Свойства материала нагревательного элемента сужают выбор до нескольких материалов. Наиболее распространенными материалами являются никель-хром, железо-хром-алюминиевый сплав, силицид молибдена и карбид кремния. Эти материалы могут работать при высоких температурах из-за их способности противостоять высокотемпературному окислению. Другая группа состоит из графита, молибдена, вольфрама и тантала. Эти материалы окисляются при высоких температурах и в основном используются в вакуумных средах или печах с бескислородной атмосферой.
Никель-хромовый (Ni-Cr) сплав
Благодаря своей пластичности, высокому удельному сопротивлению и стойкости к окислению даже при высоких температурах этот тип является одним из наиболее широко используемых материалов для нагревательных элементов. Наиболее распространен состав никель-хромовых сплавов 80/20 или 80 процентов никеля, 20 процентов хрома. Остальные составы зависят от производителя. Из-за высокой пластичности его часто втягивают в проволоку при использовании в качестве нагревательного элемента. Распространенным применением, демонстрирующим это свойство, являются резаки пены с горячей проволокой. Максимальная температура нагрева никель-хромовой проволоки составляет от 1100 до 1200 градусов.
Сплав железо-хром-алюминий (Fe-Cr-Al)
Химический состав этого типа ферритного сплава железа, хрома и алюминия обычно составляет от 20 до 24 процентов хрома, 4-6 процента алюминия и железа в качестве маржи. По сравнению с никель-хромовыми, железо-хромо-алюминиевые нагреватели более эластичны и имеют меньший вес. Они также могут создавать более высокие температуры, чем никель-хромовая проволока, от 1300 до 1400 градусов. Из-за металла на основе железа цена на этот сплав колеблется меньше, чем на Ni-Cr, который в основном состоит из никеля. Недостатком использования сплавов железо-хром-алюминий является то, что они имеют пониженную прочность при более высоких температурах.
Сплавы железа, хрома и алюминия можно улучшить с помощью процесса, называемого порошковой металлургией. В этом процессе слитки сплава превращаются в порошок и прессуются в формы. Затем его спекают или подвергают горячему прессованию (горячее изостатическое прессование) в атмосфере с контролируемой температурой для создания металлургической связи без полного расплавления порошкообразного металла. В смесь сплавов добавляют дисперсии для улучшения механических свойств материала, тем самым придавая дополнительную прочность и ударную вязкость при более высоких температурах.
Дисилицид молибдена (MoSi2)
Дисилицид молибдена представляет собой огнеупорный кермет (металлокерамический композит), используемый в основном в качестве материала нагревательного элемента. Благодаря высокой температуре плавления и хорошей коррозионной стойкости это идеальный материал для высокотемпературных печей. Нагревательные элементы из силицида молибдена производятся с помощью различных энергоемких процессов, таких как механическое сплавление, синтез путем сжигания, ударный синтез и горячее изостатическое прессование.
Нагреватели MoSi₂ могут достигать температуры нагрева до 1900 градусов. Недостатками использования силицида молибдена являются его низкая ударная вязкость и высокотемпературная ползучесть в условиях окружающей среды. Он хрупок при комнатной температуре и требует очень осторожного обращения. Более высокая ударная вязкость достигается при температуре хрупко-вязкого перехода около 1,000 градуса. С другой стороны, более высокая скорость ползучести приводит к тому, что нагревательный элемент легко деформируется при высоких температурах. Наиболее распространенным типом элемента MoSi2 является 2-шпилька с ручкой, которая обычно подвешивается к своду печи и располагается вокруг стенки печи. Другие формы часто используются в сочетании с формовочными элементами для керамической изоляции, чтобы обеспечить механическую поддержку и теплоизоляцию в виде интегрированного пакета.
Карбид кремния (SiC)
Это керамика, полученная рекристаллизацией или реакционным объединением зерен SiC при температуре выше 2100 градусов. Нагревательные элементы из карбида кремния являются пористыми (обычно 8-25 процентов), в которых атмосфера внутри печи может реагировать через поперечное сечение материала. Весь нагревательный элемент может постепенно окисляться, что приводит к увеличению характеристик сопротивления элемента с течением времени (часто называемому «старением»). Часто требуется источник переменного напряжения для увеличения напряжения элемента в течение срока службы элемента на постепенно поддерживая желаемую мощность элемента. Это старение в конечном итоге ограничивает срок службы и производительность нагревательного элемента.
Карбид кремния обладает многими свойствами, которые делают его пригодным для изготовления нагревательных элементов, рассчитанных на чрезвычайно высокие рабочие температуры. Эта керамика не имеет жидкой фазы. Это означает, что элементы не провисают и не деформируются из-за ползучести при любых температурах, а внутри печи не требуется опоры. Карбид кремния непосредственно сублимируется при температуре около 2700 градусов. Кроме того, он химически инертен к большинству технологических жидкостей, обладает высокой жесткостью и низким коэффициентом теплового расширения. Нагреватели из карбида кремния могут достигать температуры нагрева примерно от 1600 до 1700 градусов.
графит
Графит — это минерал, состоящий из углерода, в котором атомы расположены в гексагональной структуре. Этот минерал, также в синтетической форме, является хорошим проводником тепла и электричества. Графит может выделять тепло при температуре выше 2,000 градусов. При высоких температурах его сопротивление значительно возрастает. Кроме того, он выдерживает термический удар и не становится хрупким даже после быстрых циклов нагревания и охлаждения. Основным недостатком использования графита является то, что он легко окисляется при температуре около 500 градусов. Дальнейшее использование в пределах этого диапазона в конечном итоге приведет к расходу материала. Графитовые нагревательные элементы часто используются в вакуумных печах, где кислород и другие газы отводятся из нагревательной камеры. Недостаток кислорода препятствует окислению не только расплавленного металла, но и самого нагревательного элемента. Графит можно использовать для герметизирующей пленки, превращенной в углеродную кристаллическую электрическую нагревательную пленку, графеновую электрическую нагревательную пленку и другие продукты для пленочных нагревателей.
