Биметаллическая проволока для элементов высокотемпературных тензорезисторов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4899563/27 (22) 03,01,91 (46) 15.01.93, Бюл. М 2 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П.

Бардина (72) В, И. Бокшицкий, В. П. Алексеев, Н. Г.

Новоселова, Л. С, Ильинская, В. В, Поднебеснов и В. Х. Левинзон (73) В. И, Бокшицкий (56) Е. Ю, Нехендзи и др. Электротензометрия, ч. 2, Днепропетровск, ЛДНТП, 1969, с.

39 — 42. (54) БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПРОВОЛОКА

ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ (57) Использование: при разработке материалов для выводных проводников высокотемИзобретение относится к металлургии (электротехнике), а именно, к разработке материалов для выводных проводников высо котем пературн ых тензорезисто ров (В П

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 разработанным материалам для элементов измерител ьн ых систем, в частности вы вод„„SU „„1788919 АЗ (я)з В 21 С 23/22, В 32 В 15/02 пературных тензорезисторов. Сущность: биметаллическая проволока содержит электропроводный центральный проводник из материала следующего химического состава, мас. : 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, мас. ; 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. ных 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 вза1788919 имодействий в пограничных слоях металла указанных проводников при нагреве до высоких рабочих температур.

Надежность выводных проводников

BTP обуславливается длительной термостойкостью без заметного окисления, охрупчивания 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— кремний.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является биметаллическая проволока, содержащая электропроводный центральный прбводник 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 (ГОСТ 5632-61) или сплава на основе никеля следующего химического состава (вес, %).

Cr10,0; 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 Л t, где р — величина удельного электросопротивления материала при 20 С, мкОм м; а — термический коэффициент электросопротивления материала в интервале температур от комнатной до рабочей, К;

-1, В

10

25 электросопротивления, повышение жаро30

Л т — разность температур рабочей и комнатной, принятой 20 С, В таблице 1 даны электрические свойства проволоки из вышеприведенного материала после закал ки от 900 С в воде, а также свойства проволоки из сплава нихром

Х20Н80 (ГОСТ 12766-67), используемой для изготовления выводных проводников в серийно выпускаемых тензорезисторах.

Недостатком указанных в таблице известных материалов являются высокие значения удельного электросопротивления и температурного коэффициента электросопротивления (параметр д ) и относительно низкий верхний предел рабочей температуры эксплуатации, что существенно ограничивает область применения линий связи

BTP в системах измерения.

Целью изобретейия является повышение качества биметаллической проволоки путем повышения ее эксплуатационных свойств, а именно одновременного снижения удельного электросопротивления и температурного коэффициента стойкости, срока службы, прочности и пластичности материала. Это позволяет измерительным системам, включая элементы линий связи ВТР, обслуживать объекты измерения в условиях одновременного воздействия разного рода термомеханических нагрузок, Данная цель достигается тем, что электропроводный центральный проводник выполнен из материала следующего химического состава (мас. %): никель 43—

45; кремний 0,001 — 0,05; примеси 0,1 — 0,2; медь остальное, а жаростойкая оболочка выполнена из сплава следующего химического состава (мас, %); хром 19 — 23; кремний 0,4 — 1,5; цирконий 0,03 — 0,05; никель остальное, При этом объемная доля центрального проводника в биметаллической проволоке составляет 48 — 60%, При теоретическом исследовании вопроса рассматривается задача поиска композитного материала в виде проволоки малого диаметра с минимально возможными ри а (т. е. с минимальным значением величины обобщенного параметра д ) во всем диапазоне положительных рабочих температур, вплоть до высоких (900 С). Требуемый уровень электрических свойств должен сочетаться с высокой жаростойкостью, прочностью и пластичностью материала, Основная принципиальная сложность в создании подобного рода материала связана с обратной зависимостью между ри

1788919

Исходя из обратной взаимозависимости удельного электросопротивления р и

ТКС а в подавляющем большинстве сплавов для решения поставленной задачи про5 водился поиск композиционного материала, сочетающего в себе составляющие с положительной и отрицательной зависимостями электросопротивления от температуры, При этом одна из составляю10 щих должна обладать высокой электропроводимостью или иначе — низким электросопротивлением. В ходе исследования были использованы аналитические выражения для расчета p K< композиционных

15 материалов в зависимости от соответствующих характеристик их составляющих ркм (2) 20 где р км — удельное электросопротивление биметаллов; р! ирг — удельное электросопротив25 ление составляющих "1" и "2" биметалла соответственно, определяемое по формуле:

x — объемная доля составляющей биме30 талла "2", При создании большинства биметаллических материалов для использования в электротехнике решались только две техни35 ческие 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

40 параметра р а в интервале 20 — 600 С даже выше, чем у монометалла — сплава

X20H80 — из-за высокого значения адля меди.

Для ТКС композита также существует приближенная расчетная формула:

ГдЕ а,м, а1 И а2 — 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 образцахтермомакрокомпозитах (ТМК), представляющих пару свитых проволочных

В таблице 3 даны результаты исследования эксплуатационных свойств изготовленной биметаллической проволоки диаметра 0,15 мм. адля 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 сплавовсоставляющих 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 — сплав типа никель — хром (10%); Л R/R2p — относительное изменение электросопротивления при нагреве от 20 С до температурыТ 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 goo — жаростойкость биметаллической проволоки при 900 С; д (Т) — обобщенный параметр по формуле (1).

В таблице 2 приведен химический состав сплавов-составляющих исходной композитной заготовки. р1,2= p1,2(20)(1+ (Х Л t), Ркм х а км = а + а 2 м (1 — Х ), (4)

P1 P2

1788919

20

45

55 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 р =р(т) ТМ К 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 — Cu (50 — 60 об. ), сплав HX9,5/ сплав Ni — Cu (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. 3 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 окислечия эталонного жаростойкого сплава — нихрома, По уровню жаростойкости найденный композит уступает нихрому лишь на 15 — 20 .

Таким образом, решение задачи минимизации рассматриваемых электротехнических свойств биметалла при одновременном максимальном повышении рабочей температуры и сроке службы биметаллического проводника позволило определить вторую часть общей задачи— оптимальное соотношение обьемных 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 вакуумноиндукционной 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 — Cu. 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. и. ч. 500 кг на прутки диаметром

45 мм. Слитки из сплава Ni — Cu 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, !1/VIII, 1П/VIII, IV/IX u

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"C 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).

1788919

Таблица!

Основмые эксплуатационные параметры»звестных моно- и биметаллических проводников материал проводника

Электрические свойства

d (t) л х!О 2 мкОм и

Доля площади центрального проводниха,.ь

Предельная рабочая температура, C

Диаметр проводника, мм

Исходное состояние неталла механические свойства 20 20-зал х мкОн н х10 2, 1/!1

8g к r/ìí2

Сплав нихром Х20880 0

1,18 0,07

0,024 3,48

4,56

5,10

76,8 26,0

33,0 28,0

О, 15 отолскем.

0,20 отоиенн, О 20 нагартов, 500

Сталь 12Х18Н107 надь

Сталь 12Х!8Н101 медь

600

0,032 2,85

600

5,57

70,0

3,0

Сплав 102 Сг, 22 ост Ni медь

600

0,027

30,0

0,20 отекаем.

33,0

Сплав Ni-Sj медь

0,024

0,20

Таблица2

Химический состав сплазое-составлякв!их исходной композитной заготовки перед горячей экструзией

0остаеляищие биметаллической заготовки

Содерыание элементов, мас.2

Nfl плавокслитков сплавов-составлякщмх исходной ком позитной заготовки

81

Примеси, не более

Сг

Сц

0 4 л

0,005

2 6 л

0,10

Оболочка центр. провод.

Ост

3,0 кь

0 03

Ост.

2 6 л

0,10

Оболочка центр, провод.

Ост.

5,0

22i0

О 05

-л! 5

0,00!

И/VI I

Ост.

О 8 л

0,003

Оболочка центр. провод.

О 04 л

2 6

-10,10

Ост. цч,32

ПI/VIII

Ост.

Оболочка центр. провод

18 О

--12 6

-30,!0

Ост, 42,0

0 2

0,03

0 О! л

IV/IX

0сТ

26 О

2 6

-л0,10

Оболочка центр. провод.

О 04 л2 л

V/Х

Ост.

Ост, 20i0

Ионометалл

Названные преимущества позволяют использовать разработанный материал для изготовления выводных проводников перспективных высокотемпературных тензорезисторов, 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 тензорезисторов, содержащая электропроводный центральный проводник и жаростойкую оболочку, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества биметаллической проволоки путем повышения ее эксплуатационных свойств. электропроводный

5 центральный проводник выполнен из материала следующего химического состава, мас,%:

Никель 43 — 45

Кремний 0,001 — 0,005

10 Примеси 0,1 — 0,2

Медь Остальное а жаропрочная оболочка выполнена из сплава следующего химического состава, мас. %:

15 Хром 19 — 23

Кремний 0,4 — 1,5

Цирконий 0,03 — 0,05

Никель Остальное причем объемная доля центрального, про20 водника в биметаллической проволоке составляет 48 — 60% отохиен. 600 32,0 30,0

1788919

I Таблица3

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

Шифр заготовки (Табл.2) Соотношение диаметров бнметаплич, проволоки

Доля площади сечения центр проводника

Срок службы прн 900 С, ч

Неханическне свойства кг/кв.мм кгlкв.мм Ф

2/ЧI

1/VI

I/VI

I/×1

1/VI

II/VII

11I/VIII

IЧ/IХ

Ч/Х

XI 48,0

60,0

51,5

41,1

67,3

53 8

55,3 50,0

58,5

0,0

О, 104/0,180

O>116/0,150

О, 108/О, 150

0,096/О, 150

0,123/0,150

О, 110/O, 150

О, 111/O, 150

0,106/О, !50

0,114/0,150

0,150

Электрические свойства

-" — --" т»(t! 10, К ) о (Т) к 10-э, мкОм.м мкОм и т -1

20 500 J 20-700 L20-900 f 20>500) 20-700) 20-900

0,65 1,25 2,44 3,44 0,447 1,357 2,507

О, 63 1, 10 2, 15 3, 20 О, 424 t > 1 73 2,260

0 65 1 22 2 32 3 38 О 485 1,306 2>»63

0,60 1,80 3,80 6,50 0,660 1,970 4,36

0,58 0,96 3,60 6,20 0,399 1,810 2, 11

О;65 1,17 2,28 3,34 0,465 1,284 2,434

О, 64 1, 1 4 2, 19 3, 26 О, 446 1, 214 2, 361

0,60 2,01 4,90 6,60 0,737 2,540 4,44

0,68 1 > 12 3,85 5,30 0,465 7,260 4,49

0,10 8,0 7,83.,7,72 4,960 7,350 9,520

61,8

61,7

61,7 68>3

61,3

62,9

61,4

64,6

59,9

76,8

28,7

29,3

29,2

31,4

29,5

28,5

27,3

32,!

33,2

39,8

22,3

18,2

18,1

17,5

21,1

21,5

20,8

18,0

23,2

26,0

107,4

95,3

103,0

112, 5

82,8

101,3

99, 6.

103,4

101,0

130,6

1788919

1 I

1788919

Редактор

Заказ 80 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ъ

120 ) 50 60

Составитель B,Бокшицкий

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Т.Палий