Фехраль и нержавейка как живут при температуре

В статье сравниваются прецизионные сплавы нихром и фехраль. Сравнение осуществляется в части химического состава, свойств, применения и стоимости материалов.

Особую группу прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением составляют так называемые сплавы нагрева: нихромы и фехрали, широко используемые для изготовления нагревательных элементов электротермического оборудования. Нихром (Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) получил свое название из-за высокой концентрации никеля («ни») и хрома («хром») в составе, а фехраль (Fe-Cr-Al) назван по первым буквам основных элементов («фе», «хр», «аль»). Несмотря на аналогичную направленность применения, из-за существенного различия в химических составах, нихром и фехраль обладают разными качественными характеристиками, о которых мы расскажем в этой статье.

Фехраль и нержавейка как живут при температуре

Рисунок 1. Сравнение сплавов фехраль и нихром

Химический состав основных марок нихрома и фехраля

Нихром

Базовый химический состав нихрома содержит около 55-80% никеля (Ni), 13-23% хрома (Cr), до 1,5 марганца (Mn), плюс незначительное количество примесей. Разделяют два типа нихромов – нежелезистый (в котором присутствует не более 1,5% железа) и железистый (содержащий до 75% никеля, 13-18% хрома и до 5-6% железа).

Нихром марок Х20Н80 (Х20Н80-Н) и Х15Н60 (Х15Н60-Н)
Популярная марка нихрома Х20Н80 относится к нежелезистому типу, и в соответствии с ГОСТ 10994-74 имеет в своем составе 20-23% хрома (Cr), 75-80% никеля (Ni). Остальную часть сплава Х20Н80 занимают до 1,5% железа (Fe), до 0,9-1,5% кремния (Si), до 0,7% марганца (Mn), менее 0,3% титана (Ti), 0,2% алюминия (Al) и 0,1% углерода (C), плюс ничтожно малое количество фосфора (P) и серы (S). Марка нихрома Х15Н60 относится к железистому типу сплава и потому концентрация железа по ГОСТу в его составе достигает 5-6%, при 55-61% никеля (Ni) и 15-18% хрома (Cr).

В роли главного компонента нихрома выступает никель (Ni), которым определяются ключевые технологические свойства материала. В связи с этим, на основе марки Х20Н80 была создана «улучшенная» модификация сплава, для обозначения которой в конце буквенно-цифрового кода была добавлена буква «Н». Получилось Х20Н80-Н. В соответствии с ГОСТом объем хрома (Cr) в сплаве марки Х20Н80-Н остался прежним, а количество никеля (Ni) немного увеличилось за счет сокращения объема остальных компонентов, плюс было добавлено 0,2-0,5 циркония (Zr). Марку нихрома Х15Н60-Н создали точно по такому же принципу.

Фехраль

В базовой компоновке химических элементов фехраль содержит до 70-72% железа (Fe), 12-27 % хрома (Cr), 3,5-6% алюминия (Al), до 1% кремния (Si), 0,7% марганца (Mn), плюс незначительное количество легирующих добавок в виде циркония (Zr) и титана (Ti). Фехраль имеет множество марок, как отечественных, так и международных, позволяющих подобрать оптимальный сплав под самые разные цели и условия эксплуатации.

Фехраль марок Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, Х15Ю5
Рынок России и СНГ сегодня ориентирован на фехраль трех отечественных марок: Х23Ю5Т, Х27Ю5Т и Х15Ю5, демонстрирующих стабильность физических характеристик при высоких температурах, в том числе и в агрессивных средах. В число наиболее востребованных марок входит фехраль Х23Ю5Т (зарубежные аналоги Kanthal A-1, GSSY). В соответствии с ГОСТ 10994-74 сплав марки Х23Ю5Т содержит около 70% железа (Fe), 22-24% хрома (Cr) и 5-5,8% алюминия (Al). В оставшуюся часть входят до 0,6% никеля (Ni), до 0,5% титана (Ti), кремния (Si) и углерода (C), до 0,3% марганца (Mn), а также крайне небольшое количество кальция (Ca), церия (Ce), фосфора (P) и серы (S).

Фехраль марки Х15Ю5 (зарубежный аналог Aluchrom W) отличается повышенным содержанием железа (до 77-78%) и уменьшенным объемом хрома (13,5-15,5%), что делает сплав более прочным и менее хрупким. Остальные химические элементы содержатся в сплаве Х15Ю5 в пределах традиционных для фехралей пропорций: 4,5-5,8% алюминия (Al), до 0,6-0,7% кремния (Si), никеля (Ni), марганца (Mn), титана (Ti), плюс сотые доли процента фосфора (P), серы (S), углерода (C), кальция (Ca) и церия (Ce). Следует также упомянуть фехраль марки Х27Ю5Т со сравнительно высокой концентрацией хрома (до 28%), который редко сегодня выпускается и постепенно замещается более современными аналогами.

Читайте также:  Можно ли сварить нержавейку простым электродом

Сравнение свойств нихрома и фехраля

Общие физические характеристики

Нихром и фехраль объединяет высокое удельное сопротивление, величина которого практически не изменяется при повышении температуры сплавов. Для нихрома значение номинального удельного сопротивления зависит от диаметра нагревателя. Например, для проволоки Ø > 3,0 мм оно равно 1,07-1,18 мкОм·м, для Ø 0,5-3,0 мм – 1,06-1,16 мкОм·м, а для проволоки Ø 0,1-0,5 составляет 1,03-1,13 мкОм·м. Для фехраля марки Х23Ю5Т величина удельного сопротивления равна 1,34-1,45 мкОм·м, а для марки Х15Ю5 – 1,24-1,34 мкОм·м. Температура плавления нихрома – 1400°C, фехраля – 1500°C. Удельный вес нихрома больше – 8,40 г/см 3 , фехраля меньше – 7,21-7,28 г/см 3 .

Прочность при комнатной температуре

Пластичность нихрома при комнатной температуре (относительное удлинение или поперечное сужение проволоки) составляет не менее 20%, что выше пластичности фехраля, которая для марки этого сплава Х15Ю5 равняется 16%, а для марки Х23Ю5Т всего 10%. Временное сопротивление разрыву нихромовой проволоки в среднем составляет 102 кгс/мм 2 (1000,3 МПа), в то время когда этот же параметр для фехраля марки Х23Ю5Т равен 78 кгс/мм 2 (764.9 МПа), а для марки Х15Ю5 он и того меньше – 75 кгс/мм 2 (735.5 МПа).

Твердость нихрома равняется 140-150 HB, но фехраль еще более тверд, а потому более ломок на извив: Х23Ю5Т – 200-250 HB, Х15Ю5 – 150-200 HB, ведь чем больше в сплаве хрома, тем больше его хрупкость. Этим объясняется тот факт, что нормальная навивка фехралевой проволоки возможна только при ее нагреве свыше 300°C, иначе она будет ломаться. Для навивки нихрома предварительного нагрева не требуется, даже при комнатной температуре он навивается ровно и плавно, без образования микротрещин и разрывов.

Прочность при максимальных температурах на воздухе

Фехраль (проволока Ø > 6 мм) может работать на воздухе при очень высоких температурах от 1000°C (Х15Ю5), до 1400°C (Х23Ю5Т), но в таком температурном режиме материал становится нестабильным, не выдерживает резких динамических нагрузок. Незначительные присадки редкоземельного церия (Ce) и щелочноземельного кальция (Ca) повышают срок службы фехраля до момента перегорания. Нихром (проволока Ø > 6 мм) отличается большей жаропрочностью и сохраняет стабильность своих механических параметров при температурах от 1125°C (Х15Н60-Н) до 1200°C (Х20Н80 и Х20Н80-Н). В связи с этим нихром имеет большее количество циклов включения-выключения нагревательных элементов до их перегорания.

Стойкость к окислению при рабочих температурах

Высокое содержание никеля в нихроме не способствует интенсивному окислению поверхности нагревателя. При нагреве нихром покрывается лишь тонкой защитной пленкой окиси хрома, что делает сплав менее стойким, особенно в SO2 — и SO3 — содержащих средах. Скорость окисления нихрома растет только по мере повышения давления кислорода в электропечи. Что касается фехраля, то большое количество железа и наличие алюминия в его составе обуславливает повышенную окисляемость сплава с активным образованием плотного поверхностного защитного оксидного слоя. С одной стороны он затрудняет эксплуатацию тонких проволок и лент, но с другой стороны, сплав становится еще более устойчивым в контакте с высокоглиноземистой керамикой, в серо- и углеродосодержащих средах.

Сфера применения

Основное направление применения нихрома – изготовление нагревательных элементов повышенной надежности для электропечей обжига и сушки промышленного и лабораторного назначения, для водо- и воздухонагревательных систем, для электроплит, нитей испарителя электронных сигарет и т.д. Нихром используется для производства реостатов, высокоомных сопротивлений малой и средней мощности, для соединителей в электронике. Фехраль, в свою очередь, применяется для создания нагревателей высокотемпературного электротермического оборудования, способного осуществлять нагрев до 1400°C, в том числе для работающих в высокоглиноземной керамике и серосодержащей среде.

Форма производства (полуфабрикаты)

Нихром и фехраль выпускаются в соответствии с ГОСТом на данный тип продукции, главным образом в форме холоднотянутой нити на катушках от 0,012 до 0,09 мм и проволоки в бухтах диаметром от 0,1 до 10 мм. Наряду с этим производятся полуфабрикаты в виде кругов, плющеной и холоднокатаной ленты, горячекатаного прутка мерной и немерной длины.

Стоимость

На современном рынке фехраль дешевле нихрома как минимум в 3-5 раз из расчета цены за килограмм полуфабриката. Это объясняется тем, что стоимость никеля, который является базовым элементом нихрома, на порядок превосходит стоимость железа – основу фехраля. Между тем, делая ставку на более дешевый сплав, многие не учитывают условия его работы в комплексе: максимальную температуру нагревательного элемента, время беспрерывной работы, количество включений-выключений и т.п. В результате, купленный в целях экономии дешевый нагреватель быстро изнашивается, его приходится многократно менять, а, в конце концов, суммарные издержки превосходят стоимость дорогостоящего изделия. Специалисты рекомендуют при выборе сплава, в первую очередь, ориентироваться не на цену, а на его физические и химические характеристики, максимально отвечающие тем или иным задачам. Это позволит оптимизировать выбор материала нагревателя и получить не сиюминутную, а настоящую выгоду в процессе его эксплуатации.

Читайте также:  Порядок фаз по цветам

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Появлению на свет фехраль обязан своему «старшему брату» – нихрому. Долгое время нихром полностью удовлетворял промышленность, как материал для электронагревателей. Пока не настал бум металлургии 20 века.

Объемы производства увеличивались изо дня в день. Инженеры стремились максимально уменьшить себестоимость выпускаемых деталей. Одним из таких решений стала замена нихрома более дешевым фехралем, в силу отсутствия у последнего более дорогостоящего никеля в составе.

Фехраль и нержавейка как живут при температуре

Общие сведения

Фехраль – сплав, главными компонентами которого являются железо, хром и алюминий. Собственно, и название «фехраль» происходит от первых букв этих металлов (железо на латинском звучит как феррум). Его относят к группе высокоточных сплавов, обладающих повышенным сопротивлением. Разновидность химического состава, физические свойства и форма поставки контролируются ГОСТ 10994-94.

Марки фехраля

Существуют несколько видов фехралей. Наиболее распространёнными являются марки Х23Ю5Т, Х27ЮТ5 и Х15Ю. Расшифровывается данные аббревиатуры следующим образом:

  • «Х» означает хром.
  • «Ю» — алюминий.
  • «Т» — титан.
  • Цифра, стоящая после буквы, показывает процентное содержание этого элемента. Ее отсутствие говорит, что объемная доля компонента составляет 1%.

Это не отображается в названии, но фехраль, помимо названых элементов, содержит небольшое количество марганца (до 0,3%) и кремния (до 0,5%). Они необходимы сплаву для удаления из него растворенных атмосферных газов: азота, кислорода и водорода. Без них значительно уменьшается риск возникновения зональной ликвации – неоднородности сплава по своим свойствам.

Оставшаяся часть химического состава приходится на железо. В среднем это 77-78%. Не стоит также забывать о неизбежных примесях: фосфоре и сере, содержание которых в совокупности не должно превосходить 0,05%.

Так маркируют сплав фехраль в России. Но сплав активно используют и за рубежом. Только обозначают его там иначе. Например, фехраль Х23Ю5Т в европейских странах обозначается как:

Какие же особенные характеристики скрывают все эти аббревиатуры?

Свойства фехраля

Фехраль отличается меньшей плотностью по сравнению со стальными сплавами. Ее значение не превышает 7 210 кг/м3. Плавку металла осуществляют при температуре в 1500 градусов. При нагревании металл значительно увеличивается в размерах. Коэффициент линейного расширения для него составляет 0,000 015 1/К. Магнитен. Причина этому служит весомая доля железа в его составе.

Главной характеристикой, определившей применение фехралевых сплавов, стало их высокое удельное электрическое сопротивление, которое равняется 1,39 мкОМ*м. Именно благодаря этому показателю сплав эффективно используется как материал для разного рода нагревательных элементов.

Фехраль обладает некоторыми коррозионностойкими свойствами. Конечно, он не способен сопротивляться растворению в кислоте и щелочи, но устойчив к окислению, даже при наличии атмосферой соединений на основе серы. А это является немало важным фактором в промышленности.

По твердости фехраль сравним с «сырой» малоуглеродистой сталью. Ее значение колеблется в пределах 20-25 единиц по шкале Роквелла. Прочность на разрыв же составляет около 735 МПа, что несравненно мало. Как следствие, это ведет к падению пластичности с относительным удлинением на растяжение для большинства марок не превышающим 16%. Все эти вышеперечисленные факторы создают отличные условия для развития хрупкости.

Поэтому навивку фихралевых спиралей и производят предварительно нагрев их до 300-400 ºC.

Фехраль и нержавейка как живут при температуре

Фехраль сплав хорошо держит температуру. Его жаростойкость позволяет сохранять механические свойства при работе до 1400 С. При температурной нагрузке на выносливость (включение-выключение нагревателя) ситуация выглядит немного иначе.Вмешиваются такие факторы как уже знакомая нам хрупкость и существенное увеличение материала в объёме. Высокие температурные напряжения накапливаются и вырываются наружу, образуя после себя трещины.

Все это сильно сокращает ресурс фехраля в условиях циклической температурной работе.

Применение

Как уже была заявлено ранее, главным использованием фехралей является изготовление спиралей для тепловых электрических нагревателей. В очень редких случаях их применяют в электротехнике. Итак, фехрали встречаются в следующем оборудовании и приборах:

  • Промышленные и лабораторные печи с температурой нагрева до 1350 ºC.
  • Кухонная и бытовая техника: сушилки, духовки и прочее.
  • В устройствах электронных сигарет.
  • Блоки сопротивления и резисторы.
Читайте также:  Как зарядить аккумулятор литий ионный от шуруповерта

В целом, сфера применения фехраля такая же, как и у нихрома. Различий здесь Вы найдете мало. А так ли дело обстоит в отношении их свойств?

Сравнение нихрома с фехралем — что лучше

Главные отличия сплавов находятся в их составе: содержание никеля нихромом. Это накладывает следующие особенности на его эксплуатационные и технологические характеристики:

  • Удельное сопротивление нихрома ниже на 15%, а плотность выше на 16%;
  • Нихром дороже в среднем в 3-5 раз;
  • Пластичность фехраля уступает в 2 раза. Это позволяет эффективнее использовать нихром в работе, изготавливая более тонкую спираль для электронагревателей;
  • Лучшая устойчивость нихрома к циклическим температурным нагрузкам. При работе в режиме частого включения-выключения оборудования нихромовая нить прослужит дольше.

Оцените статью:

Фехра́ль — прецизионный сплав на основе железа, состоящий из следующих элементов: Cr (12—27 %); Al (3,5—5,5 %); Si (1 %); Mn (0,7 %); остальное — Fe.

Представляет собой твёрдый, хрупкий сплав, с трудом поддающийся механической обработке, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением 1,2—1,3 мкОм·м (1,2—1,3 Ом·мм²/м). Плотность 7100—7300 кг/м³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 1400 °C (для Kanthal A1 [1] ).

Устойчив к окислению на воздухе при высокой температуре.

Применяется для изготовления нагревательных элементов мощных электронагревательных устройств промышленных и технологических печей, пуско-тормозных резисторов электровозов, моторвагонного подвижного состава, в электронных сигаретах в качестве нагревательного элемента.

После его первого (после изготовления) прогрева до 350—400 °С, становится хрупким из-за рекристаллизации. После нагрева проволока диаметром 0,5—1 мм легко ломается, образуя неровный излом.

Выпускается в виде проволоки, прутков, лент, пластин.

Содержание

Виды фехралей [ править | править код ]

Марка сплаваСоставТемпература плавленияДругие названия
Х27Ю5Т26—28 % Хром,

65-68 % Железо, 5—5,8 % Алюминий, 0,15—0,4 % Титан

1450 °CХ23Ю5Т — сплав 875 (W-KA1)22—24 % Хром, 69—72 % Железо, 5—5,8 % Алюминий, 0,15—0,4 % Титан1500 °CKanthal A1, Alloy 875, Resistohm 145, Aluchrom 0, Alchrome 875, мегапир GS SY, еврофехральХ23Ю5 — сплав 837 (W-KAF)23 % Хром, 71,7 % Железо, 5,3 % Алюминий1500 °CKanthal AF, Resistohm Y, Aluchrom Y, Alloy 837, мегапир, GS SY, еврофехральХ15Ю515 % Хром, 79,7 % Железо, 5,3 % Алюминий1500 °CKanthal AF, Resistohm Y, Aluchrom Y, Alloy 837, мегапир, GS SY, еврофехраль

Применение [ править | править код ]

Фехраль и нержавейка как живут при температуре

Х27Ю5Т — для нагревательных элементов с предельной рабочей температурой 1350 °C в промышленных и лабораторных печах.

Х23Ю5Т — твёрдый, хрупкий сплав, с трудом поддающийся обработке, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением (1,2—1,3 мкОм·м). Плотность 7100—7300 кг/м³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 1350—1400 °C. Применяется для мощных электронагревательных устройств, лабораторных и промышленных печей. К недостаткам следует отнести общее свойство фехралей — рекристаллизационный порог в интервале температур 600—650 °C, что затрудняет использование данного сплава в термоциклическом режиме, а также невысокую пластичность. Также, этот сплав используется как один из наиболее популярных материалов для изготовления нагревательных спиралей в электронных сигаретах.

Х15Ю5 — имеет плотность 7,1 г/см³, температура плавления около 1450 °C. Наибольшая рабочая температура 750—950 °C. Применяется для мощных электронагревательных устройств, производства блоков резисторов и элементов сопротивления.

GS23-5 (Х23Ю5Т-Н-Ви) — это улучшенный вариант сплава Х23Ю5Т. Благодаря введению специальной лигатуры удалось существенно улучшить его физические свойства, что существенно облегчает навивку спиралей. Выдерживает рабочие температуры до 1350 °C. К недостаткам следует отнести общее свойство фехралей — рекристаллизационный порог в интервале температур 600—650 °C, что затрудняет использование данного сплава в термоциклическом режиме.

GS T (Х23Ю5-Н-Ви) — широко используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия. Оптимален для использования в производстве трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) и бытовых приборах.

Мегапир-150 — широко используется для производства резистивных элементов, в электропечах и различных электрических аппаратах теплового действия.

Мегапир-200 — используется в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки, различных электрических аппаратах теплового действия, а также для производства резистивных элементов.