Materiały oporowe Materiały oporowe są stosowane na elementy grzejne pieców, oporniki przemysłowe różnych typów, oporniki laboratoryjne, elementy urządzeń pomiarowych itp.
Materiały oporowe powinny się odznaczać:
• odpowiednio dużą opornością właściwą,
• małym współczynnikiem temperaturowym oporności
• stałością oporności w czasie,
• odpowiednio dużą odpornością na utlenianie i działanie czynników chemicznych,
• dostatecznie wysoką temperaturą topnienia.
Rozróżnia się materiały oporowe metalowe i materiały oporowe niemetalowe.
Cechą charakterystyczną materiałów oporowych metalowych jest wzrost oporności właściwej ze wzrostem temperatury, określany współczynnikiem cieplnym oporności.
Metale czyste są stosowane jako materiały oporowe tylko wyjątkowo, ponieważ ich oporność właściwa jest na ogół mała i do tego zmienia się znacznie pod wpływem temperatury.
Stopy oporowe typu przemysłowego dzieli się na cztery grupy.
Do pierwszej grupy zalicza się stale oporowe niskostopowe zawierające chrom, aluminium i w niewielkiej ilości miedź. Stale wysokostopowe mogą być manganowe (do 23% Mn) albo manganowo-chromowe (do 10% Mn i 20% Cr). Oporność właściwa stali oporowych jest rzędu 0,75 Ω•mm2/m w temperaturze 20°C.
Do drugiej grupy zalicza się stopy miedzi (53÷60% Cu) i niklu (45÷40% Ni) z niewielkim dodatkiem manganu, albo stopy miedzi (85% Cu) i mangan u (poniżej 15% Mn) z dodatkiem niklu, aluminium i innych. Oporność właściwa tych stopów wynosi 0,5 Ω•mm2/m w temperaturze 20°C (pod wpływem temperatury zmienia się minimalnie).
Do trzeciej grupy, mającej o wiele większe znaczenie, należą stopy niklowochromowe, pokrywające ponad 50% zapotrzebowania na elementy grzejne. Szczególne znaczenie w stopie odgrywa chrom, który zwiększa oporność właściwą i odporność na utlenianie. Wadą tych stopów jest wrażliwość na działanie tlenku żelaza i gazów zawierających siarkę. Stopy objęte wspólną nazwą nichromów zależnie od składu chemicznego dzieli się na nichromy bezżelazowe o składzie 80... 90% Ni i 20÷10% Cr, czasem z dodatkiem manganu, nichromy niskożelazowe o składzie 60÷65% Ni, 15÷20% Cr i 15÷20% Fe z dodatkiem manganu, molibdenu i krzemu oraz nichromy wysokożelazowe o składzie 20% Ni, 25% Cr i 55% Fe z dodatkiem manganu i krzemu.
Nichromy stosuje się powszechnie na elementy grzejne pieców pracujących w średnim zakresie temperatury.
Do czwartej grupy zalicza się bezniklowe stopy żelaza (65÷ 85% Fe) i chromu (12÷30% Cr) z dodatkiem do 1,5% Si albo do 6% Al, a czasem i do 3% Co. Zaletą tych stopów, zwłaszcza z dodatkiem aluminium, jest znaczna odporność na utlenianie, na działanie siarki i jej związków oraz wysokiej temperatury. Stopów tych używa się na elementy grzejne pieców średniej i wysokiej temperatury.
Trwałość stopów oporowych wynosi kilka tysięcy godzin. Zależy ona zasadniczo od ich składu i warunków pracy, tzn. atmosfery i temperatury roboczej.
Cechą charakterystyczną materiałów oporowych niemetalowych jest spadek oporności właściwej ze wzrostem temperatury, czyli ujemny współczynnik cieplny oporności.
W piecach do obróbki cieplnej stosuje się oporniki o osnowie z karborundu (węglika krzemu - SiC), noszące nazwy firmowe: silfax, silundum, slund, globar, silit.
Silit jest znacznie odporniejszy na działanie wysokiej temperatury niż materiały oporowe metalowe. Może pracować w powietrzu w temperaturze 1200÷1400°C. Oporność silitu jest bardzo duża i zawarta w szerokich granicach, zależy bowiem od oporności przejścia między poszczególnymi kryształkami węglika krzemu, ich wielkości i stopnia porowatości materiału.
Na elementy grzejne pracujące do 1700°C stosuje się pręty lub kształtki wykonane z krzemku molibdenu, znane pod nazwą superkanthal.
Stopy oporowe na oporniki precyzyjne powinny się odznaczać:
- stałą w czasie i odpowiednio wysoką opornością właściwą,
- małym temperaturowym współczynnikiem oporności,
- małą siłą termoelektryczną względem miedzi (najwyżej 10-5V/oC),
- dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i dobrą plastycznością.
Warunkom tym odpowiadają niektóre, przeważnie wieloskładnikowe stopy:
a) miedzi i manganu,
b) srebra i manganu oraz
c) złota i chromu - odpowiednio obrobione cieplnie.
Metale i stopy stosowane na termometry oporowe i elementy termoelektryczne
Termometry oporowe działają na zasadzie zmiany oporności elektrycznej przewodnika w zależności od temperatury, przy czym dla metali i stopów oporność wzrasta ze wzrostem temperatury. A zatem, pomiar temperatury termometrem oporowym sprowadza się do pomiaru metodą elektryczną oporu opornika termoelektrycznego.
Oporniki termometryczne wykonuje się najczęściej z platyny, niklu, żelaza i miedzi.
Na termoelementy stosuje się metale i stopy, a w pewnych przypadkach niemetale, które odznaczają się następującymi właściwościami:
- dużą siłą termoelektryczną,
- proporcjonalną zależnością siły termoelektrycznej od temperatury,
-niezależnością siły termoelektrycznej od czasu i warunków ogrzewania,
-odpornością na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych.
W praktyce na termoelementy najczęściej stosowane są: miedź, srebro, żelazo, nichrom, chromel, platynarod, konstantan, nikiel, alumel, platyna. Tworzą one termoelementy:
1) miedź-konstantan pracujące w zakresie temperatury od 200 do 400°C,
2) srebro-konstantan od - 200 do 500°C,
3) żelazo-konstantan od - 200 do 700°C,
4) nichrom-nikiel od 0 do 1000°C,
5) chromel-alumel od 0 do 1200°C,
6) platynarod-platyna od 0 do 1300°C.