D型鎢錸熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲的研究

[摘要]文章以Cu,、Ni、Si為原料,，通過真空感應(yīng)熔煉,、拉拔、熱處理的方法制備了一種鎢錸熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線銅基合金絲,。測試,、分析了合金絲Ni/Si質(zhì)量比,、熱電勢及力學(xué)性能，并對合金組織,、物相進(jìn)行表征,。結(jié)果表明:隨Ni/Si質(zhì)量比的增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲熱電勢增高,，且當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比為13左右,，100℃熱電勢值接近標(biāo)準(zhǔn)值1145μV;最終經(jīng)成分優(yōu)化制備出用于鎢錸D型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線Cu-Ni-Si合金絲。
　　1931年戈德克(Goodecke)首先研制鎢錸熱電偶,，由于其測溫上限高,、熱電勢率大、成本低等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛用于鋼鐵冶金,、石油化工、航空航天,、核工業(yè)等高溫測溫領(lǐng)域,。至今的80年里，美國,、前蘇聯(lián),、中國等國家相繼研發(fā)了鎢錸熱電偶并制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但對于鎢錸測溫系統(tǒng)尚需完善,。其中,，為提高測溫精度及穩(wěn)定性，與之配套補(bǔ)償導(dǎo)線合金的研發(fā)突顯重要,。在一定溫度范圍,，補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電性應(yīng)與配接的熱電偶熱電性一致。目前,，國內(nèi)外鎢錸熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲成分以Cu-Ni系和Ni-Cr系為主2),后者成本較高且加工難度大,。國內(nèi)以Cu(+)/Cu-Ni(-)補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲應(yīng)用較廣泛3，但其熱電勢僅能滿足JB/T9496-1999鎢錸熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線規(guī)定的100C或200C熱電勢,，而在更寬泛的實(shí)際工況溫度場(特別是高于200)中,，其熱電勢與鎢錸偶相差較大，難于實(shí)現(xiàn)高精度測溫,。
1試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)原料及合金絲制備
　　原料:Cu(純度≥99.95%電解銅)、Ni(純度≥99.95%電解鎳)Si(純度≥99.9%結(jié)晶硅),。經(jīng)成分設(shè)計(jì)配料,、真空可控氣氛感應(yīng)熔煉、鍛造,、熱軋,、還原退火,、拉絲、成品退火等工藝制備Cu-Ni-Si合金絲,。
1.2性能測試及組織結(jié)構(gòu)表征
　　熱電性能按GB/T4989--1994熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,，不同溫度場由HTS-95A恒溫水槽、HTS-300A油槽及WIJ-600檢定爐提供,，熱電勢測試選用美國Keithley2182A型納伏表;拉伸性能依據(jù)GB/T228--2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》,，采用XD--117A型電子拉伸機(jī)測試抗拉強(qiáng)度及延伸率;采用MV6100型金相顯微鏡對組織觀察和攝照;利用RigakuD/MAX2500/pe型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1Ni/Si質(zhì)量比對銅合金熱電性能的影響
　　據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,，在同一測試溫度下,，隨著銅鎳合金中Ni含量提高，Cu(+)/Cu-Ni(-)合金的熱電勢增加,，且溫度越高,，熱電勢的變化越明顯。另外,，合金中Si含量的增高,，將導(dǎo)致Cu(+)/Cu-Si(-)的熱電勢下降。而將不同含量Ni,、Si同時(shí)加入銅中,，元素間相互作用影響熱電勢的規(guī)律和機(jī)理還不明確。為此,，設(shè)計(jì),、制備了不同Ni/Si質(zhì)量比的合金絲試樣。并測試100℃時(shí)Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢,，見表1,，由表1繪制關(guān)系曲線見圖1。
 
　　由圖1可見,，隨Ni/Si質(zhì)量比增加,，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢增高，當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比在13左右,，其熱電勢值接近標(biāo)準(zhǔn)值1145μV,這可能由于合金元素種類,、加入量、制備工藝,，宏觀上影響了合金電阻率,，微觀上各種散射過程有所改變而使各項(xiàng)散射馳豫時(shí)間發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為熱電勢的改變,。
 
2.2成分優(yōu)化試樣的結(jié)果與分析
(1)性能分析
　　根據(jù)上述NI/Si質(zhì)量比對熱電勢影響的分析,，調(diào)整成分，試制多組N/Si質(zhì)量比為13左右的Cu-Ni-Si合金絲試樣,，其中40#,、41#試樣熱電勢更接近鎢錸偶熱電勢,，溫度與熱電勢數(shù)據(jù)如表2,由此表繪制的關(guān)系曲線見圖2、圖3,。
 
　　由圖2可見,，在60~200℃范圍內(nèi)，40#試樣熱電勢值與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢最大正偏差為29μV,、最大負(fù)偏差為19μV,符合JB/T9496--1999《鎢錸熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線》規(guī)定的允差±48μV,，同時(shí)也符合ASTME988規(guī)定的允差±125μV,適合用做D型(鎢錸)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲。
 
　　由圖3可見,，在60~400范圍內(nèi),，41#試樣熱電勢值與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢相比皆是正偏差(超差范圍在83~140μV)。該成分合金絲極有可能通過降低N/Si質(zhì)量比,，成為60~400℃范圍內(nèi),，與鎢錸熱電偶熱電性能一致的補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲，這方面工作還在繼續(xù),。本次試制還測試了40#,、41#試樣力學(xué)、電學(xué)性能如表3,。
 
　　由表3可見,，40#、41#試樣力學(xué)性能,、電阻率符合GB/T4990-2010《熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲》標(biāo)準(zhǔn),，但目前我國還未制定鎢錸熱電偶專用補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲標(biāo)準(zhǔn)。
 
(2)組織結(jié)構(gòu)表征
　　圖4,、圖5,、圖6、圖7分別為40#試樣鑄態(tài),、拉拔態(tài),、成品退火態(tài)組織形貌及衍射圖譜。圖4對比YS/T347--2004《銅及銅合金平均晶粒度測定方法》,表明晶粒粗大,，尚需調(diào)整熔煉工藝與錠模冷卻;圖5表明,，試樣拉拔至φ中0.72mm,已形成密集的纖維狀組織;圖6可見，經(jīng)500℃連續(xù)退火,，試樣成品組織已完全恢復(fù)成細(xì)小等軸晶;圖7衍射譜表明,，試樣物相主要是銅固溶體，另外,，在低角度出現(xiàn)了碳峰,，推測可能石墨坩堝的碳溶人合金中。
 
 
3結(jié)論;
(1)隨Ni/Si質(zhì)量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲熱電勢增高,，當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比為13左右，100℃熱電勢值接近標(biāo)準(zhǔn)值1145μV,。
(2)在60~200℃內(nèi),，Cu-Ni-Si(40#試樣)可用做D型(鎢錸)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲。