热电偶用镍合金(nickel alloy for thermoc ouple material)

用于制作热电极测温元件的镍合金。主要有镍铬合金、镍铝合金、镍硅合金和铜镍合金(康铜、见白铜)等。这类合金是单相固溶体，化学成分均匀，热电特性好，使用温度范围较宽，使用过程中热电性能稳定，高温强度良好，容易加工成形，价格便宜，在各个领域的测温中有极重要的地位。

简史1821年发现热电效应：将两种不同导体端点相接，并使两端结点处在不同的温度中，则在两导体组成的电路中产生电动势。这一热电效应是热电偶测温的基本原理。从此以后，研制了一系列的热电偶合金。1886年研制成功PtRh10／Pt热电偶，1890年获实际应用，开创了热电偶测温的先例。1872年铁／康铜热电偶(J型)问世，但至1910年才开始使用，1913年首次制出分度表。铜／康铜热电偶(T型)是长期以来测量300℃以下温度最重要的工具之一，于1914年开始使用。1938年美国国家标准局正式为之作了分度表。镍铬／镍铝(chr()mel／Alumel)热电偶是最早的K型热电偶，1906年美国霍斯金斯公司(Hoskins Manufacturing Co．)首创，在第一次世界大战期间获得工业应用。各国研究者为提高热电偶的性能，对其正极和负极的化学成分作了大量的研究和改进，负极除镍铝合金以外，又增加了性能优良的镍硅合金，并在正、负极合金中添加微量元素，以提高其稳定性。对K型热电偶改进的研究，促进了热电偶用镍合金的发展，特别是1971年出现了镍铬硅／镍硅(Nicrosil／Nisil)热电偶，它的分度表与K型热电偶相近，但抗氧化性、稳定性大为提高，发展为现在的N型热电偶。镍铬／铜镍(康铜)E型热电偶，具有热电势率高的特点，在400～600℃内可达81．0μV／℃，是继K、T、J型电偶之后，工业上大量采用的又一种贱金属热电偶。目前国际标准化的热电偶按国际电工委员会IEc一584的规定和补充，共有s、R、B、K、E、J、T、N8种型号，其中前3种为铂和铂铑合金所组成，其余各种大部分为镍合金和铜镍合金所组成。

在热电偶小型化方面，铠装热电偶的发展令人瞩目，自从荷兰菲利浦电器公司在1956年首先研究这种电偶以来，经过不断的改进和系列化，现已为各个领域测温所大量应用，并已逐步标准化。

当前热电偶材料的发展主要是提高热电势稳定性，广泛采用IEC标准，铠装化以及研制特殊场合和快速测量用专用热电偶等。

分类 在热电偶合金中，除高温难熔金属合金(如WRe5、WRe26等)和贵金属合金(如Pt、PtRh6、PtRh10和PtRh30等)之外，广泛使用贱金属及其合金，它们中主要的有镍铬合金(如Ni—Cr10、Ni—Crl4．5一Sil．5)、镍铝合金(如Ni—Mn3一A12一Si1等)、镍硅合金(如Ni—Si3、Ni—Si4．5等)、铜镍合金(康铜)以及铜、铁等。根据国际电工委员会IEC584的规定，列入标准化的热电偶有8种型号，其中包括IEC一584补充文件纳入的N型热电偶。具体配对情况为：

T型     铜(+)／铜镍(康铜)(-)

J型    铁(+)／铜镍(康铜)(-)

E型   镍铬(+)／铜镍(康铜)(-)

K型   镍铬(+)／镍硅(-)

N型   镍铬硅(+)／镍硅(-)

S型   PtRh10(+)／Pt(-)

R型   PtRhl3(+)／Pt(-)

B型   PtRh30(+)／PtRh6(-)

此外，还有种类很多的由镍合金组成的非标准化的热电偶，如NiCr20／NiSi3、NiMo18／NiCol、Ni—Co17Al2一Mn2一Si1／Ni—Al3一Mn1．5一Si1等。

成分和性能     工业上的标准化热电偶正极和负极的化学成分列于表中。

镍铬合金  在研究系列的镍铬合金与铂配对的热电势值时，发现含铬8.5％～10％合金的热电势值最大，是理想的热电偶材料。含铬9％～10％的镍铬合金通常选作K、E型电偶的正极，如KP、EP。它最早的名称是赫罗米镍(Chromel)。在镍铬合金中加入适量的硅、钴，可调整合金的热电特性值，增加抗氧化性和稳定性；若镍铬合金中含有碳、镁、锰、铜、铁和铝等元素，则显著降低热电势值。镍铬10合金的缺点是铬的选择性氧化和存在短程有序效应(即K状态)，降低了抗氧化性和热稳定性。添加钇、钙等元素可提高高温稳定性，含钇0.05％的镍铬10合金的使用寿命比不添加钇者有显著提高。含铬14.5％、硅1.5％的镍铬合金是改进的N型电偶的正极(NP)，由于不存在镍铬所固有的缺点，使抗氧化性和热稳定性大为提高。

镍铝合金 纯镍与铂配对的热电势值的直线性很差，向镍中加入适量的铝、锰和硅合金元素，所构成的合金具有良好的热电特性。其中最有名的是名义成分为Ni—Mn3一Al2一Si1的阿留米镍(Alumel)，这种合金是构成K型热电偶的最早的负极。在镍铝合金中添加0.3％～1.3％的钴可增加热稳定性；添加铁、铬、钛和碳等元素可降低热电势绝对值，应予控制。镍铝合金的抗氧化性比镍铬合金稍差，因此进行了大量的改进和研究工作。

镍硅合金 镍中含硅2％～3％的合金，是继阿留米镍之后的K型热电偶的另一种负极，它与镍铝合金相比，抗氧化性、热稳定性和在辐照、磁场下使用性能都较好，因此已在工业上广泛采用。含硅4.5％的镍硅合金是理想的N型热电偶的负极。由于提高了硅的含量，并加入了微量镁，使用寿命大为提高。加入微量钇可以改善镍硅合金的抗氧化性能。

铜镍合金 铜镍系合金形成连续固溶体，含镍40％～45％的铜镍合金出现热电势最大值，且直线性好、灵敏度高、广泛用作热电偶的负极(如JN、TN、EN)。用作热电偶的铜镍合金除存在微量的杂质外，常添加少量的锰和铁，以调整热电性能。铜镍合金常以多种商业名称使用，最常用的是康铜。前苏联采用的镍铬／考铜(XK)热电偶是类似E型的热电偶，其考铜(见白铜)的化学成分为含镍42.5％～44.0％、锰0.1％～1.0％的铜镍合金，其热电势值与E型电偶有较大的差异，目前主要在前苏联范围采用。

铠装热电偶材料 由不同成分的热电偶丝装在有绝缘材料(常用的为MgO)的金属套管中，被加工成可弯曲的坚实组合体。所制电偶的特点是：使用范围广，可为特细、特长、多芯状，反应速度快、灵敏度高，耐压、耐冲击、耐震动，使用寿命长、稳定性好，可自由弯曲、热re安装方便等。几种标准化热电偶均可制成铠装型，一般直径为0.5～8.0mm，除精度应满足规定要求外，尚有绝缘电阻、可挠度等项要求。

用途      在工业测温中广泛应用由镍合金或铜镍合金构成的热电偶。用镍铬合金Ni—crlO作正极、镍硅合金Ni—Si3或镍铝合金Ni—Mn3一Al2一Si1作负极组成的K型热电偶，可在一200～1300℃测温，是工业中最重要的测温材料。用Ni—Crl4.5一Si1.5(+)／Ni—Si4.5(-)构成的N型热电偶，其抗氧化性和稳定性等均明显优于K型热电偶，而测量温度范围与其基本相同，在工业上正在扩大使用。镍铬10合金与金铁稀释合金(金中含0.07％原子铁)配对组成的热电偶是理想的低温材料，在测量2～273K温区得到广泛的应用。将铜镍合金(康铜)作负极，分别用镍铬合金Ni—Cr10、铁、铜作正极组成的E型、J型和T型热电偶可分别在一200～900C、一40～750℃和一200～400℃温区测温，在工业上广泛使用。铜／铜镍合金还可用作K型、N型和J型等热电偶的补偿导线，在工业上大量使用。