Сплавы для резисторов и тензорезисторов

Сплавы для резисторов и тензорезисторов.

Общая характеристика. Для сплавов этой группы наиболее важны следующие свойства:

1. Высокое удельное электросопротивление.

2. Малый или заданный по величине и знаку температурный коэффициент электросопротивления в интервале рабочих температур (при минимальной кривизне зависимости электросопротивление — температура).

3. Температурно-временная стабильность электросопротивления.

4. Низкая термоэлектродвижущая сила в паре с медью.

5. Высокая окалиностойкость в интервале рабочих температур.

6. Тензочувствительность, являющаяся для тензорезисторов важной характеристикой, определяется по формуле

Тензочувствительность, являющаяся для тензорезисторов важной характеристикой, определяется по формуле

где ΔR/R — относительное приращение электросопротивления; Δl/l — относительное удлинение (или сжатие).

Тензочувствительность должна быть максимальной и сохранять постоянство в интервале рабочих температур.

7. Высокая пластичность в холодном состоянии, обеспечивающая получение из сплавов проволоки и ленты тончайших сечений.

 

Сплавы этой группы изготовляют на основе двойных систем Ni—Cr, Ni—Mn, Ni—Mo и тройной системы Fe—Сr—Al: Н80ХЮД, Х20Н75Ю, Н63ГХ, НГ45Ф, НМ23ХЮ, 0Х21Ю5ФМ, 0Х21Ю9, ЭП277. Комплексное легирование улучшает электрические свойства сплавов, в первую очередь повышает удельное электросопротивление и снижает температурный коэффициент электросопротивления. Оптимальные и предельные интервалы рабочих температур эксплуатации сплавов и основные области применения сплавов приведены в табл. 153.

Оптимальные и предельные интервалы рабочих температур эксплуатации сплавов и основные области применения сплавов

Сортамент. Сплавы производят преимущественно в виде проволоки диаметром 0,02—0,4 мм и ленты толщиной 0,01—0,1 мм (табл. 154, 155). Сплав Н63ГХ изготовляют также в виде прутков для литья микропровода в стеклянной изоляции, а сплав НГ45Ф — в виде прессованных прутков.

Размеры и допускаемые отклонения проволоки из резистивных и тензорезистивных сплавов

Размеры и допускаемые отклонения ленты из резистивных и тензорезистивных сплавов

Нормируемые свойства сплавов. В табл. 156 приведены нормируемые свойства сплавов с высоким удельным электросопротивлением после окончательных стабилизирующих термообработок.

Нормируемые свойства сплавов с высоким удельным электросопротивлением

Удельное электросопротивление (ρ) и температурный коэффициент электросопротивления (αс) являются основными определяющими характеристиками сплавов. Для их расчета применяются следующие формулы:

Splavy rezist tenzorez 6

Высокое удельное электросопротивление сплавов обеспечивается подбором химического состава и термической обработки, приводящих к возникновению неоднородной структуры твердого раствора, полностью зависящей от фазового состава сплава. Сплавы на основе системы Ni—Cr имеют минимальное значение удельного электросопротивления после холодной деформации. Последующая высокотемпературная закалка и стабилизирующий отпуск при умеренных температурах приводят к максимальному значению удельного электросопротивления (табл. 157).

Удельное электросопротивление сплавов

В процессе отпуска в сплавах Н80ХЮД и Х20Н75Ю протекают диффузионные процессы, приводящие к возникновению ближнего порядка и образованию мелкодисперсных (субмикроскопических) зародышей у'-фазы (Ni3Аl). Оба эти структурных процесса вызывают искажения кристаллической решетки и появление дополнительных центров рассеяния электронов проводимости, что приводит к повышению электросопротивления сплавов по сравнению с закаленным состоянием. Окончательная стабилизирующая термическая обработка в районе 500°С обеспечивает получение высокого удельного электросопротивления и малого температурного коэффициента электросопротивления. Колебания химического состава от плавки к плавке требуют индивидуального подбора режима отпуска, обеспечивающего оптимальные электрические свойства. Варьируя температурой отпуска, можно получить малый положительный или отрицательный температурный коэффициент электросопротивления сплава, что особенно существенно при изготовлении самотермокомпенсированных тензорезисторов.

Температурные зависимости электросопротивления сплавов Н80ХЮД и Х20Н75Ю после различных температур отпуска в интервале 350—600°С с характерным для каждого сплава переходом от положительного к отрицательному ходу зависимости электросопротивления показаны на рис. 286, 287.

Зависимость электрического сопротивления сплава Н80ХЮД от температуры нагрева

Зависимость электрического сопротивления сплава Х20Н75Ю от температуры нагрева

Такой переход дает возможность путем термической обработки получать близкое к нулю значение температурного коэффициента электросопротивления. После окончательной термической обработки сплавы обладают большой стабильностью электросопротивления во времени в интервале температур 20—300°С.

Основой сплава Н63ГХ является тройной твердый раствор на основе никеля. Требуемые значения удельного электросопротивления и его температурного коэффициента достигаются в результате старения предварительно закаленного с 900°С сплава. При старении в интервале 400—450°С происходит образование структуры предвыделения. Такая неоднородная структура повышает удельное электросопротивление сплава от 1,33—1,35 до 1,38—1,41 (Ом·мм2)/м и приводит к изменению знака αс от отрицательных к положительным значениям. Старение позволяет получать αс в пределах ±З·10–5 1/°С.

Типичная для сплава Н63ГХ кривая зависимости αс от температуры старения приведена на рис. 288.

Зависимость температурного коэффициента электросопротивления сплава Н63ГХ от температуры старения

Сплав НГ45Ф является интерметаллидом на основе соединения NiMn. После закалки с 800—950°С сплав имеет ρ = 1,75—1,80 (Ом·мм2)/м. Последующее старение при 300—400°С повышает ρ до 1,95—2,05 (Ом·мм2)/м. При старении в структуре переохлажденного твердого раствора образуются домены упорядоченного соединения NiMn, размеры и характер распределения которых увеличивают рассеяние электронов проводимости, тем самым повышая ρ и определяя величину и знак αс. Типичная кривая зависимости электросопротивления от температуры для сплава НГ45Ф показана на рис. 289.

Зависимость электрического сопротивления сплава НГ45Ф от температуры

Сплав НМ23ХЮ относится к упорядоченным твердым растворам. После закалки с температур 1050—1100°С сплав является пересыщенным γ-твердым раствором и имеет удельное электросопротивление 1,35—1,42 (Ом·мм2)/м. Сплав нестабилен в закаленном состоянии; величина температурного коэффициента электросопротивления превышает 5·10–5 1/°С в интервале 20—500°С. Отпуск в интервале температур 450—530°С приводит к возникновению в твердом растворе мелкодисперсных когерентных зародышей упорядоченной фазы типа Ni4Мо. Наличие этих зародышей приводит к дополнительному рассеянию электронов проводимости и повышению удельного электросопротивления до 1,5—1,6 (Ом·мм2)/м. Минимальный температурный коэффициент электросопротивления получается после отпуска в районе 500°С, при этом достигается величина (1—3)·10–5 1/°С в интервале 20—400°С.

На рис. 290 приведены температурные зависимости электросопротивления сплава НМ23ХЮ после различных термических обработок. Наибольшей стабильностью электросопротивления сплав НМ23ХЮ обладает в отпущенном состоянии в случае, если рабочая температура не превышает 430°С. Температурно-временная стабильность сохраняется при кратковременной работе до 500°С.

Зависимость электрического сопротивления сплава НМ23ХЮ (проволока диаметром 0,03 мм) от температуры нагрева

Сплав 0Х21Ю5ФМ является неоднородным твердым раствором. Дополнительное легирование основы Fe—Cr—Аl ванадием и молибденом существенно улучшает электрические свойства сплава, обладающего достаточно высокой жаростойкостью при работе до 600°С. Удельное электросопротивление сплава после закалки с температур 800—850°С достигает величины 1,40—1,42 (Ом·мм2)/м. При медленном охлаждении с температуры закалки удельное электросопротивление повышается на 3—4% по сравнению с закаленным состоянием.

На рис. 291 приведена температурная зависимость электросопротивления после нагрева закаленного сплава до 600°С, выдержки в течение 2 ч и медленного охлаждения с печью.

Зависимость электрического сопротивления сплава 0Х21Ю5ФМ от температуры при повторных нагревах

В случае, если рабочая температура не превышает 500°С, сплав отжигают при 500°С в течение 5—10 ч. Наименьшая величина относительного приращения электросопротивления после отжига составляет 300—500·10–5 относительных единиц. Применение сплава выше 600°С возможно только в защитной атмосфере из-за начинающегося окисления при нагреве на воздухе.

Сплав 0Х21Ю9 обладает наибольшей жаростойкостью из известных тензорезистивных сплавов. Удельное электросопротивление сплава составляет после закалки >1,65 (Ом·мм2)/м. Изменение электрического сопротивления закаленного сплава в зависимости от температуры представлено на рис. 292.

Температурная зависимость электрического сопротивления сплава 0Х21Ю9 после различной термической обработки

Сплав характеризуется отрицательным ходом кривой температурной зависимости во всем рабочем интервале, которая воспроизводится при повторных циклах нагрева и охлаждения.

Тензочувствительность всех сплавов при комнатной температуре приведена в табл. 156.

Наибольшей тензочувствительностью 2,6—2,7 обладает сплав 0X21Ю5ФМ. Остальные сплавы имеют тензочувствительность, близкую к 2,0. При нагреве в интервале рабочих температур тензочувствительность сплавов понижается (рис. 293).

Изменение тензочувствительности сплавов 0Х21Ю5ФМ, НМ23ХЮ и Х20Н75Ю в зависимости от температуры

У сплава 0Х21Ю5ФМ это падение составляет 15—17% при 600°С. У остальных сплавов (Х20Н75Ю, НМ23ХЮ) тензочувствительность понижается не более чем на 5% при нагреве до 500°С. У сплава 0Х21Ю9 тензочувствительность несколько повышается с температурой (до 300°С), а затем понижается при нагреве до 600°С. Значение тензочувствительности при каждой заданной температуре в интервале рабочих температур остается постоянным при нескольких циклах нагружения, если деформация не превышает 0,1—0,2%.

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения