К настоящему времени разработано множество сплавов. Одни ориентированы на обширное применение, другие отличаются специфическим свойствами, важными для конкретных условий. К последним относится сплав константан. Далее приведены особенности, характеристики, применение.
Содержание
- Параметры и особенности
- Применение
- Состав
- Достоинства и недостатки
- История
- Вам также могут быть интересны статьи:
Параметры и особенности
Данное название носит сплав медно-никелевого состава, характеризующийся термостабильностью, электрическим сопротивлением, обрабатываемостью, используется в электротехнической промышленности.
Основными особенностями считают электрические свойства константана МНМц 40-1,5: большое удельное электрическое сопротивление, составляющее 0,45-0,52 мкОм×м, и низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, равный -0,02×10-3-+0,06×10-3 °C-1.
Последнее обеспечивает стабильность сопротивления при различной температуре. Благодаря параметрам сопротивления константан называют резистивным сплавом. К тому же данный материал характеризуется значительной термоэлектродвижущей силой. Наконец, константан обладает хорошим технологическими свойствами, обуславливающими обрабатываемость его механическими методами. Так, для него применимы паяние, чеканка, штамповка, ковка и т. д. После отжига возможно использовать резание. Загрязнение цинком существенно затрудняет обработку.
Далее приведены прочие характеристики константана. Плотность его равна 8,8–8,9 г/см3. Таким образом, это наиболее плотный никелевый сплав, превосходящий по данному параметру сталь. Данная особенность, определяющая большую массу константана, обусловлена значительной долей меди в его составе. Температура плавления составляет 1260 °C, благодаря чему сплав является термостабильным, сохраняя до названной температуры внутреннее строение. Твердость равна 155 НВ, предел прочности на разрыв – 400 МПа. Температурный коэффициент линейного расширения составляет 14,4×10-6 в диапазоне от 20 до 100 °C. Теплоемкость равна 0,0977 кал/г×C, теплопроводность – 0,05 кал/см×с×C. Магнитные свойства отсутствуют. Константан характеризуется высокими показателями пластичности. Так, модуль упругости составляет 16600 кгс/мм2, относительное удлинение достигает 30%, сужение – 71%. Следует отметить, что пластичность значительно сокращается при загрязнении константана цинком. Благодаря высокому пределу выносливости, составляющему для горячетканых прутков 243 МПа (что соответствует стали 45), константан подходит для условий переменных нагрузок. Медно-никелевый состав обеспечивает сопротивление сплава коррозии. Так, он не реагирует с кислородом до 800 °C, а также с органическими кислотами и соляными растворами. Цвет – желтоватый.
Ввиду невысокой прочности константан нередко подвергают дополнительной обработке. После отжига предел прочности возрастает до 700-800 МПа, что приравнивает сплав по данному показателю к стали 45. Для еще большего упрочнения рассматриваемого материала применяют наклеп, подразумевающий поверхностную прокатку стальными роликами, вызывающую пластические деформации. В результате такой обработки константан обретает показатели предела прочности в 850 МПа и твердости в 75-90 НВ. Однако нужно учитывать, что как механическая, так и термическая обработка константана МНМц 40-1,5 сокращает пластичность: относительное удлинение снижается до 4%, сужение – до 21%.
Следует отметить, что электроизоляционные параметры характерны не для материала, а для поверхностной окисной пленки.
Данное покрытие формируется в результате прокаливания, поэтому изделия, рассчитанные на применение в электрооборудовании, подвергают данной обработке при производстве.
Стоимость константана формируется, прежде всего, под влиянием цены Ni. Например, стоимость рассматриваемого материала в октябре 2017 г. составляла в среднем 5 тыс. рублей за 1 кг. Во многом она зависит от формы и ее особенностей. Так, лента немного дороже в сравнении с проволокой. А для проволоки имеет значение толщина: варианты с большим диаметром дешевле. Например, на декабрь 2016 г. тонна 0,6 мм проволоки стоила около 2,3 млн., а материала диаметром 1,2 мм – 0,8-1 млн. К тому же, как видно из приведенных данных, при массовой реализации цена значительно снижается. Цена покупки также определяется несколькими факторами. Во-первых, большое значение имеет состояние лома, определяемое, прежде всего, наличием следов коррозии. Во-вторых, для проволоки имеет значение диаметр. Тонкие материалы ценятся выше.
В-третьих, важен объем поставок. Пункты приема лома предпочитают принимать крупные партии (более 100 кг) ввиду ускоренной реализации. В таких случаях они наценивают лом на 10–15%.
Применение
Сфера применения рассматриваемого материала определяется его параметрами. Так, большая термоэлектродвижущая сила обуславливает возможность использования константана в качестве исходного материала для, термопар. Значительное электрическое сопротивление позволяет создавать из него элементы сопротивления, представленные реостатами, и нагревательные элементы. Так как электрическое сопротивление константана слабо связано с температурой, он подходит для тех случаев, когда необходима стабильность электрического сопротивления. Помимо этого, рассматриваемый сплав применяется в измерительном оборудовании низкого класса точности и в качестве материала удлиняющих проводов.
Изделия из константана представлены проволокой диаметром 0,2-2,5 мм и лентами толщиной 0,1-2 мм и шириной 10-300 мм. Причем проволока представлена в двух вариантах: мягкой (отожженной) и твердой. Их свойства отличаются. Так, для мягкого варианта удельное сопротивление составляет 0,46-0,48 ом×мм2/м, прочность на разрыв – 45-65 кг/мм2, в то время как для твердой проволоки удельное сопротивление равно 0,48-0,52 ом×мм2/м, прочность на разрыв -65-70 кг/мм2. Кроме того, выпускают продукцию как без изоляции, так и с различными ее вариантами: высокопрочной эмалевой, двухполосной шелковой, двухслойной комбинированной эмаль-шелковой и эмаль-лавсановой.
Константановая проволока служит для изготовления проводников между приемником и контактором высокоточных температурных измерителей. Также из нее делают компенсационные провода термопар. Из проволоки и лент создают резистивные, ленточные и проволочные нагревательные элементы промышленных печей по выплавке металлов с небольшой температурой плавления. Наконец, из константана производят реостаты, резисторы, тензометрические датчики.
Отдельно следует рассмотреть применение материала для нагревательных элементов. Возможность использования его для данных целей обеспечена приведенными выше свойствами сплава.
Во-первых, высокое электрическое сопротивление, способствует быстрому и сильному нагреву. Во-вторых, малый температурный коэффициент сопротивления позволяет значительно упростить конструкцию нагревателя. Так, он избавляет от необходимости понижения напряжения при запуске, следовательно, не требуется трансформатор. В-третьих, хорошие технологические особенности позволяют создавать детали сложной конфигурации.
Таким образом, благодаря названным свойствам константана в совокупности возможно изготовление из него коротких нагревательных элементов большой площади поперечного сечения. Это считают существенным преимуществом по следующим причинам. Во-первых, печи многих типов, например, лабораторные, рассчитаны на короткие нагревательные элементы. Во-вторых, детали большого диаметра характеризуются большим сроком службы.
Константан применяют как для открытых, так и для закрытых нагревателей. В первом случае его используют в виде ленты и толстой проволоки. Это объясняется сгоранием тонкой проволоки на открытом воздухе при высоких температурах (более 400-450 °C). Однако материал в такой форме актуален для печей с инертным газом, вакуумных печей, закрытых нагревателей. В последнем случае в устройствах типа ТЭН, ориентированных на нагрев жидкости, воздуха, полов и т. д., константан не контактирует с окружающей средой. В большинстве таких нагревателей он в виде спирали из нити помещен в герметичную трубку. Для высокомощных моделей применяют толстую проволоку и ленту.
Также относительно формы константана следует отметить, что проволоку считают более предпочтительной по техническим и экономическим особенностям для нагревательного оборудования в сравнении с лентой. Так, для крупных промышленных печей применяют материал диаметром 3-7 мм, для меньших аналогов – 0,03-2,5 мм проволоку. К преимуществам проволоки перед лентой относят меньшую стоимость и простоту изготовления нагревательных элементов. Так, спиральные детали создают путем станковой навивки. К тому же проволочную спираль, благодаря компактности и высокой пластичности, можно разместить в оборудовании различными способами: на сводах и стенках зигзагами и лабиринтом, подвесить на керамических изоляторах, навить на трубчатое основание. Второй способ применяют на низкотемпературных печах, а третий считают наиболее эффективным. Вследствие больших трудоемкости и затратности создания нагревательных элементов из ленты обычно ее применяют в основном в специфических случаях. В любом случае константановые нагревательные элементы близки по параметрам эффективности, независимо от формы.
Состав
Константан представлен во множестве марок (более 30). Наиболее распространенной среди них является марка МНМц 40-1,5. Состав сплава константан данной марки включает около 59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn, менее 1% примесей. Последние представлены S, P, Al, Mg. Их наличие обусловлено неточностью состава лигатур и несовершенством выплавочных технологий. Из основных компонентов константана медь обеспечивает прочность, никель придает пластические свойства, марганец служит для легирования.
Достоинства и недостатки
К положительным качествам материала относят большинство его свойств: большие электрическое сопротивление и термоэлектродвижущую силу, низкий температурный коэффициент электрического сопротивления, хорошие технологические параметры, сопротивление коррозии. Например, последняя особенность выгодно отличает его от близкого аналога по термостабильности – манганина. Ввиду этого константан считается более долговечным и в целом ценится выше.
Основным отрицательным свойством считают относительно низкую температуру плавления.
История
Констанатан был создан в США в 1888 г. Э. Вестоном. Изначально он был ориентирован на применение в электроизмерительных приборах и в качестве исходного материала для катушек. Его представили как Сплав №2. Современное название рассматриваемый материал получил чуть позже от немецких производителей проволоки, выполнявших заказ создателя.
Источник: