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(guò)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(cè)試、分析了合金絲Ni/Si質(zhì)量比、熱電勢(shì)及力學(xué)性能，并對(duì)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(shì)增高，且當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比為13左右，100℃熱電勢(shì)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(cè)溫上限高、熱電勢(shì)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(cè)溫領(lǐng)域。至今的80年里，美國(guó)、前蘇聯(lián)、中國(guó)等國(guó)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(duì)于鎢錸測(cè)溫系統(tǒng)尚需完善。其中，為提高測(cè)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(guó)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(guó)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(shì)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(shì)，而在更寬泛的實(shí)際工況溫度場(chǎng)(特別是高于200)中，其熱電勢(shì)與鎢錸偶相差較大，難于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)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(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不同溫度場(chǎng)由HTS-95A恒溫水槽、HTS-300A油槽及WIJ-600檢定爐提供，熱電勢(shì)測(cè)試選用美國(guó)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(cè)試抗拉強(qiáng)度及延伸率;采用MV6100型金相顯微鏡對(duì)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(duì)銅合金熱電性能的影響
　　據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在同一測(cè)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(shì)增加，且溫度越高，熱電勢(shì)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(shì)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(shì)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(cè)試100℃時(shí)Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢(shì)，見(jiàn)表1，由表1繪制關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。
 
　　由圖1可見(jiàn)，隨Ni/Si質(zhì)量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢(shì)增高，當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比在13左右，其熱電勢(shì)值接近標(biāo)準(zhǔn)值1145μV,這可能由于合金元素種類(lèi)、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(guò)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(shì)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(duì)熱電勢(shì)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(shì)更接近鎢錸偶熱電勢(shì)，溫度與熱電勢(shì)數(shù)據(jù)如表2,由此表繪制的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2、圖3。
 
　　由圖2可見(jiàn)，在60~200℃范圍內(nèi)，40#試樣熱電勢(shì)值與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)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(jiàn)，在60~400范圍內(nèi)，41#試樣熱電勢(shì)值與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)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(guò)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(cè)試了40#、41#試樣力學(xué)、電學(xué)性能如表3。
 
　　由表3可見(jiàn)，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(guó)還未制定鎢錸熱電偶專(zhuān)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(duì)比YS/T347--2004《銅及銅合金平均晶粒度測(cè)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(jiàn)，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(cè)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(shì)增高，當(dāng)Ni/Si質(zhì)量比為13左右，100℃熱電勢(shì)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。