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ρ = 5,1 ∙ 10−7Ω · m bei 600 °C.
Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Widerstandswerkstoffe (7)
22.01.2020
In den letzten Folgen dieser Serie bildeten die „guten“ Leiterwerkstoffe wie Kupfer und Aluminium sowie deren Legierungen mit anderen Metallen den Schwerpunkt der Betrachtungen. Aus elektrotechnischer Sicht bietet sich nun an, Werkstoffe mit weniger gutem Leitverhalten zu betrachten – Widerstandswerkstoffe.
Widerstandsdraht
Elektrische Widerstände (Bild) bestehen aus Werkstoffen, die den fließenden elektrischen Strom behindern. Diese Behinderung kann gezielt zur Strombegrenzung eingesetzt werden und dient damit auch der Leistungseinstellung elektrischer Verbraucher. Die somit an vielen Verbrauchern entstehende Verlustleistung ist häufig ein notwendiges Übel. Sie kann aber auch in anderen Fällen gezielt eingesetzt werden, um z. B. mit Hilfe eines aufgewickelten Widerstandsdrahtes einen Heizwiderstand zu bilden, bei dem dann die „Verlustleistung“ zur Nutzleistung wird. Der Begriff Widerstandsdraht sagt zunächst nichts über die verwendeten Materialien aus. Die Praxis hat gezeigt, dass sich die in der Natur vorkommenden Grundstoffe (Elemente), bis auf wenige Ausnahmen, kaum als Widerstandsdraht eignen. Vorwiegend werden hier Legierungen mit verschiedenen Rezepturen hergestellt. Eine häufig gestellte Forderung ist die Konstanz des Widerstandswertes über der sich verändernden Betriebstemperatur. Aus dieser Forderung sind dann Entwicklungen entstanden, die dann zu Markennamen wie „Konstantan“ führten. Chrom und Nickel sind sehr oft die Legierungs-Hauptbestandteile, aus denen Widerstandsdrähte bestehen.Heizleiter
Heizleiterlegierungen bestehen aus zwei oder mehr metallischen Komponenten, deren jede aufgrund ihres relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstands bereits die Eigenschaft eines Heizleiters besitzt, nämlich elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Durch das Legieren werden positive Eigenschaften der einzelnen Heizleiter verstärkt und eine differenzierte Anpassung an den Einsatz als Heizelement ermöglicht. Durch Zulegieren von Nickel und Zink kann der elektrische Widerstand gegenüber reinem Kupfer auf das 28-fache ansteigen (Nickelin). Wird der Zinkanteil durch Erhöhung des Nickels und nur 1 % Mangan ersetzt, steigt der Widerstand sogar auf das 30-fache (Konstantan). Legierungen mit Eisen, Chrom und Aluminium (siehe Kanthal) erhöhen den Widerstand gegenüber solchen auf Kupfer-Nickelbasis nochmals deutlich.Konstantan
Bei Konstantan handelt es sich um einen Widerstandsdraht, der eine Kupfer-Nickel-Legierung darstellt. Konstantan ist ein Markenname der VDM Metals (vormals ThyssenKrupp VDM GmbH) für eine Legierung, die im Allgemeinen aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan besteht. Sie zeichnet sich durch einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand aus. Spezifischer Widerstand: ρ = 4,9 ∙ 10−7Ω · m bei 20 °C,ρ = 5,1 ∙ 10−7Ω · m bei 600 °C.
Kanthal
Der Begriff Kanthal bezeichnet eine Handelsmarke mit unterschiedlichen Produkten. „Kanthal“ wird häufig als eine in ihrer Zusammensetzung definierte Heizleiterlegierung verstanden, doch trifft dies nur bedingt zu. Eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium mit einer Beständigkeit bis 1 400 °C wurde im Jahre 1931 von einem skandinavischen Unternehmen entwickelt. Besonders verbreitet sind stabförmige Heizelemente (Silitstäbe) für metallurgische Herd- und Wannenöfen mit Deckenstrahlheizung.Nickelin
Die Bezeichnung Nickelin gilt für zwei unterschiedliche Materialien:- Mineral: Nickelin, auch unter den veralteten bergmännischen Bezeichnungen Kupfernickel oder Rotnickelkies bekannt, ist ein häufig vorkommendes Mineral.
- Legierung: Für industrietaugliche Widerstandsdrähte wird unter den ersten Legierungen „Nickelin“ genannt. Als Nickelin wird eine Kupfer-Legierung mit einem Anteil von 30 % Nickel und 3 % Mangan bezeichnet. Die technische Kurzbezeichnung lautet CuNi30Mn. Aufgrund seiner besonderen Korrosions- und Zunderbeständigkeit, einem relativ niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand sowie einem niedrigen Temperaturkoeffizienten wird Nickelin überwiegend im Bereich der Elektrotechnik verwendet, wo es in Form von Drähten, Bändern und Blechen zu Widerständen aller Art und als Heizleiterlegierung zu Wärmekabeln bzw. Heizdrähten verarbeitet wird.
Nickel-Chrom-Legierungen und andere
„Chromin“ findet sich bereits seit dem Jahre 1955 in der Literatur, als nicht genormte Legierung „zur Herstellung elektrischer Heizwiderstände“. Sie enthält 83–84 % Nickel und den Rest Chrom. Eng verwandt sind „Chromel A“ und „Chromel B“. „Chromel C“ ist dagegen eine Dreistofflegierung mit 25 % Eisen, nur 11 % Chrom und den Restbestandteil Nickel. Alle werden für Heizwiderstände eingesetzt. „Chromel P“ weicht ab, es enthält nur 10 % Chrom und den Rest Nickel. Zusammen mit „Alumel“-Draht wirkt es als Thermoelementpaar für Temperaturmessung bei Schmelzen aus Aluminium- und Kupferlegierungen bis maximal 1 100 °C (kurzzeitig 1 300 °C). Alumel ist eine magnetische Nickelbasislegierung bestehend aus 90,7 % Nickel, 3,1 % Mangan, 4,2 % Aluminium und 2,0 % Silizium. Alumel und Chromel sind registrierte Marken. Wolfram ist fast das einzige Metall, das unlegiert eingesetzt wird. Reinen Wolframdraht findet man z. B. in der Funktechnik, er wird dort u. a. zum Erhitzen der Kathoden in Röhren verwendet. Im Übrigen lässt sich Wolfram mit keinem anderen Metall legieren, da es einen so hohen Schmelzpunkt (δSchm = 3422 °C) hat, bei dem andere Metalle bereits verdampfen.Schichtwiderstände
Während die Drahtwiderstände vornehmlich als Leistungswiderstände eingesetzt werden, ist diese Widerstandsart im Bereich kleiner Leistungen wie z. B. in der Elektronik eher unüblich. Hier werden oft keramische und so genannte Schichtwiderstände eingesetzt:- Kohleschichtwiderstand,
- Metallschichtwiderstand,
- Metalloxid-Schichtwiderstand,
- Cermet- (auch Dickschicht-)Widerstand,
- Fotowiderstand (kurz LDR, lichtabhängiger Widerstand, zum Beispiel aus einer Cadmiumsulfid-Schicht).