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电阻加热元件

阅读：349发布：2021-03-03

IPRDB可以提供电阻加热元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种电阻元件,其主要包含化学式为Mo(Si1－xAlx)2的硅化物相,这种物相在元件的表面上形成氧化铝。这种元件将用于有关金属粉末烧结的领域。由于它具有在表面上形成氧化铝层的令人惊异的优越能力,这种材料在超过1500℃高温下,在还原性和氧化性两种气氛中均表现出很强的抗腐蚀性。，下面是电阻加热元件专利的具体信息内容。

1.一种电阻元件，其主要包含化学式为Mo(Si1-xAlx)2的硅化物相，该物 相在所述元件的表面上形成氧化铝，而且所述元件用于有关金属粉末烧结 的领域。

2.如权利要求1所述的电阻元件，其特征在于，钼部分地被钨代替， 形成化学式为Mo1-yWy(Si1-xAlx)2的硅化物相，该物相在所述元件的表面上形 成氧化铝。

3.如权利要求1所述的电阻元件，其特征在于，x的值在0.10和0.60之 间，优选在0.20和0.55之间。

4.如权利要求2的电阻元件，其特征在于，y的值在0和0.40之间，优选 在0.05和0.20之间。

5.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，硅化物相的 量为所述电阻元件总重量的65-95wt％，优选75-85wt％。

6.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，所述元件除 所述硅化物相之外还包含0-40vol％的Al2O3，优选为10-20vol％。

7.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，所述元件中 除所述硅化物相和Al2O3之外，还包含余量的SiO2。

8.一种金属粉末，它是通过前述权利要求中任何一项的电阻元件的帮 助而烧结成的，其特征在于，它是铁基型合金。

9.如权利要求8所述的金属粉末，其特征在于，所述的合金是一种不 锈钢。

10.如权利要求8所述的金属粉末，其特征在于，所述的合金是 AISI316L。

11.一种烧结金属粉末的方法，其中使用一种包含硅化钼的加热元件 作为热源，其特征在于，所述加热元件除了含有钼和硅以外，还与相当量 的铝和Al2O3掺和，并优化这种材料，使所述加热元件形成Mo(Si1-xAlx)2型 的铝硅化钼物相，该物相在烧结温度下稳定，并且其中的x等于0.1-0.6。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，钼部分地由钨代替，形 成一种Mo1-yWy(Si1-xAlx)2材料。

13.如权利要求10-12中任何一项所述的方法，其特征在于，x的值在0.20 和0.55之间。

14.如权利要求10-12中任何一项所述的方法，其特征在于，y的值在0 和0.40之间。

15.如权利要求10-14中任何一项所述的方法，其特征在于，该方法应 用于铁基粉末的烧结，优选不锈钢粉末的烧结。

16.如权利要求10-15中任何一项所述的方法，其特征在于，所述加热 元件除硅化物相之外还包含数量为10-20vol％的Al2O3。

说明书全文

本发明涉及一种新的硅化钼型电阻加热元件，以及将这种元件用于有 关金属粉末烧结的领域。

自从二十世纪五十年代以来，上述种类的电阻加热元件就已存在，例 如商标为Kanthal Super的电阻加热元件。这些元件通常主要含有如MoSi2相 或是MoxW1-xSi2相以及硅酸铝的氧化物相类型的金属。类似的材料能在氧化 性气氛中在元件温度高达1900℃时使用。

使其能在高温下工作的因素，除所述的材料具有超过2000℃的高熔点 之外，是二氧化硅的氧化层，氧化层形成后即迅速地使基材钝化阻止了氧 化加快，由此使加热元件能够具有较长的使用寿命。这种表面层能在多种 熔炉内和热处理气氛下给与一种持久的保护，如在空气、氧气、氮气/氢气、 裂化氨等等条件下。在这些气氛中经常限制使用的情况是，在高温下的元 件同时处于极低含量的氧，或者极低的露点这种气氛下。如果元件的露点 和温度之比例超过临界条件，氧化硅层会变得不稳定，并在经过一定时间 之后会失去对基材的任何保护。例如在氢气中，当露点低于约-30℃，元件 温度达1300℃时，这种情况就会发生。为使氧化硅层在元件温度达1450℃ 时维持稳定，露点须超过+20℃，即氢气含量须超过2.3vol％。氧化硅的稳 定性造成元件在某些方面使用的限制。

在一个应用实施例中，这些限制在烧结金属粉末生产不锈钢时充分表 现出来。AISI316L级不锈钢的零件最主要是通过粉末压制，或者通过金属 粉末注模(injection moulding)制成。在粘合剂于低温下蒸发以后，最后的 烧结经常需要在温度为1300-1360℃的还原气氛中进行。这种还原性气体可 以是纯氢，其露点为-40℃至-60℃，分别相当于水含量为0.01至0.001vol％。 为了在烧结过程中还原金属氧化物，必须采用这种低露点，并由此导致生 成一种具有高密度和良好机械性能的材料。在这样一个应用实例中，取决 于元件形状和炉子设计，元件温度应该达到1400℃和1550℃之间。而在那 些条件下，在以MoSi2为基料的加热元件上的氧化硅层肯定是不稳定的。

今天，在温度超过1250-1300℃范围下烧结金属粉末的许多熔炉中， 其所使用的加热元件主要是由钼制造的，但也有由钨制造的。这种材料的 局限性是，除其在熔炉中的总成本比较高之外，还需要在所有超过400℃的 情况下，在缺乏氧的气氛中保持元件避免发生有害的纯钼金属的氧化作用。 例如在熔炉泄漏或者其他的故障中那些元件可能因此而损坏。

在这些条件下用于电阻加热元件的其它材料可以是如FeCrAl、NiCr和 MoSi2(例如上述的Kanthal Super)等合金和金属间化合物。MoSi2材料的局 限性如上所述。FeCrAl和NiCr在空气中使用时分别在表面上形成氧化物 Al2O3和Cr2O3。在还原气氛如干的氢气中，FeCrAl的使用温度范围限制在 约1400℃，NiCr(例如商标Nicrothal 80)的使用温度范围限制在约1250℃。

对于NiCr合金，Cr2O3在高于这种温度之上时是不稳定的。对于FeCrAl， Al2O3层的确维持了稳定，可是由于接近约1500℃的熔炼温度，这种材料在 此温度下的使用寿命受到限制。这样，如果需要用FeCrAl来烧结316L，对 元件耐高温的要求将导致其使用寿命很有限。

需要使用一种能在表面上形成氧化铝同时熔解温度明显高于1500℃的 材料，并且如有必要，它可以交替地用于还原性气氛和氧化性气氛中。此 外，因为这种钼加热元件不一定总是用于缺乏氧气的气氛中，而那时它的 缺点就可消除。

现已令人吃惊地发现，通过将MoSi2与充足数量的铝以及氧化铝相掺 和，可得到一种铝硅化钼相(molybdenum alumina silicide)Mo(Si1-xAlx)2， 它在高温下的干的氢气中是稳定的。例如在1450℃的氢气中对复合材料 MoSi1.6Al0.4/Al2O3进行腐蚀性试验，在200小时以后它并未显示出任何腐 蚀，但是重量上有0.2％的轻微增加，这归因于铝硅化物中的铝氧化成三氧 化二铝。用Kanthal Super 1800(由MoSi2和约20vol％硅酸铝组成)进行的比较 试验表明，在相同条件下它被还原的重量约为30％。在这种情况下除二氧 化硅层之外，MoSi2相、Mo5Si3和Mo3Si以及含有粘合剂的硅酸铝也都被还 原。

可以设想，甚至使用其他的组合物也可得到相似的结果。例如，已经 表明：在1200℃的空气中，MoSi1.75Al0.25/Al2O3氧化形成了Al2O3。在x为0.1- 0.6时，这种六方晶系即所谓的Mo(Si，AI)2的C-40相，是稳定的。有理由设 想甚至可以用那些组合物完成本发明。x的值应在0.10-0.60，优选0.20-0.55。 毫无疑问地，在烧结金属粉末仍保持合乎需要的性质的条件下，可以由钨 代替钼，形成Mo1-yWySi1-xAlx。此方法的y值应该在0-0.4范围内，优选0.05- 0.20。在用W取代Mo后，晶体结构C11可维持不变，并且用MO1-yWySi2组合 物增加了这种加热元件的使用温度。这被应用于例如商标名为Kantahl Super 1900的加热元件中，它与Kanthal Super1800类似，在表面上形成了SiO2。 甚至熔入铝并用钨取代钼的合金Mo1-yWySi1-xAlx中也形成了类似于C-40 相。在钼-硅-铝体系中，较高x值下形成的其余相是如钼的铝化物(aluminide ofmolybdenum)，其在图1所示相图中出现在1823°K。

与本发明相关的实验工作表明：合适的硅化物相重量应为该电阻元件 总重量的65-95wt％，优选75-85wt％。

如上所述，该电阻元件除硅化物相之外也包含氧化铝。

余量为SiO2，一般在0-1wt％之间。

以上所述的发明还可以用于其他的烧结应用中，其中需要低含量的氧 气或者低露点。有时这种情况出现在钨重合金、某些钛合金和金属间化合 物以及低合金钢的粉末烧结中。例如重合金(heavy alloy)钨-铜就可在-36 ℃露点下在1400℃的氢气中烧结而成。

预计上述形成的氧化铝在高达约1595℃时是稳定的，这一温度是 SiO2-3Al2O3-2SiO2(富铝红柱石)体系的低共熔温度(eutectic temperature)。预 计这种氧化物有不同于纯氧化铝的抗腐蚀性能。当元件温度高达至少约1595 ℃时，这种材料可用作钼型加热元件的一般替代物。

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