Биметаллическая проволока для элементов высокотемпературных тензорезисторов Советский патент 1993 года по МПК B21C23/22 B32B15/02 

Изобретение относится к металлургии (электротехнике), а именно, к разработке материалов для выводных проводников высокотемпературных тензорезисторов (ВП ВТР).

В практике проведения высокотемпературных тензоизмерений важнейшими требованиями являются обеспечение точности и стабильности измерений при достаточной надежности тензометрических систем в широком диапазоне рабочих температур. Элементы тензометрических систем должны обладать достаточной прочностью и пластичностью.

Все перечисленные требования в полном объеме предъявляются к вновь разрабо- танным материалам для элементов измерительных систем, в частности выводных проводников ВТР при их разработке и в процессе их дальнейшего совершенствования.

На точность измерения влияет появление при нагреве неинформативной составляющей выходного сигнала (погрешности), связанной в основном с изменением электрического сопротивления двух выводных проводников тензорезистора. А это изменение пропорционально значениям удельного электросопротивления р и термического коэффициента сопротивления а материала выводных проводников.

Стабильность результатов тензометрических измерений связана с устойчивостью во времени структурно-фазового состояния металла выводных проводников и зависит также от характера физико-химических взаVI

со

00 Ю

Ю

со

имодействий в пограничных слоях металла указанных проводников при нагреве до высоких рабочих температур.

Надежность выводных проводников ВТР обуславливается длительной термостойкостью без заметного окисления, ох- рупчивания при достаточном уровне механических свойств - прочности и пластичности (во избежание выхода из строя из-за разрыва и противостояния изгибающим и скручивающим нагрузкам).

Необходимость разработки электропроводного материала для нужд электротехнической промышленности и приборостроения с достаточно высокой жаростойкостью и одновременно с низким удельным электросопротивлением привели к созданию биметаллических материалов. Они состоят из высокоэлектропроводной жилы (центральный проводник), заключенной в жаростойкой оболочке. Материалом жилы являются медь и серебро, Для оболочки используют никель, нержавеющую сталь, сплавы на основе системы никель-хром- к ремний.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является биметаллическая проволока, содержащая электропроводный центральный проводник и жаростойкую оболочку.

Электропроводный композиционный материал выполнен в виде биметаллической проволоки с центральным проводником из меди (ГОСТ 2112-79) в жаростойкой оболочке из стали 1Х18Н10Т(ГОСТ5632-61) или сплава на основе никеля следующего химического состава (вес. %):

Сг 10,0; Si 2,0; Ni ост.

Для обеспечения надежности защиты от окисления сечение оболочки составляет 25 - 40%, а сечение центрального провода соответственно 75 - 60% от общего сечения провода. Известный материал изготавливается в виде проволоки диаметром 0,20 мм.

В качестве обобщенного критерия оценки эксплуатационных свойств существующего и вновь создаваемого электропроводных материалов для выводных проводников и линий связи ВТР выбрана величина а (т.):

д (t) р а Д t,

где р- величина удельного электросопротивления материала при 20°С, мкОм-м;

а- термический коэффициент электросопротивления материала в интервале температур от комнатной до рабочей,

At- разность температур рабочей и комнатной, принятой 20°С.

В таблице 1 даны электрические свойства проволоки из вышеприведенного мате5 риала после закалки от900°С в воде, а также свойства проволоки из сплава нихром Х20Н80 (ГОСТ 12766-67), используемой для изготовления выводных проводников в серийно выпускаемых тензорезисторах.

10 Недостатком указанных в таблице известных материалов являются высокие значения удельного электросопротивления и температурного коэффициента электросопротивления (параметр д ) и относительно

15 низкий верхний предел рабочей температуры эксплуатации, что существенно ограничивает область применения линий связи ВТР в системах измерения.

Целью изобретения является повыше20 ние качества биметаллической проволоки путем повышения ее эксплуатационных свойств, а именно одновременного снижения удельного электросопротивления и температурногокоэффициента

25 электросопротивления, повышение жаростойкости, срока службы, прочности и пластичности материала. Это позволяет измерительным системам, включая элементы линий связи ВТР, обслуживать объекты

30 измерения в условиях одновременного воздействия разного рода термомеханических нагрузок.

Данная цель достигается тем, что электропроводный центральный проводник вы35 полнен из материала следующего химического состава (мае. %): никель 43 - 45; кремний 0,001 - 0,05; примеси 0,1 - 0,2; медь остальное, а жаростойкая оболочка выполнена из сплава следующего химического

40 состава (мае. %): хром 19-23; кремний 0,4 - 1,5; цирконий 0,03 - 0,05; никель остальное.

При этом объемная доля центрального проводника в биметаллической проволоке

45 составляет 48-60%.

При теоретическом исследовании вопроса рассматривается задача поиска композитного материала в виде проволоки малого диаметра с минимально возможными

50 а (т. е. с минимальным значением величины обобщенного параметра б ) во всем диапазоне положительных рабочих температур, вплоть до высоких (900°С). Требуемый уровень электрических свойств дол55 жен сочетаться с высокой жаростойкостью, прочностью и пластичностью материала.

Основная принципиальная сложность в создании подобного рода материала связана с обратной зависимостью между

«для большинства металлов и сплавов (правило Муи). Приемлемыми материалами по величине указанного параметра являются сплавы системы никель-медь. Однако они имеют преимущество перед сплавами системы никель-хром только до 400°С и не могут считаться перспективными из-за низкой жаростойкости.

Оценивая недостаточные служебные характеристики существующих монометаллических материалов, в качестве объектов исследования были выбраны композиционные материалы в виде биметаллической проволоки на основе систем никель- хром/никель-медь. При этом учитывался положительный и отрицательный характер температурной зависимости,

На фиг. 1 изображено относительное изменение электросопротивления сплавов- составляющих композиционных материалов при нагреве в интервале 20 - 900°С; на фиг. 2 - относительное изменение электросопротивления ТМК при нагреве в интервале 20 - 900°С; на фиг. 3 - температурная зависимость электросопротивления биметаллической проволоки из композита: оболочка (сплав типа никель-хром) /центральный проводник (сплав типа никель-медь); объемная доля центрального проводника 48 - 60%; на фиг. 4 - область существования (см. табл. 2 и 3) оптимальных значений основных рабочих характеристик заявляемой биметаллической проволоки в диаметре 0,15 мм при температуре испытаний 900°С.

На приведенных чертежах в условных обозначениях:

на фиг. 1 1 - сплав на основе никель- хром (20); 2 - сплав на основе никель-медь; 3-сплавтипа никель-хром (10%); Д R/R20 - относительное изменение электросопротивления при нагреве от 20°С до температуры Т°С;

на фиг. 2 1 - сплав никель-хром/сплав никель- медь (50%); 2 - сплав никель- хром(10%)/сплав никель-медь (80%);

на фиг. 4 S - объемная доля центрального проводника; т эоо жаростойкость биметаллической проволоки при 900°С;

д (Т) - обобщенный параметр по формуле (1).

В таблице 2 приведен химический состав сплавов-составляющих исходной композитной заготовки.

В таблице 3 даны результаты исследования эксплуатационных свойств изготовленной биметаллической проволоки диаметра 0,15 мм.

Исходя из обратной взаимозависимости удельного электросопротивления ТКС а в подавляющем большинстве сплавов для решения поставленной задачи проводился поиск композиционного материала, сочетающего в себе составляющие с положительной и отрицательной зависимостями электросопротивления от температуры. При этом одна из составляющих должна обладать высокой электропроводимостью или иначе - низким электросопротивлением. В ходе исследования были использованы аналитические выражения для расчета /Экм композиционных

материалов в зависимости от соответствующих характеристик их составляющих

20

PI -Р2

( -x)

(2)

где р км - удельное электросопротивление биметаллов;

р - удельное электросопротивление составляющих 1 и 2 биметалла соответственно, определяемое по формуле:

/31.2 р 1,2(20) (1+ а A t),

х - объемная доля составляющей биметалла 2.

При создании большинства биметаллических материалов для использования .в электротехнике решались только две технические задачи: достигалась высокая электропроводимость и достаточный (500 - 600°С)уровень жаростойкости.

Задача достижения низкого уровня ТКС при этом фактически не ставилась. Так, для биметалла сталь 4Х18Н10Т/медь величина параметра ра в интервале 20 - 600°С даже выше, чем у монометалла - сплава Х20Н80 - из-за высокого значения а для меди.

Для ТКС композита также существует приближенная расчетная формула:

а,

«i

+ «2(1 -х), (4)

где а км, ai и «2 - ТКС композита и его составляющих.

В начале исследования в связи с недостатком исходных данных и трудоемкостью получения композитных образцов для выбора экспериментальных составов композитов было проведено моделирование электротехнических свойств на образцах- термомакрокомпозитах (ТМК), представляющих пару свитых проволочных

проводников, выполненных из сплавов, идентичных компонентам биметаллов. Указанные модельные образцы называют термоэлектродными, они являются достаточно близкими аналогами композиций с непрерывным контактом элементов-составляющих, При этом температурные зависимости электросопротивления (t)TMК приближенно воспроизводят соответствующие зависимости для биметаллов тех же составов.

Анализ представленных на фиг. 1 и 2 температурных зависимостей электросопротивления ТМК и сплавов-составляющих поясняет методику подбора (путем расчета и эксперимента) составов композитов по параметрам р и а для получения их в виде биметаллической проволоки в данном случае для систем: сплав Ni- Cr/ сплав Ni - Си (50 - 60 ), сплав НХ9.5/ сплав Ni - Си (50 - 60 об.%), Таким образом, на фиг. 1 и 2 видно, что решение задачи определяется на компенсационной основе характеристик сплавов-составляющих биметаллической проволоки. На фиг. З показаны зависимости изменения электросопротивления от температуры для биметаллической проволоки для ВТР, изготовленной по результатам проведенных изысканий,

В результате теоретических расчетов характеристик жаростойкости найденного композита при 900°С было произведено сопоставление характеристик его окисления при этой температуре в течение 4 часов с характеристиками окисления эталонного жаростойкого сплава - нихрома. По уровню жаростойкости найденный композит уступает нихрому лишь на 15 - 20%.

Таким образом, решение задачи минимизации рассматриваемых электротехниче- ских свойств биметалла при одновременном максимальном повышении рабочей температуры и сроке службы биметаллического проводника позволило определить вторую часть общей задачи - оптимальное соотношение объемных частей центрального проводника и оболочки композита при известном химическом составе композитов.

Для получения определенного материала были выплавлены сплавы на основе систем никель-хром и никель-медь, химические составы которых приведены в табл. 2. Выплавка проводилась в вакуумно- индукционной печи садкой 25 кг с последующей разливкой на 1 слиток. Всего было выплавлено 11 слитков-плавок. Из них пять (I ... V) из сплава-составляющего оболочку биметалла - сплава Ni - Cr. Еще пять слитков-плавок (VI ... X) - из сплава-составляющего центральный проводник биметалла - сплава Ni - Си. Последнюю плавку (XI) выплавили из монометалла - нихрома - для определения количественного соотношения служебных характеристик его с рассматриваемым биметаллом.

Слитки из сплава Ni - Cr после нагрева на 1250°С подвергли ковке на кузнечном молоте с в. п. ч. 500 кг на прутки диаметром 45 мм. Слитки из сплава Ni - Си после нагрева на 1100°С ковали точно так же на прутки диаметром 34 мм. Из кованых прутков после механической обработки и сборки были получены композитные заготовки наружным диаметром 39,5 мм, имеющие осевые центральные сердечники различного диаметра, определяющие различные соотношения площади поперечного сечения биметаллической заготовки в исходном состоянии.

Для определения оптимального по химическому составу и отношению площадей центрального сердечника к общему сечению проволоки заявляемого биметалла были изготовлены композитные заготовки,

обозначенные I/VI, II/VIII, lil/VIII, IV/IX и V/X, с содержанием объема центрального сердечника в общем объеме заготовки 41,1 ... 67,3% с вариацией химического состава составляющих композитной заготовки

(табл.2).

Изготовленные заготовки нагревали до 1230 - 1260°С и подвергали горячей экструзии на прутки ф 6,0 - 8,0 мм. После операции закалки в воду от температуры 1050°С

и травления из прутков методом холодного волочения получали биметаллическую проволоку ф 0,15 мм. Все заданные соотношения между общим сечением проволоки и внутренним (центральным) проводником

после горячей и холодной деформации сохранялись.

В таблице 3 приведены свойства биметаллической проволоки после окончательной термообработки при 1050°С в

проходной водородной печи.

Высокая электропроводность в сочетании с низким термическим коэффициентом электросопротивления и высокой жаростойкостью обеспечивают для биметаллической проволоки более низкие значения параметра д (т), чем у известных биметаллов и сплавов-монометаллов типа нихром, причем в более широком интервале рабочих температур (20 - 900°С), чем установлен для прототипа и рассмотренных в приведенном исследовании других возможных композитов (фиг. 1 и 2).

Названные преимущества позволяют использовать разработанный материал для изготовления выводных проводников перспективных высокотемпературных тензоре- зисторов, а также для преобразователей различного назначения, требующих использования материалов с высокой электропроводимостью, жаростойкостью и малым коэффициентом электросопротивления.

Из данных табл. 2 и 3 оптимальными вариантами изготовления композитной проволоки являются 1, 2, 3, 6 и 7 обеспечивающие наилучшие физико-механические эксплуатационные свойства заявляемой проволоки..

Формула изобретения Биметаллическая проволока для элементов высокотемпературных тензорези- сторов, содержащая электропроводный центральный проводник и жаростойкую

оболочку, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества биметаллической проволоки путем повышения ее эксплуатационных свойств, электропроводный центральный проводник выполнен из материала следующего химического состава, мас.%:

Никель43-45 Кремний 0,001-0,005 Примеси 0,1 -0,2 Медь Остальное а жаропрочная оболочка выполнена из сплава следующего химического состава, мае. %:

Хром19-23 Кремний 0,4-1,5 Цирконий 0,03 - 0,05 Никель Остальное причем объемная доля центрального, проводника в биметаллической проволоке составляет 48 - 60%.

Использование: при разработке материалов для выводных проводников высокотемпературных тензорезисторов. Сущность: биметаллическая проволока содержит электропроводный центральный проводник из материала следующего химического состава, мае. %: никель 43 ... 45, кремний 0,001 - 0,005: примеси 0,1 ... 0,2; медь остальное. Биметаллическая проволока также содержит жаропрочную оболочку, выполненную из сплава следующего химического состава, мае. %: хром 19 ... 23; кремний 0,4 - 1,5; цирконий 0,03 ... 0,05; никель остальное. Объемная доля центрального проводника в биметаллической проволоке составляет 48 ... 60%. Данная биметаллическая проволока обеспечивает получение материалов с высокой электропроводимостью, жаростойкостью и малым температурным коэффициентом электросопротивления. 3 табл., 4 ил. ел

Основные эксплуатационные параметры известных моно- и биметаллических проводников

Химический состав сплавов-составляющих исходной композитной заготовки перед горячей экструзией

Таблица 1

Таблнца2

Результат исследования эксплуатационных свойств заявляемой оиметаллической проволоки диаметром 0,15 мм

-4.0

20 203 4QQ 600 WO- 1°оп

. . --. Г °с

ТаблицаЗ

qbas.i

4000

Т

фиг. 2

- Tt ec

, 3

Фиг. А.