Термоэлектродные сплавы на основе никеля, меди. Группа сплавов применяется для термопар, элементов термоэлектрических устройств

Термоэлектродные сплавы – это группа сплавов, применяемых для создания термопар и других элементов термоэлектрических устройств. Работа термопары основана на возникновения термической электродвижущей силы (ТЭДС) в месте контакта двух разнородных металлов. Эта сила зависит от температуры, что дает возможность ее измерения. Кроме температуры, Термо-ЭДС зависит от типа термопары, то есть, от составляющих ее материалов.

Требования к сплавам для термопар

Поскольку термопары являются ключевыми компонентами измерительных приборов, к материалам, из которых они изготавливаются, предъявляется множество требований.

Сплавы, из которых изготавливается термопара, должны создавать достаточно большую (Термо ЭДС), чтобы ее можно было измерить с приемлемой точностью. При этом напряжение на выводах термопары должно быть однозначной функцией температуры, не имеющей экстремумов в рабочем диапазоне, по возможности, близкой к линейной.
От термоэлектродных сплавов требуется стойкость к нагреву. При любой рабочей температуре термопара должна сохранять коррозионную стойкость в тех средах, для которых она предназначена, и не достигать точки плавления.
Материалы термопар должны обеспечивать воспроизводимость качеств при производстве в промышленном масштабе и сохранять неизменными характеристики термопар весь период эксплуатации.
Сплавы должны быть предельно пластичными, чтобы из них можно было изготавливать проволоку и придавать другие формы.
Цена термопары не должна быть слишком высокой, поэтому в состав сплавов не нужно добавлять драг. металлы.
Всем перечисленным требованиям соответствуют никелевые и медно-никелевые сплавы, легированные специальными добавками. Сплавы производятся как термопарная проволока, лента или круг.

Алюмель сплав на основе никеля, содержание которого составляет около 93,5 %. Вместе с никелем, в качестве примеси, в состав входит кобальт в количестве 0,6—1,2 %. Содержание других элементов – углерода, алюминия, железа, кремния, марганца колеблется от 0,1 до 2,3 %.

Проволока алюмель применяется в качестве элемента термопары хромель-алюмель (тип К), а также как термоэлектродные провода, входящие в конструкцию измерительных приборов.

Содержащие алюмель термопары, применяются в температурном диапазоне от -200 до +1000 ^оС. По заказу производится сплав, легированный микродобавками, с расширенным диапазоном – до +1200 ^оС.

Допустимый максимум температуры зависит от Ø проволоки. При Ø менее 1,2 мм верхняя граница диапазона измерений опускается до 800 ^оС (1000), а при Ø меньшем 0,5 мм – до 600 ^оС (800). Здесь в скобках указаны величины для сплава с расширенным рабочим диапазоном.

Хромель по своему составу близок к алюмели. Основой также является никель с примесью кобальта. Содержание алюминия, кремния и марганца намного ниже.

Хромель имеет идеальное сочетание уровня ТЕРМО-ЭДС и его стабильности с повышенной термостойкостью: плавится при 1500 ^оС, максимальные температуры измерений – такие же, как у алюмели (для версии «хромель Т»). Сплав устойчив к коррозии в агрессивных средах. При высокой температуре на поверхности изделия появляется стойкая пленка окислов зеленоватого оттенка, защищающая металл от дальнейшего разрушения.

Термо-ЭДС довольно высока, но главное – это практически линейная характеристика и стабильность во времени в широком диапазоне температур.

Проволока и лента хромель применяется для изготовления термопар типов Е, К, L (сплавы хромель-Т и хромель-ТМ) и для изготовления компенсационных проводов (хромель-К и хромель-КМ).

Копель медно-никелевый сплав. Медь в нем служит основой, ее содержание – около 55 %. Никеля вместе с примесью кобальта содержится 42,5—44 %. Из других компонентов наибольшая доля приходится на марганец – до 1 %. Остальное – это железо, углерод, кремний в количествах, измеряемых сотыми долями процента.

Копель имеет невысокий верхний предел измерений – 600 ^оС (до 800 ^оС – по спецзаказу). В паре с железом, медью и хромелем обладает высоким термо-ЭДС, что повышает точность измерений. Термопара хромель-копель при 500 ^оС выдает напряжение 40,3 мВ, тогда как ближайший «конкурент», железо-константан, показывает лишь 37 мВ. ТЕРМОЭДС большинства других термопар при тех же условиях не превышает 10 мВ. (Здесь приведены табличные значения из ГОСТ Р 8.585-2001).

Проволока копель применяется для производства термопар типов L и M. Тип М используется для измерения температур до 100 ^оС. Приобрести термопары такого типа стоит для измерения низких температур. Нижняя граница их рабочего диапазона простирается до -200 ^оС.

Константан сплав на медно-никелевой основе по составу близок к копелю. В нем немного больше меди и чуть меньше никеля. Константан обладает высоким электросопротивлением и его слабой зависимостью от температуры, за что и получил свое название.

Высокое удельное сопротивление константана находит применение при изготовлении из него резистивных и нагревательных элементов. В паре с хромелем медью и железом этот сплав дает высокие значения ТЭДС, немного отставая в этом от копеля.

Проволока из константана применяется для изготовления термопар типов Е, Т и J. Высокотемпературная область применения термопар типа Т (медь-константан) ограничена 400 ^оС.