Производство проволоки, применение, качество
При первых лабораторных опытах с электрическим током наряду с такими феноменами, как магнетизм, транспорт материи, изучалось и использовалось другое свойство - выделение тепла.
Основа такого преобразования энергии выражается так называемым электрическим тепловым эквивалентом:
1 вольт х 1 ампер х 1 секунду = 1 ваттсекунда (Джоуль)
Электроны, перемещающиеся в металле, затормаживаются в неправильных кристаллических решетках и встречают сопротивление, которое мы называем Омическим сопротивлением. В переносном смысле мы можем рассматривать это явление как "тепловое трение", которое лежит в основе всех электронагревательных приборах.
В основе действия металлических проводников лежит закон Ома:
I =U / R
Задача электронагревательных сплавов сводится к использованию электрического тока для производства тепловой энергии и её использование в необходимом месте. Так как все металлы при высоких температурах взаимодействуют с воздухом и окисляются, представляется необходимым разработать такие сплавы, которые имели бы коррозионную стойкость как золото и серебро, но могли бы быть произведены в достаточном количестве при разумной стоимости.
Уже сотню лет известно, что добавки 8% хрома в железо заметно уменьшают его окисляемость. Добавки хрома до 18% и 2%кремния, позволяют изготовить проволоку сопротивления, работающую при температурах 1200 0С на воздухе. Благодаря присадкам алюминия и других элементов можно и дальше повышать сопротивляемость окислению. С открытием и разработкой аустенитных нержавеющих сталей (патентная заявка 1912г.) с 8-10% Ni и 20%Cr на базе железа появилась база для создания Fe-Cr-Ni и Ni-Cr сплавов.
На сегодняшний день применяются два основных типа сплавов, а именно:
1. Ферритные сплавы Fe-Cr-Al, с кубической объемно-центрированной решеткой, - типа "фехраль"
2. Аустенитные сплавы Ni-Cr-Fe, с кубической плоско-центрированной решеткой, типа "нихром"
Производство сплавов
Выплавка
Технология плавки в последние 30 лет существенно изменилась. Классическая электрометаллургия ушла в прошлое, и на смену ей пришли такие технологии, как вакуумная (VOD), продувка газами (АОD), обработка в ковше и др.
Для ферритных сплавов производится вдувание в жидкий металл порошкового AL в количестве до 6%. Сегодня является естественным низкое содержание в сплавах "вредных" примесей: C,S,P,газов ( Н2, О2, N2 ). Присадки редкоземельных элементов - церия Се, лантана La, иттрия Y - заметно повышают качество сплавов.
Производство проволоки
Современные волочильные линии позволяют достигать конечной скорости до 40 м/сек. Все производство, от заготовки или катанки до готовой проволоки, ее качество (округлость, поверхность) строго контролируются. Вытяжка проволоки из катанки производится в холодном состоянии.
Т.к. нагрев и охлаждение проволоки в процессе прокатки точно не регулируется, она подвергается дополнительному нагреву, который обеспечивает необходимую прочность и пластичность и в конце процесса очищается от окалины травлением. Травленая и очищенная проволока с использованием смазки вытягивается через матрицы, при этом относительное сужение при каждой протяжке составляет 10-30%.
Кроме самого сплава, качество проволоки определяется также используемым инструментом, смазочным материалом, и волочильным оборудованием.
Матрицы, которые называются также инструментом, или камнями для протяжки, состоят из твердого ядра и оправки. Ядро изготавливается из твердых сплавов, природных или синтетических алмазов. Уменьшение поперечного размера достигается путем многократных протяжек. Т.к. проволока в ряде случаев должна протягиваться до очень тонких размеров, а прокатные цехи поставляют катанку как правило диаметром около 5,5 мм, при дальнейшей прокатке используются волочильные машины многократной протяжки различного типа.
Например, при изготовлении проволоки диаметром 1 мм, производится сухая 4-х , 8-и, 10-и или 12-кратная вытяжка, т.е. на волочильной машине устанавливаются до 12 протяжных шайб. Смазка производится порошковым или зернистым сухим материалом. В противоположность машине для сухого волочения, оборудованной несколькими приводными двигателями, большинство машин мокрой протяжки для проволоки диаметром до одного мм, имеют один двигатель. Несмотря на это такая машина обеспечивает до 30 ступеней протяжки на алмазном инструменте, который либо смазывается маслом, либо работает на масляной ванне
На машинах сырой вытяжки сужение при одной протяжке составляет 10-13% , имеет относительно постоянной значение. Уменьшающаяся в сечении и удлиняющаяся проволока вытягивается тянущими валками увеличивающегося диаметра.
Свойства и пути повышения качества
Наряду с уже перечисленными способами улучшения качества на отдельных ступенях производства, усилия направлены на улучшение "внутренних" характеристик, таких, например, как стойкость против окисления. Исследования механизмов окалинообразования, прочности защитных окислов, диффузионной кинетики переноса химических составляющих сплава к фронту реакции, на поверхности проволоки и ленты, позволили существенно увеличить качественные показатели.
Как основной химический состав, так и сотые или тысячные доли процента специальных добавок способны улучшить свойства, улучшить защитные действия образующейся пленки окислов.
Сплавы Cr-Ni - типа "нихром"
С середины 30 годов известно, что присадки определенных элементов, прежде всего редкоземельных церия Се, лантана Lа и других, заметно улучшают стойкость никелево-хромистых сплавов. Сущность воздействия этих элементов и сегодня до конца неизвестна.
Сегодня считается признанным, что нет необходимости и вводить церий в кристаллическую матрицу "металлически" в атомарном, т.е. несвязанном виде. Это может ухудшить некоторые свойства.
В области температур выше 1200 оС образуется NiCe эвтектика с температурой плавления около 1206 оС Эта составляющая не только понижает рабочую температуру, но и ухудшает свариваемость материала. Заметно повышают вышеперечисленные свойства присадки германия, который также более технологичен при выплавке.
Сплавы Fe-Cr-Al - типа "фехраль"
Для лучшего понимания путей повышения качества для этих сплавов, обсудим сначала современные представления о механизме образования и защитном действии окислов. Fe-Cr-Al сплавы с содержанием Cr более 18 % являются чисто ферритными. Это означает, что растворимость в них углерода и азота очень незначительна. Для снижения образования нежелательных карбидов, содержание углерода и азота должны быть минимальными, что современная технология плавки может обеспечить. Содержание углерода в этих сплавах находится в пределах 0,01 - 0,10%.
При содержании Al 3,5 - 4 %, на поверхности при высоких температурах образуется окисная пленка Al2O3. Окислы Cr или Fe также могут образовывать окислы, которые разрушаются быстрее, чем окислы Al. При температуре 1000 С на воздухе окись Al образует аморфную пленку из y- Al2O3 (глинозем). После некоторого времени работы защитная пленка становится достаточно плотной.
При температурах около 1050 оС преобразуется это покрытие в a- Al2O3 (корунд), который является очень стабильным и не преобразуется вновь в фазу у. Это свойство используют при так называемом кварцевом излучении. Любая FeCrAl проволока, которая используется при рабочих температурах ниже 1000 оС , предварительно кратковременно окисляется при Т= 1100 оС.
При высокой скорости роста корунда образуются напряжения, которые параллельно поверхности создают между металлом и корундом напряжения сдвига, это приводит к тому, что еще тонкий слой Al2O3 отрывается от основы, разрушается и накладывается один на другой, как чешуйки. Это явление называется "Шпаллингом" Для увеличения плотности и стойкости защитного слоя, проволоку подвергают длительному отжигу при постоянной температуре.
При циклических изменениях температуры начинают сказываться различные тепловые коэффициенты удлинения (14х10-6 К-1 для металла и 7х10-6 К-1 для Al2O3), что ведет к возникновению напряжений. Частые теплосмены и высокая разница температур могут привести к снижению стойкости проволоки. Присадки иттрия или смеси Ti+Zr увеличивают стойкость при циклической работе.
"Внешние" факторы
Кроме "внутренних" свойств, влияющих на качество, которые определяются в основном технологией выплавки и дальнейшей обработки проволоки, значительную роль играют так называемые "внешние" факторы, среди которых можно упомянуть:
а) качество намотки
б) загрязненная пятнистая, шероховатая, неравномерно окисленная поверхность
в) хрупкость в отдельных местах
г) трещины при напряжении (часто возникают при размотке уже намотанных катушек)
д) неравномерное сечение (часто на тонких диаметрах)
е) неравномерная округлость проволоки
Список факторов, влияющих на качество, мог бы быть значительно длиннее
Остановимся подробнее на одном из важнейших - качестве поверхности
Загрязненная поверхность
Здесь имеется в виду не только видимые причины загрязнения, возникающие например при перевозке, хранении или другие случайные причины. Мы имеем в виду покрытие поверхности невидимым не удаляемым слоем окислов, образующиеся даже при хороших технологиях.
Особенно важным является удаление остатков масла и смазочных материалов. Процесс очистки всех видов проволоки должен по возможности проводиться без хлорсодержащих средств. Если это невозможно, то необходимо обеспечить интенсивную сушку, т.е. нормальное испарение на воздухе. При этом надо иметь в виду, что между двумя витками проволоки образуются капилляры, которые держат влагу достаточно долго
Лучше, чем воздушное охлаждение действует промывка дистиллированной водой при 80 оС. Остаточное содержание хлоридов ниже 3 ppm рассматривается как допустимые. Длительное хранение может привести к местной коррозии. Проволока сопротивления, особенно фехрали , не являются нержавеющими сталями.
Заключение
Значительный скачок в развитии металлургических технологий в последние 30 лет можно считать завершенными и в обозримом будущем едва ли возможно ожидать существенных изменений. Введение новых измерительных и регулирующих приборов позволит добиться дальнейшего улучшения качества.
Результаты исследования механизмов окисления, диффузионных явлений, строения окислов, их образован6ия, а также их влияние на электрическое сопротивление будет использоваться при всех технологических этапах, включая плавку и другие этапы обработки, как ковка или прокатка, термообработка и процессы волочения.
