本文綜述電阻式加熱真空熱處理爐中常用的金屬和非金屬加熱元件所用的材料特性，以及各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合、常用加熱元件的結(jié)構(gòu)形式等。分析了金屬及非金屬加熱元件損耗、損壞的主要原因，給出延長加熱元件的使用壽命、減小加熱元件損耗的措施。最后為真空電阻式熱處理爐用加熱元件設(shè)計(jì)提出若干參考建議。

　　真空熱處理技術(shù)的崛起和迅猛發(fā)展，一方面源于工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，另一方面是由于真空熱處理具有其他熱處理不可比擬的一系列突出優(yōu)點(diǎn)：防止被處理的工件表面氧化、脫碳并有還原除銹作用，省去表面磨削加工工序，從而節(jié)約原材料的消耗，節(jié)省加工時(shí)間；真空脫氣作用，使材料表面純度提高，提高材料的疲勞強(qiáng)度、塑性和韌性，提高耐腐蝕性；脫脂作用，除去殘留油脂，提高產(chǎn)品質(zhì)量；處理工件無氫脆危險(xiǎn)，防止鈦和難熔金屬表面脆化；淬火變形��；與可控氣氛爐相比，不需優(yōu)質(zhì)可燃?xì)怏w氣源，蓄熱損失小，熱效率高，節(jié)省能源，可實(shí)現(xiàn)快速升溫和快速降溫；真空熱處理工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性好；操作安全，自動(dòng)化程度高，工作環(huán)境好，無污染無公害。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為缺點(diǎn)和不足在于：某些合金和元素在真空中蒸發(fā)較大，需充入惰性氣體加熱保護(hù)。

1、真空熱處理爐加熱元件材料

　　由于真空熱處理爐內(nèi)處于真空狀態(tài)，因此，加熱元件以熱輻射形式向工件傳遞熱量，此外，加熱元件的揮發(fā)速度高于普通電爐。在設(shè)計(jì)真空熱處理爐中加熱元件的材料時(shí)需要考慮：選用電阻率較高的材料；較小的電阻溫度系數(shù)；足夠的高溫機(jī)械強(qiáng)度；較小的熱膨脹系數(shù)；不與爐內(nèi)保護(hù)氣氛及爐襯等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；耐熱性；易加工性等。此外，還需根據(jù)真空熱處理爐的溫度、結(jié)構(gòu)、工藝要求、經(jīng)濟(jì)性等具體因素綜合考量后選擇加熱元件材料。

　　真空熱處理爐中的加熱元件根據(jù)材料不同可分為金屬和非金屬兩種。金屬加熱元件所用材料有：鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉬、鎢、鉭等；非金屬加熱元件有：碳化硅、二氧化鉬、石墨等。真空電阻爐內(nèi)常用電熱材料類型及特性如表1 所示。

表1 真空電阻爐內(nèi)常用電熱材料類型及特性

　　1.1、金屬材料加熱元件

　　鎳鉻、鎳鉻鐵合金具有較高而穩(wěn)定的電阻率，耐腐蝕及表面抗氧化性能好，在高溫下有較好的強(qiáng)度，抗振動(dòng)、變形性能好，有良好的加工性能和可焊性，廣泛用于工業(yè)電爐，冶金、家用電器，機(jī)械制造，發(fā)熱元件和電阻變阻器等材料。鐵鉻鋁合金是一種高電阻合金材料，具有電阻率高、電阻溫度系數(shù)小、耐高溫壽命長、重量輕、價(jià)格便宜、表面熱負(fù)荷較鎳鉻合金高等優(yōu)點(diǎn)，在大氣條件下比鎳鉻合金使用壽命長，尤其適合在含有硫和硫化合物氣氛中使用，是工業(yè)電爐，家用電器、紅外線加熱裝置中理想的發(fā)熱材料。以上兩種合金在空氣中的最高使用溫度在1100~1300℃，考慮到金屬蒸發(fā)影響，在真空中的最高使用溫度應(yīng)略有降低。

　　為了延長鐵鉻鋁合金在真空中的使用壽命，可先將由鐵鉻鋁合金制成的加熱元件在空氣中加熱到1000~1050℃，保持7~8 h，使其表面產(chǎn)生一層氧化膜。對(duì)用鎳鉻合金制成的加熱器雖然沒有保護(hù)的氧化薄膜，但在真空中仍然可以使用到1130~1170℃，而且具有良好的耐熱性與耐腐蝕性。

　　以上兩類合金材料一般適用于真空熱處理爐額定溫度低于1000℃的情況下。對(duì)于額定溫度高于1000℃甚至更高的真空熱處理爐，加熱元件則應(yīng)選取難熔金屬或非金屬材料。難熔金屬材料包括鎢、鉬、鉭、鈮、鉑等，其中前三種材料較為常見。

　　額定溫度在1000℃ ~1600℃( 少數(shù)可達(dá)1700℃)的真空爐，加熱元件材料可選擇鉬絲或鉬片作為發(fā)熱體；溫度低于2200℃情況下，可選用難熔金屬鉭作為加熱元件材料，鉭的加工性能優(yōu)于鉬，可以焊接，加工時(shí)邊角料可以回收，但是不可在氫氣氣氛下使用，但是鉭金屬很昂貴，一般只在特殊情況下用作加熱元件材料；鎢是使用溫度最高的難熔金屬，最高溫度可達(dá)2 400～2500 ℃，但由于鎢片耐沖擊力差，質(zhì)地很脆，加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋，因而成品率很低。

　　1.2、非金屬材料加熱元件

　　碳化硅材料的使用溫度高，能夠在空氣中使用， 材料價(jià)格低， 在空氣中的使用溫度可達(dá)1400℃，但在真空中元件間的電阻一致性差，易老化，新老元件不易匹配，需配調(diào)壓器，并且，材料質(zhì)脆，易斷裂，且存在連接麻煩等問題，所以真空爐中很少使用。

　　二硅化鉬材料的使用溫度高，能夠在空氣中使用，在空氣中最高使用溫度可達(dá)1700℃，并且價(jià)格低廉，使用時(shí)需要配變壓器，但考慮到材料在室溫下脆，在1300℃變軟，并且隨著真空度的提高，元件的最高使用溫度會(huì)隨之下降，故在真空爐中也很少采用。

　　石墨是最常見的真空熱處理爐的非金屬加熱元件材料，具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊、高溫機(jī)械強(qiáng)度好、加工性能好、價(jià)格低廉、線膨脹系數(shù)接近零、電阻溫度系數(shù)小、容易得到高溫、熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，在真空熱處理爐中得到廣泛應(yīng)用。

　　此外，使用石墨加熱元件，可以使?fàn)t內(nèi)氣氛中含有低濃度的碳與殘余氣體中的氧氣和水蒸氣分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生凈化效果，并能與已氧化的金屬發(fā)生還原反應(yīng)，起到一定的除銹作用。

2、真空熱處理爐加熱元件結(jié)構(gòu)形式

　　加熱元件的結(jié)構(gòu)形式直接影響真空熱處理爐的效率及使用壽命，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為合理選擇加熱體的結(jié)構(gòu)形式也是真空熱處理爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為片狀、板狀如圖1、帶狀如圖2、絲狀、鼠籠棒狀、網(wǎng)狀、棒狀如圖3等。

圖1 石墨板材

圖2 鎳鉻帶材

　　為了避免鎳鉻合金加熱元件在真空中放電，一般采用低電壓，同時(shí)不能用螺旋狀電熱絲結(jié)構(gòu)，因?yàn)槁菪�結(jié)構(gòu)間距較小，容易產(chǎn)生放電和熱變形引起短路。高熔點(diǎn)金屬鉬、鉭、鎢以線、帶、板狀做加熱器，它的結(jié)構(gòu)形式很多，但總的一般希望盡量減少與耐火材料、絕緣材料的接觸，以免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低加熱器的壽命。常用鎢絲制成鼠籠(三相或單相)狀發(fā)熱體，為了提高鎢絲的輻射面，充分發(fā)揮鎢絲材料的特性，可將單根鎢絲繞制成鎢絲網(wǎng)，再組成筒狀的加熱器，近年來，一些生產(chǎn)廠家研制出鎢絲筐發(fā)熱體，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為它具有耐高溫、抗變性、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

圖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、帶等形狀，因此石墨加熱器的結(jié)構(gòu)型式更是多種多樣的。對(duì)于用石墨管、棒、筒制成的加熱器大部分用石墨聯(lián)接塊聯(lián)接，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮安裝、維修方便，目前大部分采用研配的方式。對(duì)用石墨布或石墨帶制成的加熱器可以用石墨夾板或石墨楔塊加以固定。對(duì)于用石墨板制成的加熱器的聯(lián)接方式更加簡單，可將石墨板通過鉬螺桿與水冷電極直接聯(lián)接起來。

3、真空熱處理爐加熱元件損耗、損壞分析

　　由高熔點(diǎn)金屬制成的加熱元件會(huì)隨著真空度和溫度的升高而蒸發(fā)加劇，如鉬在1800℃、鉭在2200℃、鎢在2400℃以上使用時(shí)，蒸發(fā)更為劇烈。石墨的熔點(diǎn)很高為3700℃，但其在真空中使用溫度超過2400℃時(shí)也會(huì)迅速蒸發(fā)，為了抑制加熱元件在真空中的蒸發(fā)，可在爐內(nèi)通入一定壓力的惰性氣體或高純氮?dú)�。用高熔點(diǎn)金屬鉬、鎢、鉭制成的加熱元件，在氧化和滲碳?xì)夥罩卸紩?huì)發(fā)生反應(yīng)，因此不能在上述氣氛中使用。鉬在氧化性氣氛中會(huì)生成極易升華的氧化鉬，在滲碳性氣氛中會(huì)生成高電阻率的碳化物，甚至造成電熱元件斷裂。

　　石墨材料作為加熱元件在較低溫度使用時(shí)，其蒸發(fā)損失很小，損壞多由于材料性能、應(yīng)力損壞、氧化速度、機(jī)械電氣故障引起的損壞。石墨材料的材質(zhì)對(duì)加熱元件有較大影響，如果選擇顆粒過粗，材質(zhì)不均勻的石墨材料做加熱元件，局部缺陷會(huì)導(dǎo)致局部電阻過大，產(chǎn)生局部過熱，導(dǎo)致使用壽命下降，甚至?xí)�燒斷加熱器；石墨加熱器工作時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損壞。石墨在低溫時(shí)導(dǎo)熱性能良好，在高溫時(shí)就下降為低溫時(shí)的幾分之一，造成石墨加熱元件表面和心部的溫度差，使斷面伸長不一，產(chǎn)生熱應(yīng)力，損壞加熱元件；石墨加熱器的氧化生成物容易散逸，不會(huì)形成致密氧化膜保護(hù)層，從而使氧化連續(xù)進(jìn)行，如果爐內(nèi)密封不好或惰性氣體純度不夠會(huì)加劇石墨加熱元件的氧化；爐內(nèi)工件材料揮發(fā)凝結(jié)使石墨加熱元件與絕緣件連電短路也會(huì)損壞石墨加熱元件；當(dāng)石墨加熱元件與其它金屬零件相互連接時(shí)，由于線膨脹系數(shù)差別大造成應(yīng)力，使石墨件受擠壓或拉伸，加快石墨加熱元件斷裂；此外石墨件加工、安裝質(zhì)量對(duì)石墨加熱元件的使用壽命也有十分顯著的影響，石墨件接觸面光滑程度不夠會(huì)使接觸電阻過大，燒壞石墨加熱元件，安裝時(shí)過松會(huì)出現(xiàn)由于接觸不良而產(chǎn)生的拉弧，從而燒壞加熱器和接頭，過緊則會(huì)由于石墨材料的塑性差而使其受力損壞。

4、結(jié)論

　　在設(shè)計(jì)真空爐加熱元件時(shí)，要綜合考量加熱元件材料特性以及工藝過程中材料受到的影響：

　�、僬婵諣t的工作溫度是否會(huì)使加熱元件材料產(chǎn)生劇烈蒸發(fā)，是否會(huì)使其產(chǎn)生強(qiáng)度上的變化，這種變化對(duì)加熱元件的影響是有利的還是不利的；

　　②工作氣氛是否在真空爐溫度變化范圍內(nèi)與加熱元件產(chǎn)生反應(yīng)，如果發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成物對(duì)整個(gè)工藝過程及設(shè)備各部件有哪些影響；

　�、奂訜岵牧系慕Y(jié)構(gòu)和安裝形式是否會(huì)加劇加熱元件的損耗；

　�、芗訜嵩�件的材料是否是難以得到的稀有資源，是否容易加工成理想的結(jié)構(gòu)形式等。

　　最后，選擇性價(jià)比最優(yōu)的材料，以最合適的結(jié)構(gòu)形式，安裝到特定工藝過程的真空熱處理設(shè)備上，以延長加熱元件的使用壽命，既滿足工藝要求，又達(dá)到節(jié)約資源的目的。