет не менее 20%, что выше пластичности фехраля, которая для марки этого сплава Х15Ю5 равняется 16%, а для марки Х23Ю5Т всего 10%. Временное сопротивление разрыву нихромовой проволоки в среднем составляет 102 кгс/мм2 (1000,3 МПа), в то время когда этот же параметр для фехраля марки Х23Ю5Т равен 78 кгс/мм2 (764.9 МПа), а для марки Х15Ю5 он и того меньше – 75 кгс/мм2 (735.5 МПа).
Твердость нихрома равняется 140-150 HB, но фехраль еще более тверд, а потому более ломок на извив: Х23Ю5Т – 200-250 HB, Х15Ю5 – 150-200 HB, ведь чем больше в сплаве хрома, тем больше его хрупкость. Этим объясняется тот факт, что нормальная навивка фехралевой проволоки возможна только при ее нагреве свыше 300°C, иначе она будет ломаться. Для навивки нихрома предварительного нагрева не требуется, даже при комнатной температуре он навивается ровно и плавно, без образования микротрещин и разрывов.
Прочность при максимальных температурах на воздухе
Фехраль (проволока Ø > 6 мм) может работать на воздухе при очень высоких температурах от 1000°C (Х15Ю5), до 1400°C (Х23Ю5Т), но в таком температурном режиме материал становится нестабильным, не выдерживает резких динамических нагрузок. Незначительные присадки редкоземельного церия (Ce) и щелочноземельного кальция (Ca) повышают срок службы фехраля до момента перегорания. Нихром (проволока Ø > 6 мм) отличается большей жаропрочностью и сохраняет стабильность своих механических параметров при температурах от 1125°C (Х15Н60-Н) до 1200°C (Х20Н80 и Х20Н80-Н). В связи с этим нихром имеет большее количество циклов включения-выключения нагревательных элементов до их перегорания.
Стойкость к окислению при рабочих температурах
Высокое содержание никеля в нихроме не способствует интенсивному окислению поверхности нагревателя. При нагреве нихром покрывается лишь тонкой защитной пленкой окиси хрома, что делает сплав менее стойким, особенно в SO2 - и SO3 - содержащих средах. Скорость окисления нихрома растет только по мере повышения давления кислорода в электропечи. Что касается фехраля, то большое количество железа и наличие алюминия в его составе обуславливает повышенную окисляемость сплава с активным образованием плотного поверхностного защитного оксидного слоя. С одной стороны он затрудняет эксплуатацию тонких проволок и лент, но с другой стороны, сплав становится еще более устойчивым в контакте с высокоглиноземистой керамикой, в серо- и углеродосодержащих средах.
Сфера применения
Основное направление применения нихрома – изготовление нагревательных элементов повышенной надежности для электропечей обжига и сушки промышленного и лабораторного назначения, для водо- и воздухонагревательных систем, для электроплит, нитей испарителя электронных сигарет и т.д. Нихром используется для производства реостатов, высокоомных сопротивлений малой и средней мощности, для соединителей в электронике. Фехраль, в свою очередь, применяется для создания нагревателей высокотемпературного электротермического оборудования, способного осуществлять нагрев до 1400°C, в том числе для работающих в высокоглиноземной керамике и серосодержащей среде.
Форма производства (полуфабрикаты)
Нихром и фехраль выпускаются в соответствии с ГОСТом на данный тип продукции, главным образом в форме холоднотянутой нити на катушках от 0,012 до 0,09 мм и проволоки в бухтах диаметром от 0,1 до 10 мм. Наряду с этим производятся полуфабрикаты в виде кругов, плющеной и холоднокатаной ленты, горячекатаного прутка мерной и немерной длины.
Стоимость
На современном рынке фехраль дешевле нихрома как минимум в 3-5 раз из расчета цены за килограмм полуфабриката. Это объясняется тем, что стоимость никеля, который является базовым элементом нихрома, на порядок превосходит стоимость железа – основу фехраля. Между тем, делая ставку на более дешевый сплав, многие не учитывают условия его работы в комплексе: максимальную температуру нагревательного элемента, время беспрерывной работы, количество включений-выключений и т.п. В результате, купленный в целях экономии дешевый нагреватель быстро изнашивается, его приходится многократно менять, а, в конце концов, суммарные издержки превосходят стоимость дорогостоящего изделия. Специалисты рекомендуют при выборе сплава, в первую очередь, ориентироваться не на цену, а на его физические и химические характеристики, максимально отвечающие тем или иным задачам. Это позволит оптимизировать выбор материала нагревателя и получить не сиюминутную, а настоящую выгоду в процессе его эксплуатации.
