CN104507185B - 一种石墨-钨组合发热体及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨-钨组合发热体及其制备工艺，由两个冷端和一个热端连接构成，所述热端采用石墨制成，冷端采用钨粉和润滑剂混合后再依次经145-495MPa的机械模压或冷等静压成型、1150-1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成；本发明由于钨的电阻较小，在通过大电流时冷端不易发热，这样可显著减少电能消耗，同时避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，并克服了钨单独作为发热体带来的制作和加工难度大、成本过高等问题。本发明可在真空条件下提供最高至2200℃的高温，或在中性和还原气氛下提供最高至3000℃的高温。
Description
技术领域
本发明涉及电加热材料技术领域，具体涉及一种石墨-钨组合发热体及其制备工艺。
背景技术
石墨，黑灰色，质软，有油腻感，熔点3652℃，密度2.25g·cm-3，电阻率5-13×10-6Ω·m，热导系数126W·（m·K）-1，硬度1.5。在空气或氧气中，450℃开始氧化。作为高温及超高温材料领域常被用作高温发热元件、耐高温隔热屏、熔炼电极及坩埚等。
石墨发热体的主要特点：（1）高温强度好，在常温下石墨的强度远比金属的差，但随温度的升高，其强度逐渐提高，当升至1700-2000℃时，其强度超过了所有的氧化物和金属；（2）石墨具有金属及陶瓷的某些特性，具有良好的导热、导电性；又具有多孔性和小的热膨胀系数；由于其导热性好和热膨胀系数小，这就使石墨成为最耐热震的材料之一；（3）石墨取材容易，尤其是我国的石墨资源丰富，相对价格便宜，不论是发热体或是保温屏（碳毡或石墨毡），其材料费和加工费约是钼发热体和隔热屏的1/4-1/5；与钨和钽铌相比更为廉价；（4）石墨的电阻系数小，热惯性小，可以快速加热和冷却。在被处理工件没有特殊要求的情况下作为真空炉发热体是很合适的。另外，灼热的碳发热体会与残余气体中氧、水蒸气反应生成CO和CO2，随时被真空泵抽走，残余的气体是还原性气氛，如在石墨发热体的真空淬火炉中，其真空度只有65Pa左右，而被处理的工件仍可获得光亮的表面状态。这样简化了真空系统的配置，可大大降低炉子的成本，这是其他任何金属发热体所不能比拟的；（5）由于石墨纤维编织物（如石墨布、石墨带等）出现，作为真空炉发热体更理想，其具有耐高温、不变形、耐冲击性好、辐射面积大、柔性好、便于加工和安装等优点。
金属钨，钢灰色或银白色，熔点3415℃，密度19.5g·cm-3，电阻率5.48×10-8Ω·m，热导系数160W·（m·K）-1，硬度7.5。钨的化学性质稳定，常温下，不跟空气和水反应，任何浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、王水及碱溶液对钨都不起作用。在空气或氧气中，400℃开始氧化。作为一种难熔金属，钨最重要的优点是有良好的高温强度，对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能，钨只有在1000℃以上才出现氧化物挥发和液相氧化物。但是，它同时也具有塑性－脆性转变温度较高，在室温下难以塑性加工的缺点。主要用途为制造灯丝、发热元件、高速切削合金钢和超硬模具,也用于光学仪器，化学仪器。钨制品通常是将钨粉置于模具中加压成型后，在还原气氛中高温烧结而成。
现有的石墨发热体，其电极端和发热端均为石墨，在保证发热效率的情况下为了减少电极发热，往往采取增大电极尺寸的方法，然而电极尺寸增大的倍数是有限的，在大电流通过电极过程中，电极仍会发热，为了降低电极温度，需要增加冷却装置对石墨电极进行冷却，导致电炉结构复杂；由于发热体的热端与冷端（即电极）材料相同，热端发热的能量主要来源于大电流所产生的能量转化，能耗增加。钨单独作为发热体时，因其制作和加工难度较大，成本过高，使其应用受到严重制约。
由石墨和钨的物理性质可知，石墨与钨的熔点都非常高，且石墨的电阻率约为钨的100倍左右。因此，由石墨作为热端和钨作为冷端组成的发热体，由于钨的电阻较小，在通过大电流时冷端不易发热，可显著减少能量消耗，也避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，同时还克服了钨单独作为发热体带来的制作和加工难度大、成本过高等问题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种石墨-钨组合发热体及其制备工艺。所采用的技术方案是：一种石墨-钨组合发热体，由两个冷端和一个连接冷端的热端构成，所述热端采用石墨制成，冷端采用粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后再依次经145-495MPa的机械模压成型、1150-1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成，所述钨粉和润滑剂混合后润滑剂所占混合物总重的2-10%；所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液、石蜡质量浓度为4-5%的汽油溶液中的一种或两种任意比例的混合；或采用粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉经145-495MPa的冷等静压成型、1150-1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成，所述机械模压成型或冷等静压成型后的低温烧结和高温烧结均在氢气气氛中进行。
所述冷端和热端连接后为同轴直线形或U形。
所述冷端的横截面积大于或等于热端的横截面积。
所述热端垂直于两个冷端的轴向。
所述的热端的横断面为圆形或正多边形，冷端的横断面为圆形、正多边形或棱形。
所述热端采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成。
上述石墨-钨组合发热体的制备工艺，包括以下步骤：
1）取石墨材料作为热端材料，按照实际需求加工成热端组件，备用；
2）冷端组件的制备
取粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后依次经145-495MPa的机械模压成型、1150-1300℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件；
其中，所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液、石蜡质量浓度为4-5%的汽油溶液中的一种或两种任意比例的混合，且润滑剂的重量为钨粉和润滑剂混合后总重的2-10%；
或取粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉依次经145-495MPa的冷等静压成型、1150-1300℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件；
所述机械模压成型或冷等静压成型后的低温烧结和高温烧结均在氢气气氛中进行，且低温烧结的时间为30-120min，高温烧结的时间为12-20min；
3）在热端组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷端组件的一端端面开孔并加工与热端组件相互配合的外螺纹，然后将热端组件和冷端组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
有益效果：本发明是利用石墨的电阻率远大于钨，以及二者超高熔点等特点，由石墨作为热端和钨材料作为冷端所组成的发热体，其优点是，由于钨的电阻较小，在通过大电流时不易发热，可显著减少电能消耗，同时避免了单纯由石墨材质做成电极带来的体积较大及易发热等问题，并克服了钨单独作为发热体带来的制作和加工难度大、成本过高等问题。本发明的产品可在真空条件下提供最高至2200℃的高温，或在中性和还原气氛下提供最高至3000℃的高温。
附图说明
图1-7为本发明产品的几种不同形状结构图；
附图标记：1、冷端，2、热端。
具体实施方式
实施例1
一种石墨-钨组合发热体，由两个冷端和一个连接冷端的热端构成，且冷端的横截面积大于或等于热端的横截面积，连接之后的形状可以是同轴直线形、U形等任意形状，或者连接后热端垂直于两个冷端的轴向；所述热端采用石墨制成，石墨优选为比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨；冷端采用粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后再依次经145MPa的机械模压、1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成，所述钨粉和润滑剂混合后润滑剂所占混合物总重的10%，所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液或石蜡质量浓度为4%的汽油溶液中的一种。
所述的热端和冷端的形状可以做成任意形状，但热端的横断面优选形状为圆形或正多边形，冷端的横断面优选形状为圆形、正多边形或棱形。
上述的石墨-钨组合发热体的制备工艺，包括以下步骤：
1）取石墨材料作为热端材料，按照实际需求加工成热端组件，备用；
2）取粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后依次经145MPa的机械模压成型、1300℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件，备用；
其中，所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液或石蜡质量浓度为4%的汽油溶液中的一种，且润滑剂的重量为钨粉和润滑剂混合后总重的10%；
3）在热端组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷端组件的一端端面开孔并加工与热端组件相互配合的外螺纹，然后将热端组件和冷端组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
实施例2
一种石墨-钨组合发热体，由两个冷端和一个连接冷端的热端构成，且冷端的横截面积大于或等于热端的横截面积，连接之后的形状可以是同轴直线形、U形等任意形状，或者连接后热端垂直于两个冷端的轴向；所述热端采用石墨制成，石墨优选为比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨；冷端采用粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后再依次经495MPa的机械模压成型、1150℃低温烧结和3000℃高温烧结而成。
所述的热端和冷端的形状可以做成任意形状，但热端的横断面优选形状为圆形或正多边形，冷端的横断面优选形状为圆形、正多边形或棱形。
上述的石墨-钨组合发热体的制备工艺，包括以下步骤：
1）取石墨材料作为热端材料，按照实际需求加工成热端组件，备用；
2）取粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后经495MPa的机械模压成型、1150℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件，备用；所述钨粉和润滑剂混合后润滑剂所占混合物总重的10%，所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液或石蜡质量浓度为4%的汽油溶液中的一种。
3）在热端组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷端组件的一端端面开孔并加工与热端组件相互配合的外螺纹，然后将热端组件和冷端组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
实施例3
一种石墨-钨组合发热体，由两个冷端和一个连接冷端的热端构成，且冷端的横截面积大于或等于热端的横截面积，连接之后的形状可以是同轴直线形、U形等任意形状，或者连接后热端垂直于两个冷端的轴向；所述热端采用石墨制成，石墨优选为比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨；冷端采用粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉经320MPa的冷等静压成型、1225℃低温烧结和3000℃高温烧结而成。
所述的热端和冷端的形状可以做成任意形状，但热端的横断面优选形状为圆形或正多边形，冷端的横断面优选形状为圆形、正多边形或棱形。
上述的石墨-钨组合发热体的制备工艺，包括以下步骤：
1）取石墨材料作为热端材料，按照实际需求加工成热端组件，备用；
2）取粒径为2-10微米、纯度为99.9%的钨粉依次经320MPa的冷等静压成型、1225℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件，备用；
3）在热端组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷端组件的一端端面开孔并加工与热端组件相互配合的外螺纹，然后将热端组件和冷端组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
Claims (6)
1.一种石墨-钨组合发热体，由两个冷端（1）和一个连接冷端（1）的热端（2）构成，其特征在于：所述热端（2）采用比表面积为2-7㎡/g、真密度为1.8-2.67g/cm3、碳含量为60-96％的石墨制成，冷端（1）采用粒径为2-10、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后再依次经145-495MPa的机械模压成型、1150-1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成，所述钨粉和润滑剂混合后润滑剂所占混合物总重的2-10%；所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液、石蜡质量浓度为4-5%的汽油溶液中的一种或两种任意比例的混合；或采用粒径为2-10、纯度为99.9%的钨粉经145-495MPa的冷等静压成型、1150-1300℃低温烧结和3000℃高温烧结而成，所述机械模压成型或等静压成型后的低温烧结和高温烧结均在氢气气氛中进行。
2.如权利要求1所述的石墨-钨组合发热体，其特征在于：所述冷端（1）和热端（2）连接后为同轴直线形或U形。
3.如权利要求1所述的石墨-钨组合发热体，其特征在于：所述冷端（1）的横截面积大于或等于热端（2）的横截面积。
4.如权利要求1所述的石墨-钨组合发热体，其特征在于：所述热端（2）垂直于两个冷端（1）的轴向。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的石墨-钨组合发热体，其特征在于：所述的热端（2）的横断面为圆形或正多边形，冷端（1）的横断面为圆形、正多边形或棱形。
6.如权利要求1-4中任一权利要求所述的石墨-钨组合发热体的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）取石墨材料作为热端材料，按照实际需求加工成热端组件，备用；
2）冷端组件的制备
取粒径为2-10、纯度为99.9%的钨粉和润滑剂混合后依次经145-495MPa的机械模压成型、1150-1300℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件；
其中，所述润滑剂为重量比1.5：1的甘油和乙醇混合溶液、石蜡质量浓度为4-5%的汽油溶液中的一种或两种任意比例的混合，且润滑剂的重量为钨粉和润滑剂混合后总重的2-10%；
或取粒径为2-10、纯度为99.9%的钨粉依次经145-495MPa的等静压成型、1150-1300℃的低温烧结和3000℃的高温烧结而成，然后再按照实际需求加工成冷端组件；
所述机械模压成型或等静压成型后的低温烧结和高温烧结均在氢气气氛中进行；
3）在热端组件的两个端面上开孔并加工内螺纹，在冷端组件的一端端面开孔并加工与热端组件相互配合的外螺纹，然后将热端组件和冷端组件洗净、晾干，最后组装得到发热体。
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Patent Citations (5)
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