D型鎢錸熱電偶用補償導線合金絲的研究

[摘要]文章以Cu、Ni、Si為原料，通過真空感應熔煉、拉拔、熱處理的方法制備了一種鎢錸熱電偶用補償導線銅基合金絲。測試、分析了合金絲Ni/Si質量比、熱電勢及力學性能，并對合金組織、物相進行表征。結果表明:隨Ni/Si質量比的增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)補償導線合金絲熱電勢增高，且當Ni/Si質量比為13左右，100℃熱電勢值接近標準值1145μV;最終經成分優化制備出用于鎢錸D型熱電偶補償導線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、成本低等優點，被廣泛用于鋼鐵冶金、石油化工、航空航天、核工業等高溫測溫領域。至今的80年里，美國、前蘇聯、中國等國家相繼研發了鎢錸熱電偶并制訂了相關標準，但對于鎢錸測溫系統尚需完善。其中，為提高測溫精度及穩定性，與之配套補償導線合金的研發突顯重要。在一定溫度范圍，補償導線的熱電性應與配接的熱電偶熱電性一致。目前，國內外鎢錸熱電偶用補償導線合金絲成分以Cu-Ni系和Ni-Cr系為主2),后者成本較高且加工難度大。國內以Cu(+)/Cu-Ni(-)補償導線合金絲應用較廣泛3，但其熱電勢僅能滿足JB/T9496-1999鎢錸熱電偶用補償導線規定的100C或200C熱電勢，而在更寬泛的實際工況溫度場(特別是高于200)中，其熱電勢與鎢錸偶相差較大，難于實現高精度測溫。
1試驗方法
1.1試驗原料及合金絲制備
　　原料:Cu(純度≥99.95%電解銅)、Ni(純度≥99.95%電解鎳)Si(純度≥99.9%結晶硅)。經成分設計配料、真空可控氣氛感應熔煉、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性能測試及組織結構表征
　　熱電性能按GB/T4989--1994熱電偶用補償導線測試標準進行，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GB/T228--2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用XD--117A型電子拉伸機測試抗拉強度及延伸率;采用MV6100型金相顯微鏡對組織觀察和攝照;利用RigakuD/MAX2500/pe型X射線衍射儀進行物相分析。
2試驗結果及分析
2.1Ni/Si質量比對銅合金熱電性能的影響
　　據文獻報道，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，將導致Cu(+)/Cu-Si(-)的熱電勢下降。而將不同含量Ni、Si同時加入銅中，元素間相互作用影響熱電勢的規律和機理還不明確。為此，設計、制備了不同Ni/Si質量比的合金絲試樣。并測試100℃時Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢，見表1，由表1繪制關系曲線見圖1。
 
　　由圖1可見，隨Ni/Si質量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)熱電勢增高，當Ni/Si質量比在13左右，其熱電勢值接近標準值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散射馳豫時間發生變化，最終表現為熱電勢的改變。
 
2.2成分優化試樣的結果與分析
(1)性能分析
　　根據上述NI/Si質量比對熱電勢影響的分析，調整成分，試制多組N/Si質量比為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，溫度與熱電勢數據如表2,由此表繪制的關系曲線見圖2、圖3。
 
　　由圖2可見，在60~200℃范圍內，40#試樣熱電勢值與標準熱電勢最大正偏差為29μV、最大負偏差為19μV,符合JB/T9496--1999《鎢錸熱電偶用補償導線》規定的允差±48μV，同時也符合ASTME988規定的允差±125μV,適合用做D型(鎢錸)熱電偶補償導線合金絲。
 
　　由圖3可見，在60~400范圍內，41#試樣熱電勢值與標準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質量比，成為60~400℃范圍內，與鎢錸熱電偶熱電性能一致的補償導線合金絲，這方面工作還在繼續。本次試制還測試了40#、41#試樣力學、電學性能如表3。
 
　　由表3可見，40#、41#試樣力學性能、電阻率符合GB/T4990-2010《熱電偶用補償導線合金絲》標準，但目前我國還未制定鎢錸熱電偶專用補償導線合金絲標準。
 
(2)組織結構表征
　　圖4、圖5、圖6、圖7分別為40#試樣鑄態、拉拔態、成品退火態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500℃連續退火，試樣成品組織已完全恢復成細小等軸晶;圖7衍射譜表明，試樣物相主要是銅固溶體，另外，在低角度出現了碳峰，推測可能石墨坩堝的碳溶人合金中。
 
 
3結論;
(1)隨Ni/Si質量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)補償導線合金絲熱電勢增高，當Ni/Si質量比為13左右，100℃熱電勢值接近標準值1145μV。
(2)在60~200℃內，Cu-Ni-Si(40#試樣)可用做D型(鎢錸)熱電偶補償導線合金絲。