D型钨铼热电偶用补偿导线合金丝的研究

[摘要]文章以Cu、Ni、Si为原料，通过真空感应熔炼、拉拔、热处理的方法制备了一种钨铼热电偶用补偿导线铜基合金丝。测试、分析了合金丝Ni/Si质量比、热电势及力学性能，并对合金组织、物相进行表征。结果表明:随Ni/Si质量比的增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)补偿导线合金丝热电势增高，且当Ni/Si质量比为13左右，100℃热电势值接近标准值1145μV;最终经成分优化制备出用于钨铼D型热电偶补偿导线Cu-Ni-Si合金丝。
　　1931年戈德克(Goodecke)首先研制钨铼热电偶，由于其测温上限高、热电势率大、成本低等优点，被广泛用于钢铁冶金、石油化工、航空航天、核工业等高温测温领域。至今的80年里，美国、前苏联、中国等国家相继研发了钨铼热电偶并制订了相关标准，但对于钨铼测温系统尚需完善。其中，为提高测温精度及稳定性，与之配套补偿导线合金的研发突显重要。在一定温度范围，补偿导线的热电性应与配接的热电偶热电性一致。目前，国内外钨铼热电偶用补偿导线合金丝成分以Cu-Ni系和Ni-Cr系为主2),后者成本较高且加工难度大。国内以Cu(+)/Cu-Ni(-)补偿导线合金丝应用较广泛3，但其热电势仅能满足JB/T9496-1999钨铼热电偶用补偿导线规定的100C或200C热电势，而在更宽泛的实际工况温度场(特别是高于200)中，其热电势与钨铼偶相差较大，难于实现高精度测温。
1试验方法
1.1试验原料及合金丝制备
　　原料:Cu(纯度≥99.95%电解铜)、Ni(纯度≥99.95%电解镍)Si(纯度≥99.9%结晶硅)。经成分设计配料、真空可控气氛感应熔炼、锻造、热轧、还原退火、拉丝、成品退火等工艺制备Cu-Ni-Si合金丝。
1.2性能测试及组织结构表征
　　热电性能按GB/T4989--1994热电偶用补偿导线测试标准进行，不同温度场由HTS-95A恒温水槽、HTS-300A油槽及WIJ-600检定炉提供，热电势测试选用美国Keithley2182A型纳伏表;拉伸性能依据GB/T228--2002《金属材料室温拉伸试验方法》，采用XD--117A型电子拉伸机测试抗拉强度及延伸率;采用MV6100型金相显微镜对组织观察和摄照;利用RigakuD/MAX2500/pe型X射线衍射仪进行物相分析。
2试验结果及分析
2.1Ni/Si质量比对铜合金热电性能的影响
　　据文献报道，在同一测试温度下，随着铜镍合金中Ni含量提高，Cu(+)/Cu-Ni(-)合金的热电势增加，且温度越高，热电势的变化越明显。另外，合金中Si含量的增高，将导致Cu(+)/Cu-Si(-)的热电势下降。而将不同含量Ni、Si同时加入铜中，元素间相互作用影响热电势的规律和机理还不明确。为此，设计、制备了不同Ni/Si质量比的合金丝试样。并测试100℃时Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)热电势，见表1，由表1绘制关系曲线见图1。
 
　　由图1可见，随Ni/Si质量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)热电势增高，当Ni/Si质量比在13左右，其热电势值接近标准值1145μV,这可能由于合金元素种类、加入量、制备工艺，宏观上影响了合金电阻率，微观上各种散射过程有所改变而使各项散射驰豫时间发生变化，最终表现为热电势的改变。
 
2.2成分优化试样的结果与分析
(1)性能分析
　　根据上述NI/Si质量比对热电势影响的分析，调整成分，试制多组N/Si质量比为13左右的Cu-Ni-Si合金丝试样，其中40#、41#试样热电势更接近钨铼偶热电势，温度与热电势数据如表2,由此表绘制的关系曲线见图2、图3。
 
　　由图2可见，在60~200℃范围内，40#试样热电势值与标准热电势最大正偏差为29μV、最大负偏差为19μV,符合JB/T9496--1999《钨铼热电偶用补偿导线》规定的允差±48μV，同时也符合ASTME988规定的允差±125μV,适合用做D型(钨铼)热电偶补偿导线合金丝。
 
　　由图3可见，在60~400范围内，41#试样热电势值与标准热电势相比皆是正偏差(超差范围在83~140μV)。该成分合金丝极有可能通过降低N/Si质量比，成为60~400℃范围内，与钨铼热电偶热电性能一致的补偿导线合金丝，这方面工作还在继续。本次试制还测试了40#、41#试样力学、电学性能如表3。
 
　　由表3可见，40#、41#试样力学性能、电阻率符合GB/T4990-2010《热电偶用补偿导线合金丝》标准，但目前我国还未制定钨铼热电偶专用补偿导线合金丝标准。
 
(2)组织结构表征
　　图4、图5、图6、图7分别为40#试样铸态、拉拔态、成品退火态组织形貌及衍射图谱。图4对比YS/T347--2004《铜及铜合金平均晶粒度测定方法》,表明晶粒粗大，尚需调整熔炼工艺与锭模冷却;图5表明，试样拉拔至φ中0.72mm,已形成密集的纤维状组织;图6可见，经500℃连续退火，试样成品组织已完全恢复成细小等轴晶;图7衍射谱表明，试样物相主要是铜固溶体，另外，在低角度出现了碳峰，推测可能石墨坩埚的碳溶人合金中。
 
 
3结论;
(1)随Ni/Si质量比增加，Cu(+)/Cu-Ni-Si(-)补偿导线合金丝热电势增高，当Ni/Si质量比为13左右，100℃热电势值接近标准值1145μV。
(2)在60~200℃内，Cu-Ni-Si(40#试样)可用做D型(钨铼)热电偶补偿导线合金丝。