真空电阻炉加热元件的研究与应用进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳真空技术研究所 作者:苏天一

  本文综述电阻式加热真空热处理炉中常用的金属和非金属加热元件所用的材料特性,以及各种材料的优缺点、适用场合、常用加热元件的结构形式等。分析了金属及非金属加热元件损耗、损坏的主要原因,给出延长加热元件的使用寿命、减小加热元件损耗的措施。最后为真空电阻式热处理炉用加热元件设计提出若干参考建议。

  真空热处理技术的崛起和迅猛发展,一方面源于工业技术发展的需要,另一方面是由于真空热处理具有其他热处理不可比拟的一系列突出优点:防止被处理的工件表面氧化、脱碳并有还原除锈作用,省去表面磨削加工工序,从而节约原材料的消耗,节省加工时间;真空脱气作用,使材料表面纯度提高,提高材料的疲劳强度、塑性和韧性,提高耐腐蚀性;脱脂作用,除去残留油脂,提高产品质量;处理工件无氢脆危险,防止钛和难熔金属表面脆化;淬火变形小;与可控气氛炉相比,不需优质可燃气体气源,蓄热损失小,热效率高,节省能源,可实现快速升温和快速降温;真空热处理工艺的稳定性和重复性好;操作安全,自动化程度高,工作环境好,无污染无公害。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为缺点和不足在于:某些合金和元素在真空中蒸发较大,需充入惰性气体加热保护。

1、真空热处理炉加热元件材料

  由于真空热处理炉内处于真空状态,因此,加热元件以热辐射形式向工件传递热量,此外,加热元件的挥发速度高于普通电炉。在设计真空热处理炉中加热元件的材料时需要考虑:选用电阻率较高的材料;较小的电阻温度系数;足够的高温机械强度;较小的热膨胀系数;不与炉内保护气氛及炉衬等发生化学反应;耐热性;易加工性等。此外,还需根据真空热处理炉的温度、结构、工艺要求、经济性等具体因素综合考量后选择加热元件材料。

  真空热处理炉中的加热元件根据材料不同可分为金属和非金属两种。金属加热元件所用材料有:镍铬合金、铁铬铝合金、铂、钼、钨、钽等;非金属加热元件有:碳化硅、二氧化钼、石墨等。真空电阻炉内常用电热材料类型及特性如表1 所示。

表1 真空电阻炉内常用电热材料类型及特性

真空电阻炉加热元件的研究与应用进展

  1.1、金属材料加热元件

  镍铬、镍铬铁合金具有较高而稳定的电阻率,耐腐蚀及表面抗氧化性能好,在高温下有较好的强度,抗振动、变形性能好,有良好的加工性能和可焊性,广泛用于工业电炉,冶金、家用电器,机械制造,发热元件和电阻变阻器等材料。铁铬铝合金是一种高电阻合金材料,具有电阻率高、电阻温度系数小、耐高温寿命长、重量轻、价格便宜、表面热负荷较镍铬合金高等优点,在大气条件下比镍铬合金使用寿命长,尤其适合在含有硫和硫化合物气氛中使用,是工业电炉,家用电器、红外线加热装置中理想的发热材料。以上两种合金在空气中的最高使用温度在1100~1300℃,考虑到金属蒸发影响,在真空中的最高使用温度应略有降低。

  为了延长铁铬铝合金在真空中的使用寿命,可先将由铁铬铝合金制成的加热元件在空气中加热到1000~1050℃,保持7~8 h,使其表面产生一层氧化膜。对用镍铬合金制成的加热器虽然没有保护的氧化薄膜,但在真空中仍然可以使用到1130~1170℃,而且具有良好的耐热性与耐腐蚀性。

  以上两类合金材料一般适用于真空热处理炉额定温度低于1000℃的情况下。对于额定温度高于1000℃甚至更高的真空热处理炉,加热元件则应选取难熔金属或非金属材料。难熔金属材料包括钨、钼、钽、铌、铂等,其中前三种材料较为常见。

  额定温度在1000℃ ~1600℃( 少数可达1700℃)的真空炉,加热元件材料可选择钼丝或钼片作为发热体;温度低于2200℃情况下,可选用难熔金属钽作为加热元件材料,钽的加工性能优于钼,可以焊接,加工时边角料可以回收,但是不可在氢气气氛下使用,但是钽金属很昂贵,一般只在特殊情况下用作加热元件材料;钨是使用温度最高的难熔金属,最高温度可达2 400~2500 ℃,但由于钨片耐冲击力差,质地很脆,加工时易产生裂纹,因而成品率很低。

  1.2、非金属材料加热元件

  碳化硅材料的使用温度高,能够在空气中使用, 材料价格低, 在空气中的使用温度可达1400℃,但在真空中元件间的电阻一致性差,易老化,新老元件不易匹配,需配调压器,并且,材料质脆,易断裂,且存在连接麻烦等问题,所以真空炉中很少使用。

  二硅化钼材料的使用温度高,能够在空气中使用,在空气中最高使用温度可达1700℃,并且价格低廉,使用时需要配变压器,但考虑到材料在室温下脆,在1300℃变软,并且随着真空度的提高,元件的最高使用温度会随之下降,故在真空炉中也很少采用。

  石墨是最常见的真空热处理炉的非金属加热元件材料,具有耐高温、热膨胀小、抗热冲击、高温机械强度好、加工性能好、价格低廉、线膨胀系数接近零、电阻温度系数小、容易得到高温、熔点高等优点,在真空热处理炉中得到广泛应用。

  此外,使用石墨加热元件,可以使炉内气氛中含有低浓度的碳与残余气体中的氧气和水蒸气分子发生反应,产生净化效果,并能与已氧化的金属发生还原反应,起到一定的除锈作用。

2、真空热处理炉加热元件结构形式

  加热元件的结构形式直接影响真空热处理炉的效率及使用寿命,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为合理选择加热体的结构形式也是真空热处理炉设计的关键问题之一。根据结构形式不同可分为片状、板状如图1、带状如图2、丝状、鼠笼棒状、网状、棒状如图3等。

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图1 石墨板材

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图2 镍铬带材

  为了避免镍铬合金加热元件在真空中放电,一般采用低电压,同时不能用螺旋状电热丝结构,因为螺旋结构间距较小,容易产生放电和热变形引起短路。高熔点金属钼、钽、钨以线、带、板状做加热器,它的结构形式很多,但总的一般希望尽量减少与耐火材料、绝缘材料的接触,以免发生化学反应,降低加热器的寿命。常用钨丝制成鼠笼(三相或单相)状发热体,为了提高钨丝的辐射面,充分发挥钨丝材料的特性,可将单根钨丝绕制成钨丝网,再组成筒状的加热器,近年来,一些生产厂家研制出钨丝筐发热体,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为它具有耐高温、抗变性、使用寿命长等优点。

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图3 石墨棒材

  石墨由于加工性能良好,它可以制成板、管、棒、筒、布、带等形状,因此石墨加热器的结构型式更是多种多样的。对于用石墨管、棒、筒制成的加热器大部分用石墨联接块联接,在结构上应考虑安装、维修方便,目前大部分采用研配的方式。对用石墨布或石墨带制成的加热器可以用石墨夹板或石墨楔块加以固定。对于用石墨板制成的加热器的联接方式更加简单,可将石墨板通过钼螺杆与水冷电极直接联接起来。

3、真空热处理炉加热元件损耗、损坏分析

  由高熔点金属制成的加热元件会随着真空度和温度的升高而蒸发加剧,如钼在1800℃、钽在2200℃、钨在2400℃以上使用时,蒸发更为剧烈。石墨的熔点很高为3700℃,但其在真空中使用温度超过2400℃时也会迅速蒸发,为了抑制加热元件在真空中的蒸发,可在炉内通入一定压力的惰性气体或高纯氮气。用高熔点金属钼、钨、钽制成的加热元件,在氧化和渗碳气氛中都会发生反应,因此不能在上述气氛中使用。钼在氧化性气氛中会生成极易升华的氧化钼,在渗碳性气氛中会生成高电阻率的碳化物,甚至造成电热元件断裂。

  石墨材料作为加热元件在较低温度使用时,其蒸发损失很小,损坏多由于材料性能、应力损坏、氧化速度、机械电气故障引起的损坏。石墨材料的材质对加热元件有较大影响,如果选择颗粒过粗,材质不均匀的石墨材料做加热元件,局部缺陷会导致局部电阻过大,产生局部过热,导致使用寿命下降,甚至会烧断加热器;石墨加热器工作时产生的热应力会对其产生损坏。石墨在低温时导热性能良好,在高温时就下降为低温时的几分之一,造成石墨加热元件表面和心部的温度差,使断面伸长不一,产生热应力,损坏加热元件;石墨加热器的氧化生成物容易散逸,不会形成致密氧化膜保护层,从而使氧化连续进行,如果炉内密封不好或惰性气体纯度不够会加剧石墨加热元件的氧化;炉内工件材料挥发凝结使石墨加热元件与绝缘件连电短路也会损坏石墨加热元件;当石墨加热元件与其它金属零件相互连接时,由于线膨胀系数差别大造成应力,使石墨件受挤压或拉伸,加快石墨加热元件断裂;此外石墨件加工、安装质量对石墨加热元件的使用寿命也有十分显著的影响,石墨件接触面光滑程度不够会使接触电阻过大,烧坏石墨加热元件,安装时过松会出现由于接触不良而产生的拉弧,从而烧坏加热器和接头,过紧则会由于石墨材料的塑性差而使其受力损坏。

4、结论

  在设计真空炉加热元件时,要综合考量加热元件材料特性以及工艺过程中材料受到的影响:

  ①真空炉的工作温度是否会使加热元件材料产生剧烈蒸发,是否会使其产生强度上的变化,这种变化对加热元件的影响是有利的还是不利的;

  ②工作气氛是否在真空炉温度变化范围内与加热元件产生反应,如果发生反应,反应生成物对整个工艺过程及设备各部件有哪些影响;

  ③加热材料的结构和安装形式是否会加剧加热元件的损耗;

  ④加热元件的材料是否是难以得到的稀有资源,是否容易加工成理想的结构形式等。

  最后,选择性价比最优的材料,以最合适的结构形式,安装到特定工艺过程的真空热处理设备上,以延长加热元件的使用寿命,既满足工艺要求,又达到节约资源的目的。

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