Применение выполненного из медно-цинко-марганцевого сплава металлического элемента в качестве электрического нагревательного элемента

Настоящее изобретение относится к области металлургии, а именно к электрическому нагревательному элементу. Электрический нагревательный элемент выполнен из медно-цинко-марганцевого сплава с содержанием меди по меньшей мере 63 мас.%, имеет при комнатной температуре электрическую проводимость менее 15 МСм/м и единственную α-фазу в своей структуре. Техническим результатом является достижение низких величин проводимости при сохранении хорошей формуемости. 8 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Настоящее изобретение относится к применению выполненного из медно-цинко-марганцевого сплава металлического элемента в качестве электрического нагревательного элемента. В частности, применение может относиться к низкотемпературным вариантам применения.

Электрические нагревательные элементы и, в частности, проволоки с высоким удельным сопротивлением или нагревательные проволоки - или, в общем и целом, электронагревательные проводники - для целей нагревания часто изготавливают из никелевых (Ni-ых) сплавов и, в частности, из CuNi-ых сплавов. CuNi-ые сплавы имеют хорошую обрабатываемость и коррозионную стойкость и благодаря полной смешиваемости позволяют выгодным образом устанавливать типичные для данного материала параметры регулирования желательного удельного сопротивления. Тогда омическое сопротивление конкретного тела можно рассчитать по его геометрическим размерам и удельному электрическому сопротивлению. Соответственно, в стандарте DIN 17471:1983-04 предусмотрены различные CuNi-ые сплавы в качестве сплавов с высоким удельным сопротивлением для применения, помимо всего прочего, в качестве нагревательных элементов или электронагревательных проводников. Правда, недостаток этих сплавов состоит в высокой стоимости вследствие содержания в них Ni. Кроме того, они имеют недостаток обусловленного никелем сенсибилизирующего и канцерогенного действия.

Другие отчасти применяемые в уровне техники сплавы имеют недостатки по сравнению с CuNi-ми сплавами. Так, например, CuSn-ые сплавы вследствие содержания Sn также являются очень дорогостоящими, и CuZn-ые сплавы - как и прочие сплавы - кроме иного, подвержены ограничениям необходимой формуемости. В частности, в этом плане у CuZn-ых сплавов в принципе ограничено реализуемое содержание Zn, так что, в отличие от CuNi-ых сплавов, при хорошей формуемости не могут быть достигнуты более низкие величины проводимости, чем 15 МСм/м.

Задача настоящего изобретения в связи с электрическими нагревательными элементами состоит в достижении улучшения в отношении стоимости при сохранении хорошей формуемости и осуществимости более низких величин проводимости по сравнению с CuNi-ми сплавами.

Согласно настоящему изобретению предусматривается применение металлического элемента, который выполнен из медно-цинко-марганцевого сплава с содержанием меди по меньшей мере 63 мас.%, в качестве электрического нагревательного элемента. В одном варианте выполнения металлический элемент может быть выполнен из медно-цинко-марганцевого сплава с содержанием меди по меньшей мере 65 мас.%.

В рамках настоящего изобретения было выяснено, что именно комбинация меди, цинка и марганца создает особенные преимущества для применения в электрических нагревательных элементах. Благодаря относительно высокому содержанию Zn может быть значительно снижена стоимость сплава. При этом марганец, во-первых, оказывает такое благоприятное действие, что его влияние на проводимость является гораздо более сильным, чем влияние цинка, так что иначе, чем в случае латуни и других CuZn-ых сплавов, также могут быть достигнуты низкие величины проводимости, например, менее 15 МСм/м. В общем и целом, марганец за счет выбора его содержания может быть применен для того, чтобы довести проводимость по меньшей мере приблизительно до желательного диапазона, и тогда содержание Zn может быть выбрано предпочтительным, чтобы произвести точное регулирование проводимости. Во-вторых, марганец проявляет такое благоприятное действие, что содержание меди, даже при желании достигнуть меньшей проводимости, может быть настолько высоким, что остается осуществимой хорошая формуемость сплава в холодном состоянии. При слишком высоких уровнях содержания Zn это приводит к выделению β-фазы, которая неблагоприятным образом ухудшает формуемость. Вследствие сильного влияния марганца на проводимость и, соответственно, электрическое сопротивление, уже самое незначительное содержание Mn достаточно для того, чтобы добиться предпочтительной проводимости. В общем и целом, по сравнению с сопоставимым чистым CuZn-ым сплавом, часть цинка замещается марганцем, чтобы получить вышеуказанные благоприятные свойства.

Далее изобретение основывается на таком практическом опыте, что для многих вариантов применения при нагревании высокая стойкость к коррозии и, соответственно, к окислению фактически не имеют особого значения. Так, например, окисление не представляет проблемы для вариантов применения с нагреванием в низкотемпературном диапазоне или в тех областях, в которых нагревательные элементы или электронагревательные проводники снабжены изоляцией. Поэтому вышеуказанные свойства соответствующих изобретению медно-цинко-марганцевых сплавов могут быть благоприятным образом использованы специально для применения в электрических нагревательных элементах - и в особенности в низкотемпературном диапазоне.

В одном предпочтительном варианте выполнения содержание меди в сплаве составляет от 63 до 70 мас.%, и, например, от 65 до 70 мас.%. Такое содержание меди, возможность которого создается марганцем в сочетании с медью и цинком, во-первых, обеспечивает то, что оно не приводит к ухудшающим формуемость выделениям β-фазы, и, во-вторых, что в сплаве присутствует достаточно цинка и марганца, чтобы снизить стоимость, и электропроводность может регулироваться в широких диапазонах и, в частности, до низких значений.

В одном предпочтительном варианте выполнения содержание марганца в сплаве составляет по меньшей мере 0,2 мас.%, и, например, более 0,3 мас.%, предпочтительно более 0,5 мас.%, или еще предпочтительнее более 0,8 мас.%. Содержание марганца в сплаве предпочтительно составляет от 0,2 до 20 мас.%, предпочтительно от 0,3 до 20 мас.%, а более предпочтительно от 0,8 до 6 мас.%.

В одном предпочтительном варианте выполнения сумма содержания марганца и содержания цинка в сплаве составляет от 30 до 37 мас.%, более предпочтительно от 30 до 35 мас.%, а еще более предпочтительно от 33 до 35 мас.%.

В одном предпочтительном варианте выполнения сплав при комнатной температуре является однофазным и содержит α-фазу. Однако также возможно, что сплав содержит более 90% α-фазы. Сплав при изготовлении металлического элемента мог быть подвергнут рекристаллизации. Но это не является необходимым.

В одном предпочтительном варианте выполнения электрический нагревательный элемент применяется при температуре длительной эксплуатации максимально 300°С, предпочтительно максимально 200°С, а более предпочтительно максимально 150°С. При этом температура длительной эксплуатации электроизолированного или, соответственно, снабженного электрической изоляцией металлического элемента предпочтительно составляет максимально 300°С, а для голого или, соответственно, не имеющего электрической изоляции металлического элемента предпочтительно составляет максимально 200°С. При столь низких температурах предъявляются особенно низкие требования по стойкости к коррозии или окислению, или же по защите от коррозии или окисления.

В одном предпочтительном варианте выполнения сплав в металлическом элементе при комнатной температуре имеет электрическую проводимость менее 15 МСм/м. Сплав при изготовлении металлического элемента может подвергаться мягкому отжигу или возврату и/или может быть перекристаллизован. Но это не является необходимым. Металлический элемент предпочтительно изготавливают способом непрерывной разливки и последующим формованием. Формование предпочтительно может включать стадию прокатки и/или стадии вытяжки (волочения) и отжига, например, стадию прокатки, за которой следует стадия отжига, затем стадия вытяжки и, наконец, дополнительная стадия отжига.

В одном предпочтительном варианте выполнения металлический элемент или, соответственно, электрический нагревательный элемент представляет собой проволоку, такую как, например, проволока с круглым, округлым, прямоугольным или многоугольным поперечным сечением, четырехгранная проволока, профильная проволока или плоская проволока. В частности, металлический элемент или, соответственно, электрический нагревательный элемент представляет собой проволоку с высоким электрическим сопротивлением или, соответственно, электронагревательную проволоку или электронагревательный проводник. Проволоки с высоким электрическим сопротивлением или, соответственно, электронагревательные проволоки или проводники описаны в стандарте DIN 17471:1983-04 под пунктом 6 «Состояние поставки».

В одном предпочтительном варианте выполнения нагревательный элемент используется с электрической изоляцией. Благодаря этому он может быть применен также при высоких температурах.

В одном предпочтительном варианте выполнения нагревательный элемент используется в панельном обогреве, в кабельном нагреве или в элементах для сварки полимеров, например, в потолочной отопительной панели, отоплении нагретым полом или электросварочной муфте.

Далее приведены три примера медно-цинко-марганцевых сплавов, из которых в каждом случае может быть предпочтительным путем выполнен металлический элемент в форме нагревательной проволоки. В каждом из трех примеров был изготовлен металлический элемент, для чего он был получен непрерывной разливкой и затем отформован. Формование включало стадию прокатки, с последующей стадией отжига, затем стадией волочения и, наконец, дополнительной стадией отжига.

Пример 1

Металлический элемент состоит из сплава CuZn32,6Mn0,8 и содержит 32,6 мас.% Zn и 0,8 мас.% Mn. Предел прочности при растяжении составляет 500 Н/мм², а относительное удлинение составляет 20%. Металлический элемент имеет округлое поперечное сечение с диаметром 0,6 мм при значении 0,337 Ом/м. Проводимость составляет примерно 10,5 МСм/м. Этот пример в отношении проводимости представляет альтернативу сплаву CuNi6 и по сравнению с ним имеет на 50% более высокую прочность.

Пример 2

Металлический элемент состоит из сплава CuZn31,5Mn1,9 и содержит 31,5 мас.% Zn и 1,9 мас.% Mn. Предел прочности при растяжении составляет 500 Н/мм², а относительное удлинение составляет 20%. Металлический элемент имеет округлое поперечное сечение с диаметром 0,6 мм при значении 0,5 Ом/м. Проводимость составляет примерно 7,1 МСм/м. Этот пример в отношении проводимости представляет альтернативу сплаву CuNi10 и по сравнению с ним имеет почти на 50% более высокую прочность.

Пример 3

Металлический элемент состоит из сплава CuZn28,1Mn4,9 и содержит 28,1 мас.% Zn и 4,9 мас.% Mn. Предел прочности при растяжении составляет 500 Н/мм², а относительное удлинение составляет 20%. Металлический элемент имеет округлое поперечное сечение с диаметром 0,6 мм при удельном сопротивлении 0,5 Ом/м. Проводимость составляет примерно 3,9 МСм/м.

Вышеуказанные примерные металлические элементы могут быть изготовлены, например, так, что сначала непрерывной разливкой получают элемент с диаметром 20 мм, затем прокаткой доводят его до диаметра 12 мм, а затем подвергают стадии стационарного отжига при температуре от 450 до 600°С до полного разупрочнения. Затем после охлаждения следует дополнительная стадия прокатки, при которой диаметр доводят до 8 мм, с последующей дополнительной стадией стационарного отжига при температуре от 450 до 600°С до полного разупрочнения. Затем элемент после охлаждения доводят путем волочения до диаметра 5 мм и проводят дополнительную стадию стационарного отжига при температуре от 450 до 600°С до полного разупрочнения. После этого элемент после охлаждения доводят путем волочения до диаметра 3 мм и проводят дополнительную стадию непрерывного отжига при температуре от 750 до 800°С, причем скорость настраивают так, чтобы это приводило к полному разупрочнению. Затем после охлаждения выполняют две дополнительных стадии волочения, на которых диаметр доводят сначала до 1,5 мм, а затем до окончательного диаметра 0,6 мм, причем по завершении обоих процессов волочения в каждом случае проводят отжиг в поточном режиме с последующим охлаждением.

1. Электрический нагревательный элемент, выполненный из медно-цинко-марганцевого сплава, содержащего по меньшей мере 63 мас.% меди, отличающийся тем, что он имеет при комнатной температуре электрическую проводимость менее 15 МСм/м и единственную α-фазу в своей структуре.

2. Электрический нагревательный элемент по п.1, в котором содержание меди в сплаве составляет от 63 до 70 мас.%.

3. Электрический нагревательный элемент по п.1 или 2, в котором содержание марганца в сплаве составляет по меньшей мере 0,2 мас.%.

4. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-3, в котором содержание марганца в сплаве составляет от 0,2 до 20 мас.%, а предпочтительно от 0,8 до 6 мас.%.

5. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-4, в котором суммарное содержание марганца и цинка в сплаве составляет от 30 до 37 мас.%.

6. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-5, который применяют при температуре длительной эксплуатации максимально 300°С, предпочтительно максимально 200°С, а предпочтительнее максимально 150°С.

7. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-6, причем электрический нагревательный элемент представляет собой проволоку, предпочтительно проволоку с высоким электрическим сопротивлением.

8. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-7, причем электрический нагревательный элемент применяют с электрической изоляцией.

9. Электрический нагревательный элемент по любому из пп.1-8, причем электрический нагревательный элемент применяют в панельном обогреве, в кабельном нагреве или в элементах для сварки полимеров.