石墨制品真空炉电热元件常用材料的性能对比分析

石墨制品真空炉电热元件常用材料的功用对比分析
　　石墨制品真空炉电热元件的材料分为金属材料和非金属材料。金属材料包括钼、钨、钽、镍铬合金等，非金属材料包括石墨、碳化硅、二氧化钼等，本文将对金属材料的钼、钨、钽和非金属材料的石墨进行对比分析。
　　2.1、电阻率
　　材料不同，电阻率不同，跟着温度的改动，电阻率将会产生改动。电阻与材料的电阻率、长度、截面积的联系如下：
　　式中，R 为电热元件的电阻，Ω；ρ 为材料的电阻率，Ω·mm2/m；L 为电热元件长度，m；F 为电热元件截面积，mm2。
　　在规划石墨制品真空炉电热元件的时分，为了确保真空炉电热元件的额功率，使其能快速升温，便于规划设备和使其作业安稳，咱们要求电热元件电阻随温度改动较小，即要求电阻率安稳。
    钼、钨和钽随温度的升高，电阻率急剧升高，改动较大，而石墨随温度的升高改动较小，改动量只需10 % ~ 20 %。由此可见，石墨与其他三种材料比较，具有显着的优势，电阻率安稳。
　　2.2、电阻温度系数
　　电阻温度系数是影响材料电阻随温度改动的另一个重要参数，其值的大小直接影响电热元件在不同温度下的电阻值，电阻温度系数越大，随温度升高，电阻的改动就越大，然后严重影响功率的安稳性，然后使得电热元件的作业变得极不安稳。石墨、钼、钨、钽的电阻温度系数分别为：126×10-5 ℃、471×10-5 ℃、482×10-5 ℃、399×10-5 ℃，由此可以看出石墨的电阻温度系数最小，而钼、钨、钽的电阻温度系数分别抵达了石墨的3 ~ 4 倍，由此可见，用石墨制作的电热元件可以获得安稳的作业功用。
　　2.3、热胀大系数
　　在真空热处理炉电热元件规划时，热胀冷缩是一个重要要素，因为它直接影响了电热元件的寿数和运用功用，例如，在规划电热元件时，没有为热胀冷缩规划预留空间或许预留空间过小，就会导致电热元件受热后接受较大的热应力，或许电热元件直接受力开裂，损坏电热元件；相反预留空间过大，就会导致电热元件难以固定设备，设备替换困难，因此要求电热元件热胀大系数尽可能的小，而且可以安稳。为了得到四种材料的热胀大程度，我选用了GD型系列电热元件中外径为20 mm 的电热元件作为模型(GD 型电热元件和数据参数如图2 和表2 所示)，而且仅对发热部进行了建模，选用ANSYS 有限元分析的方法对其分别在1 000 ℃和2 000 ℃的温度下进行了仿真。
　　由分析效果咱们可以看到，石墨在高温时的热胀很多最少，在1 000 ℃时只需不到1.1 mm，2 000 ℃时也只需不到2.3 mm，而1 000 ℃时钽棒的胀很多为5.2 mm，2 000 ℃时抵达了10.4 mm，简直为石墨的5 倍。因此，单从热胀大的视点来看，石墨确实具有非常大的优势，是一种很好的电热元件材料
　　2.4、可加工性和高温机械强度
　　钼、钨、钽均为金属电热材料，他们都有坚固的质地，钼的硬度为5.5 HB，钨为5 ~ 5.5 HB，钽的硬度抵达了6 ~ 6.5 HB，可见，加工难度都很大；而且随温度的升高，硬度下降，高温机械强度逐渐变差。而石墨是一种非金属电热材料，质软，硬度只需1 ~ 2 HB，非常简略加工成型，而且2 500 ℃以下跟着温度的升高机械强度不断行进，在1 700 ~ 1 800 ℃抵达最佳。可见，石墨的可加工性和高温机械强度均比其他三种好，这也是石墨成为电热元件首选材料的原因之一。
　　2.5、其他要素
　　真空热处理炉是一种通过辐射加热的设备，因此电热元件的辐射功用直接抉择了电热元件的功率和功用，而辐射才华取决于物质的黑度，黑度越高，辐射才华越强，反之越弱，石墨的黑度为0.95、钼为0.1 ~ 0.3、钨为0.03 ~ 0.3、钽为0.2 ~ 0.3，石墨最大。
　　其他，真空环境下各种材料都会加快蒸腾，而且跟着真空度行进，蒸腾程度相应地行进，构成各自物质的气氛环境，约束了电热元件的运用规模，例如石墨电热元件在真空环境中蒸腾会构成碳环境，要求不能渗碳或许不能和碳反应的热处理就不能在这样的加热炉中进行。
　　材料的价格和是否丰富也常常是电热元件材料选择要考虑的要素，石墨是一种储量丰富，价格低廉的材料，相比之下，钼、钨和钽都显得较为名贵。
　　本文通过理论分析和ANSYS 的仿真分析，具体真实地反映出了常用电热元件材料的各种功用，而且通过辨证的观念进行了比较，比较后发现，石墨确实具有其他电热元件不能比较的优势，安稳的电阻率、较低的电阻温度系数、较小的热胀大系数以及较大的黑度等利益都使得它成为了电热元件材料的首选，但是因为石墨在常温下硬度较低，因此常温时石墨电热元件简略开裂损坏，在不易替换电热元件的加热炉中不宜运用。其他，石墨在真空环境下易蒸腾构成碳环境，因此某些材料不能在这样的真空炉中加工处理，一同要特别注意在选用支撑件和连接件时，要避免其与石墨反应。