鎳鉻合金的起源及發(fā)展研究

粟毅

一、簡介

鎳鉻合金，也被稱為鎳鉻合金，是一種由鎳、鉻和偶爾的鐵混合而成的合金[1]。該合金以其耐熱、耐腐蝕和抗氧化性而聞名，在許多應(yīng)用中有著令人難以置信的應(yīng)用[2]。從工業(yè)制造到愛好，鎳鉻合金以金屬絲的形式出現(xiàn)在一系列商業(yè)產(chǎn)品、工藝和工具中。

本文將介紹鎳鉻合金的歷史發(fā)展、制備方法、優(yōu)缺點和應(yīng)用前景，并對其進(jìn)行總結(jié)。

二、制造歷史和方法

2.1鎳鉻合金的歷史發(fā)展及元素組成

鎳鉻合金是阿爾伯特·馬什1906年申請的美國專利（美國專利811859[3]）。這是有記錄以來最古老的電阻加熱合金形式。鎳鉻合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是80%鎳和20%鉻，但對于許多應(yīng)用來說，還有許多其他的金屬組合。例如，鎳鉻合金絲含有60%的鎳和40%的鉻[4]

20世紀(jì)30年代末，鎳基電熱合金在英國發(fā)展起來。鎳基電熱合金的發(fā)展經(jīng)歷了零部件改進(jìn)和制造工藝創(chuàng)新兩個階段。在初始階段，合金具有較高的強(qiáng)度。中間階段制備了性能良好的單晶高溫合金。最終得到了具有熱腐蝕性能的高鉻鎳基合金。

2.2關(guān)鍵材料

鎳鉻合金在許多地方用作原料，所以鎳鉻合金是“關(guān)鍵材料”

關(guān)鍵材料是指起始材料或原材料，其作為結(jié)構(gòu)碎片并入用于人類活動的子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，該子系統(tǒng)從已知制造商處采購，用于良好的人類活動[8]。

2.3制造方法

由于其高熔點、高塑性和抗電子流動性。鎳鉻合金絲通常采用拉絲工藝制成，并繞在具有一定電阻的線圈中。當(dāng)電流通過時，它會產(chǎn)生熱量，所以它被用于加熱裝置或電器中的電子點火裝置。

幾乎任何一種導(dǎo)電導(dǎo)線都可以用來加熱，但大多數(shù)金屬導(dǎo)電效率很高，需要將它們形成非常細(xì)而細(xì)的導(dǎo)線，以產(chǎn)生足夠的電阻來產(chǎn)生熱量。當(dāng)在空氣中加熱時，大多數(shù)金屬會迅速氧化，變脆并斷裂。鎳鉻合金絲在加熱到紅熱的溫度時，會形成一層在空氣中熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化鉻[3]外層，主要不受氧氣的影響，并保護(hù)加熱元件不受進(jìn)一步氧化

三、優(yōu)點和缺點

主要優(yōu)勢優(yōu)勢[6]：制造成本低（適用于生活中的所有場景）、高機(jī)械強(qiáng)度和高蠕變強(qiáng)度、高延展性（易拉絲）、耐腐蝕、抗氧化、高熔點，高溫穩(wěn)定性（可用于高溫環(huán)境）鎳鉻合金以其高機(jī)械強(qiáng)度和高蠕變強(qiáng)度而聞名。[4]鎳鉻合金的性能因其合金而異。給出的數(shù)字代表典型材料，并精確到表示的有效數(shù)字。任何變化都是由鎳或鉻的不同百分比引起的。

存在的缺點：在使用中裝配難度較大，且可能造成短路。

四、使用范圍及對環(huán)境的影響

4.1實際應(yīng)用

由于鎳鉻合金的高電阻，即使在小電流下也會產(chǎn)生熱量。這些特點使得鎳鉻合金絲在整個工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。主要用于[7]：

（1）陶瓷生產(chǎn)和玻璃生產(chǎn)，所有部件均采用鉻鎳合金連接

（2）遠(yuǎn)程點火器，如煙花

（3）殘余金屬的實驗室試驗

（4）可與工業(yè)爐配套使用，制造熱絲切割機(jī)

4.2對環(huán)境的影響

鎳鉻合金對環(huán)境有一定的影響，主要是鎳鉻合金生產(chǎn)過程中加熱的鉻對人體有害，工廠排放的鉻對土壤和水環(huán)境影響較大[8]

但鎳鉻礦生產(chǎn)后，由于其熔點高，對強(qiáng)堿、強(qiáng)酸和氧化溶劑的抵抗力強(qiáng)[8]，一般不會分解，對環(huán)境的影響也會很小。鉻通過自然過程和人類活動進(jìn)入環(huán)境。鉻含量將會由于皮革、紡織和鋼鐵制造而增加，和人體接觸的機(jī)會會增加;同時鉻也會通過一些相同的渠道進(jìn)入環(huán)境，如皮革和紡織制造，在工業(yè)中應(yīng)用，如電刷和化學(xué)制造。由于鉻酸鹽礦山的滲漏或采礦工具和供應(yīng)品的不當(dāng)處置，以及工業(yè)制造設(shè)備的不當(dāng)處置，可能會造成地下水污染，對環(huán)境造成損傷。

五、總結(jié)

鎳鉻合金由于其優(yōu)異的性能，自生產(chǎn)以來僅100年就被廣泛應(yīng)用于生活的方方面面。由于其獨特的性能，溫度越低，電阻越高，在家用電器的發(fā)熱元件中起著重要的作用。長期以來，科學(xué)家們一直在調(diào)整鉻和鎳的比例，嘗試不同的生產(chǎn)方法。在不久的將來，鎳鉻合金的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

[1]Wu Yongren.Encyclopedia of Chinese middle school teaching.Chemistry volume.Shenyang：Shenyang publishing house.1990.Page 121-122? cited 2020/3/4

[2]Flournoy，Blake. “What Is Nichrome Wire Used for？”. sciencing.com.Retrieved 28 October 2019 cited 2020/3/4

[3] “US Patent 811，858” cited 2020/3/4

[4]What Is Nichrome Wire Used for？ Blake Flournoy https：//sciencing.com/nichrome-wire-used-for-5871336.html ＼ cited 2020/3/4

[5]“Advanced Topic：Oxidation Resistant Materials” （PDF）.Sciences Education Foundation.General Atomics.2002.cited 2020/3/4

[6]“Nichrome - Union City Filament”. Union City Filament.Retrieved 2017-10-02.cited 2020/3/4

[7]RepRap Nichrome wires vs resistor？ https：//reprap.org/forum/read.php？70，123351cited 2020/3/4

[8]Law insider Definition ofCRITICAL MATERIAL https：//www.lawinsider.com/dictionary/critical-material cited 2020/3/4