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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstands-Heizelement für Hochtemperaturöfen, bestehend aus einem hochschmeizenden Metall aus der Gruppe W, Ta, Mo und deren Legierungen.
Derartige Heizelemente werden in Form von Drähten, Stäben, Band oder Blech eingesetzt und aufgrund ihres elektrischen Widerstandes durch direkten Stromdurchgang auf die gewünschte Heizleitertemperatur gebracht. Die Übertragung der Wärmeenergie auf das zu beheizende Gut erfolgt bel Vakuum-Hochtemperaturöfen ausschliesslich durch Wärmestrahlung, bei Luft- bzw Schutzgas-Hochtemperaturöfen überwiegend durch Wärmestrahlung und zu einem geringen Teil auch durch Konvektion.
Bei den Hochtemperaturöfen bekannter Bauart ist das zu beheizende Gut möglichst allseitig von den wärmestrahlenden Heizelementen umgeben. Das von den Heizelementen umschlossene Nutzvolumen des Ofens kann im Prinzip beliebige Ausformung haben. In der Praxis gelangen jedoch in der Regel einfache Geometrien, beispielsweise langgestreckte Quader oder langgestreckte Zylinder, zur Ausführung. Die Oberflächen der Heizelemente weisen in den überwiegenden Ausführungsformen gemäss der letzten formgebenden Fertigungsstufe (Ziehen, Walzen) des draht-, stab-, band- und/oder blechförmigen Ausgangsmateriales eine Oberflächenrauhigkeit mit typischen Ra-Werten zwischen 0, 2 und 0, 3 J. lm auf, Beim Betrieb der Heizelemente im Ofen bleiben diese Heizelemente in der Regel metallisch blank.
Dazu wird die ursprüngliche Oberflächenrauhigkeit durch Selbstglättungseffekte infolge von Oberflächendiffusion noch weiter verringert.
Die von einer heissen Oberfläche emittierte Warmestrahlung folgt dem Boitzmann-Gesetz : p
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und To die Temperatur der vom Strahler aus gesehenen Flächen Aus dieser Gleichung ist klar abzuleiten, dass das Heizelement als wärmeemittierende Fläche für eine effiziente Wärmeübertragung auf das zu beheizende Gut eine möglichst hohe thermische Emissivität, im Idealfall jene des schwarzen Strahlers mit s= 1, aufweisen sollte. Die bisher in der Ofentechnik eingesetzten Heizelemente aus hochschmelzenden Metallen weisen jedoch lediglich eine thermische Emissivität zwischen 0, 2 und 0, 4 auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Widerstands-Heizelement für Hochtemperaturofen aus einem hochschmelzenden Metall aus der Gruppe W, Ta, Mo und deren Legierungen zu schaffen, das eine wesentlich verbesserte thermische Emissivität aufweist und damit die Betnebsparameter und die Wirtschaftlichkeit des Hochtemperaturofens wesentlich verbessert
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Heizelement zumindest auf der dem zu beheizenden Gut zugewandten Oberfläche mit einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung versehen ist, die aus Re und/oder aus einem oder mehreren Nitriden, Karbiden, Boriden, Oxiden bzw.
deren Mischungen von einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W besteht, und die eine Schichtstärke zwischen 1 11m und 100 11m, sowie eine Oberflächenrauhigkeit mit einem Ra-Wert zwischen 0, 5 11m und 5 11m aufweist.
Durch die erfindungsgemässe Abstimmung der Oberflächenrauhigkeit des Heizelementes mit der Art und Schichtstärke der Beschichtung ist es überraschenderweise gelungen, ein Heizelement mit einer verbesserten thermischen Emissivität zu schaffen, bei welchem die die Emissivität erhöhende Oberflächenschicht, selbst bei den im Betrieb des Heizelementes auftretenden extremen Temperaturwechselbeanspruchungen, eine sichere Haftung auf dem Grundmaterial des Heizelementes und damit eine hohe Betriebssicherheit des Heizelementes gewährleistet.
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Heizelementes werden das unbeschichtete Heizelement bzw. die Ausgangswerkstoffe aus den hochschmelzenden Metallen in Draht-, Stab-, Bandoder Blechform durch mechanische oder chemische Oberflächenbehandlung, wie Sandstrahlen oder Beizen, auf eine Oberflächenrauhigkeit mit einem Ra-Wert zwischen 0,5 pu und 5 11m, vorzugsweise zwischen 2 ! lm und 4 gm, gebracht. Danach wird die erfindungsgemässe Oberflächenschicht mit Schichtstärken zwischen 1 jim und 100 11m durch bekannte Beschichtungsverfahren, wie CVD-Verfahren, PVD-Verfahren oder Plasmaspritzen aufgebracht.
Durch die Oberflächenschicht werden die Selbstglättungseffekte durch Oberflächendiffusion, wie sie normalerweise bei aufgerauhten Oberflächen der hochschmetzenden Metalle bei hohen Temperaturen auftreten, nahezu vollständig verhindert. Damit weist auch eine sehr dünne, z. B. mittels PVD- bzw. CVD-Verfahren beschichtete Oberfläche des Heizelementes, auch noch nach langwährendem Betrieb, im
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wesentlichen die vor der Beschichtung erzeugte ursprüngliche Oberflächenrauhigkeit auf.
Die Aufrauhung des Grundkörpers aus hochschmelzendem Metall führt damit zu einem doppelten Effekt, einmal zu einer ausgezeichneten Haftung der Oberflachenbeschichtung mit dem Grundkörper und gleichzeitig zu einer Erhöhung der effektiven thermischen Emissivität auch aufgrund der vergrösserten Oberfläche des beschichteten Heizelementes.
Darüberhinaus kann es auch sinnvoll sein, die Oberfläche des Heizelementes neben der Mikro-
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Riefen oder dgl., gezielt zu vergrössern
Der Hauptvorteil eines erfindungsgemässen Heizelementes ergibt sich während der Aufheiz- phase des Hochtemperaturofens. Die Erhöhung der Wärmestrahlungsleistung des erfindungsge- mässen Heizelementes kann dabei verfahrenstechnisch auf zweierlei Arten genutzt werden, und zwar einmal zur Beschleunigung des Aufheizvorganges bei im Vergleich zu herkömmlichen Heiz- elementen gleichgehaltener Heizleiter-Temperatur und andererseits zur Absenkung der HeizleiterTemperatur bei im Vergleich zu herkömmlichen Heizelementen gleichgehaltener Aufheizzeit.
In beiden Fällen kommt es zu einer - angesichts des bei Hochtemperaturöfen hohen Energiebedarfes - wirtschaftlich interessanten Einsparung an elektrischer Energie.
Aber auch nach erfolgter Aufheizung des Heizelementes erfolgt beim Halten der Temperatur durch das erfindungsgemässe Heizelement, eine, wenn auch geringere, Energieeinsparung im Vergleich zu den herkömmlichen Heizelementen. In diesem Fall ist der Hauptnutzungseffekt eine Vergleichmässigung der Temperaturverteilung über das Volumen der aufzuheizenden Charge, die sich direkt in einer Erhöhung des Nutzenvolumens umsetzt.
Bei besonderen Anforderungen an die Temperaturkonstanz im Ofennutzraum kann unter teilweisem Verzicht auf die genannten Vorteile die Erhöhung der Emissivität des Heizelementes auf bestimmte Bereiche, insbesondere auf die Randbereiche des Heizelementes, beschrankt werden.
Durch diese Massnahmen können achsiale Abstrahlverluste teilweise kompensiert und die achsiale Temperaturverteilung deutlich verbessert werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich bewährt, wenn die Beschichtung aus einem Karbid oder Mischkarbid von einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Tantal, Niob, Hafnium, Zirkon und Titan besteht. Aber auch Nitride und/oder Karbonitride der Metalle Hafnium und/oder Tantal, sowie Oxide oder Mischoxide der Metalle aus der Gruppe Tantal, Zirkon und Hafnium haben sich als Beschichtungsmaterialien für die erfindungsgemässen Heizelemente in hervorragender Weise bewährt.
Besonders kostengünstig ist es, wenn die Beschichtung des Heizelementes mit den Karbiden des Grundmaterials des Heizelementes erfolgt. Diese Art der Beschichtung ist auf besonders einfache Weise durch thermochemische Reaktion des unbeschichteten Heizelementes mit einem Kohlenwasserstoffgas in situ herstellbar.
Zur Verminderung der Abstrahlverluste des Heizelementes in der vom zu beheizenden Gut abgewandten Richtung ist es von Vorteil, die Oberflächen auf eine Rauhigkeit mit einem Ra-Wert von weniger als 0, 1 f ! m zu glätten und/oder die Oberfläche des hochschmelzenden Metalles mit einer Iridiumschicht zu versehen, wodurch die Oberfläche metallisch blank bleibt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert :
Für einen Hochtemperatur-Vakuumofen wurde ein erfindungsgemässes zylindrisches Heizelement aus Wolfram mit einem Heizelement-Durchmesser von 125 mm und einer Heizzonenlänge von 300 mm, das auf der dem zu beheizenden Gut zugewandten Seite eine 10 gm starke Beschichtung aus Hafniumkarbid aufweist, wie folgt hergestellt :
Die vorgefertigten Einzelteile für das Heizleiterelement in Form von rechteckigen Blechabschnitten aus 0, 8 mm starkem Wolframblech mit den Abmessungen 280 mm x 80 mm wurden auf einer Seite poliert und auf der anderen Seite durch Korundstrahlen auf eine Rauhtiefe rua = 2, 5 pm aufgerauht.
Hierauf wurden die gereinigten Blechabschnitte auf der aufgerauhten Seite mittels reaktivem Niedervolt-Bogenverdampfen von Hf in CH4-Atmosphäre mit einer 10 11m dicken Schicht aus HfC beschichtet. Der Ra-Wert der Oberflächen nach der Beschichtung lag bei 2, 3 11m
Anschliessend wurden die einzelnen Blechabschnitte mittels geeigneter Formteile aus W zu einer zylindrischen Anordnung von 125 mm Durchmesser zusammengefügt und verschweisst. Das dermassen aufgebaute Heizleiterelement wurde in einen Vakuumofen eingebaut und bei 1500 C Heizleitertemperatur über einen Zeitraum von 4 Stunden konditioniert.
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Zum Nachweis der Vorteile des erfindungsgemässen Heizelementes gegenüber einem Heizelement nach dem Stand der Technik wurden das mit HfC erfindungsgemäss beschichtete Heizelement und ein Heizelement aus dem gleichen Grundmaterial und mit den gleichen Abmessungen, jedoch ohne Oberflächenaufrauhung und Beschichtung, nacheinander In denselben Ofen einge- baut. In den Ofen wurde eine Versuchscharge bestehend aus volldichten Molybdänronden mit
100 mm Durchmesser und 15 mm Stärke, Einbauhöhe 150 mm, symmetrisch zum Mittelpunkt der Heizzone eingesetzt und temperaturgeregelt mit einer konstanten Aufheizgeschwindigkeit von 25 K/min aufgeheizt. Mittels Chargenthermometer wurde der Temperaturverlauf der Charge wahrend der Aufheizzeit gemessen.
Gleichzeitig wurden die mittlere Temperatur und die Leistungsaufnahme des jeweiligen Heizelementes aufgezeichnet.
In Figur 1 ist mit der Kurve 1 der Temperaturverlauf des unbeschichteten Heizelementes nach dem Stand der Technik, mit der Kurve 2 der Temperaturverlauf des erfindungsgemässen, mit HfC beschichteten Heizelementes und mit der Kurve 3 der Temperaturverlauf der Charge als Funktion der Zeit während eines simulierten Ofenbetriebes mit zweistündiger Aufheizphase und mit anschliessender konstanter Haltetemperatur wiedergegeben. Die Temperaturen des erfindungsgemä- ssen Heizelementes lagen während der Aufheizphase um bis zu 250 K niedriger als jene des Heizelementes entsprechend dem Stand der Technik. Durch die verringerten Abstrahlungsverluste lag der Energiebedarf beim erfindungsgemässen Heizelement in der Aufheizphase um 14 % und in der Haltephase um 8 % niedriger als beim Heizelement nach dem Stand der Technik.
Gleichzeitig war die Temperaturverteilung über die Charge bereits während der Aufheizphase als auch während der Haltephase wesentlich gleichmässiger. Für eine Haltetemperatur von 18000C konnte die Einbauhöhe der Charge unter Beibehaltung der vorgegebenen Grenzwerte der Temperaturabweichungen (+/-25 C) von 150 mm auf 180 mm erhöht werden. Alternativ ergab sich bei Beibehaltung der Chargierhöhe bei einem simulierten Sinterprozess eine unerwartete Vergleichmässigung der Qualität, gemessen an der Restporosität des Sintergutes, die auf die verbesserte Temperaturverteilung in allen Stufen des Sinterprozesses zurückgeführt wird.
Die Ursache des niedrigeren Energieverbrauchs bei erfindungsgemäss ausgeführten Heizelementen liegt überwiegend darin, dass die gleiche Strahlungsleistung bei etwa 20-30 % niedrigeren Heizelement-Temperaturen erbracht wird, so dass einerseits die Wärmeleitungsverluste über die zumeist massiven, wassergekühlten Stromzuführungen deutlich verringert werden. Zum anderen ist bei der herabgesetzten Heizelement-Temperatur die Abstrahlung auf der metallisch blanken, glatten Aussenfläche des Heizelementes wegen der vierten Potenz, mit der die Temperatur entsprechend dem Boltzmann-Gesetz eingeht, stark abgesenkt, so dass sich - in Zusammenwirkung mit den um das Heizelement angeordneten Strahlenschilden - eine deutliche Absenkung der Strahlungsverluste ergibt.
Das erfindungsgemässe Heizelement wurde zum Nachweis der Temperaturwechselfestigkeit einer zyklischen Aufheizung und Abkühlung unterworfen (50 Zyklen von 100 C auf 220 oc ; Zyklus- zeit jeweils 1 Stunde) und danach das Heizelement untersucht. Die Oberflächenschicht war an keiner Stelle des Heizelementes abgesplittert und wies eine ausgezeichnete Haftung auf dem Grundkörper auf. Die beschichteten Oberflächen des Heizelementes wiesen mit 2, 1 fJ. m nur geringfügig niedngere Ra-Werte auf als vor dem Einsatz.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Widerstands-Heizelement für Hochtemperaturöfen, bestehend aus einem hochschmeizenden Metall aus der Gruppe W, Ta, Mo und deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement zumindest auf der dem zu beheizenden Gut zugewandten Oberfla- che mit einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung versehen ist, die aus Re und/oder aus einem oder mehreren Nitriden, Karbiden, Boriden, Oxiden bzw. deren Mischungen von einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W besteht, und die eine Schichtstärke zwischen 1 im und 100 11m, sowie eine Oberflächenrauhigkeit mit einem Ra-Wert zwischen 0, 5 um und 5 m aufweist.