CN1349371A - 电铸合金电热元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电铸合金电热元件及其制造方法,其特征在于:是由基底、绝缘层、电铸合金发热膜、电极及绝缘覆盖层这五部分组成;其中、电极与电铸合金发热膜几何图形上的任意两点或两点以上处需要施加电源的引出接线端连接;绝缘覆盖层粘贴于电铸合金发热膜上,电铸合金发热膜是通过电铸的方式直接在绝缘层上制作出来,基底与绝缘层连接。该电热元件彻底改变了目前金属管状电热元件及喷涂型电热膜的缺陷,电热交换率高(大于95%)、成本低、应用范围广,该电铸合金电热元件适用于一切电热盘、片、管、钢煲等电加热产品上。是现有电热元件的替代品。

Description

电铸合金电热元件及其制造方法

本实用新型的涉及电热领域，特别是一种电铸合金电热元件其制造方法。

目前，电热元件基本上是由两种结构的类型；一种是金属管状电热元件，此种发热元件是由金属管、填充料、发热丝及导引端等材料组成。它的性能因素受材料性能制约影响较大，限制了其功能与作用的要求与发挥，特别存在着如下的问题：(1)、电热效率低(不超过53％)；(2)、体积庞大；(3)、成本高；(4)、时效性差(随着成品后时间延长或使用时间延长之后的绝缘及耐压下降)；(5)、安全性差(泄漏电现象经常发生，爆炸、爆裂情况也屡屡出现)。鉴于这种结构上的原因，近年来，不断有涂膜式电热元件相继研制出来。如：有机型、无机型、本征型及聚合型等，有热涂式及冷涂式。但是，这些成果在应用时又出现了膜层易老化、使用寿命低、电极制作困难、面积负荷低、使用范围狭小、生产过程中成品合格率低等等不可克服的因素，至今无法大面积生产而投放市场。

本发明的目的在于提供一种电铸合金电热元件其制造方法，该电热元件彻底改变了目前金属管状电热元件及喷涂型电热膜的缺陷，电热交换率高(大于95％)、成本低、应用范围广，是现有电热元件的替代品。

本发明目的是这样实现的：一种电铸合金电热元件其制造方法，其特征在于：是由基底、绝缘层、电铸合金发热膜、电极及绝缘覆盖层这五部分组成；其中、电极与电铸合金发热膜几何图形上的任意两点或两点以上处需要施加电源的引出接线端连接；绝缘覆盖层粘贴于电铸合金发热膜上，电铸合金发热膜是通过电铸的方式直接在绝缘层上制作出来，基底与绝缘层连接。-所述的电极的材料为金属材料，形状可以是圆柱形、长方体或各种带有立体形状的结构，电极与电铸合金发热膜的连接可以是粘接或烧结或其他辅助配合连接。-所述的绝缘覆盖层的材料可为陶瓷搪瓷涂层烧结的方法实现与电铸合金发热膜的覆盖粘接；也可以通过采用涂覆玻璃粉烧结产生或采用玻璃棉、云母片一类的绝缘耐热材料直接粘接或不粘接而贴合在电铸合金发热膜上；绝缘覆盖层与电铸合金发热膜的外形相似。其作用有三点(1)保护电铸合金发热膜不磨损。(2)电铸合金发热膜在经过电极引入电源工作时对环境不产生不安全因素，主要是耐热且绝缘。(3)对电铸合金发热膜有一定的粘接定位的功能。-所述的电铸合金发热膜是通过电铸的方式直接在绝缘层上制作出来。它的几何图形可以是各种元件要求的模型，可以是规则型也可以是不规则型。-所述的绝缘层位于电铸合金发热膜与基底之间。它的作用与绝缘覆盖层相同。-所述的电铸合金电热元件在不使用基底时，绝缘层的材料可为陶瓷管、陶瓷片、玻璃片、玻璃管、云母片及耐热塑料件。-所述的基底与绝缘层的连接为粘接或烧结的方式，其材料可以是金属材料、合金材料和有色金属。其辅助作用是为提高整个元件的刚性，其主要作用是将电铸合金发热膜产生的热量通过绝缘层之后在基底上实现与被加热介质的电热能量的交换。(若不采用基底，电铸合金发热膜所产生的热量就完全通过绝缘层来实现与被加热介质之间的热交换过程)。基底的形状可以是各种要求元件的图形实体，可以是与绝缘层类似，也可以不一致。它的结构、形状及尺寸完全与所处配套使用地点场合的不同而不同。

实现电铸合金电热膜电热元件的基体流程工艺为：

基底的制作→绝缘层的制作→电铸合金发热膜的制作→电极的制作→绝缘覆盖层的制作。(注：基底的制作视绝缘层的情况而定，可有可无)。

由于有上述的构造使得本发明具有如下的优点：

1、彻底改变了目前金属电热管及喷涂型电热膜的缺陷。

2、其具有较高的电热交换率(大于95％)，是一种高效节能元件。

3、广泛应用于一切电热电热器具，适用于一切电热盘、片、管、钢煲等电加热产品上。取代现行产品，将更安全，体积更小。

4、采用该结构元件，成本将显著降低。

5、采用该结构元件的制作，将改变目前劳动密集型的生产现状。

6、该结构元件的制作过程，其基本无污染之后患。

7、该结构元件的生产过程控制可以完全实现数据化管理，所以其质量水平可以得到充分保证。

8、电铸合金电热膜元件是新技术、新材料及新工艺之集合的的新产品。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

图1：本发明之实施例的整体结构图。

图2：本发明之电铸原理结构图。

图3-图6是本发明电铸合金发热膜的部分结构图。

图中，1-电极；2-绝缘覆盖层；3-电铸合金发热膜；4-绝缘层；5-基底。

参见图2，实施例1：钢板基底的电铸合金发热膜元件工艺简介。

电铸工作原理：在图中Ec为可调电压电流恒定式直流电源，A为阳极，在电铸过程中处于氧化过程；B为阴极，此阴极是一个电热元件的模板，其材料是单独的绝缘体或金属材料和绝缘材料的复合体。当电源接通时，由于A、B之间有电解液的存在(电解液的配方另行申报专利)，电流从Ec的正极出发到阳极，阳极在电解液中发生氧化而得到电子，耳目阴极发生还原反应而失去电子，从电解液中不断吸收金属离子，而金属离子的种类和比例是按电热材料的比例和还原络合能力来配制的；阴极的还原形状又是按一定的设定目标进行的，例如：它可以是一个整平面(任意形状如：圆形、长方形、及不规则型等)，也可以是部分还原电积成膜。

在依金属材料为基础上制作电热元件的整个工艺流程：

冲压或机加工成设计的元件形状→表面涂层或浸泡烧结绝缘层→绝缘层表面涂覆金属化电极化→电铸实施→退火→电极制作→后处理→成品

由于绝缘材料品种较多，工艺不尽一致，而且绝缘层表面金属化，电极化方法较多，难以在此一一列举。仅对以下产品的工序工艺流程作以说明：

金属材料→陶瓷搪瓷玻璃涂覆烧结→表面粗化→敏化→活化→还原化学镀铜或镀镍→电铸→扩散退火→电极制作→覆盖→检测。

这是一条工业化生产电热元件用电铸工艺的详细总流程图，而在非金属绝缘材料上直接制作电热元件(例如：玻璃、陶瓷、石棉、云母、搪瓷、塑料及橡胶等)的工艺形式完全与上述相仿，而且仅仅是各工艺参数不一样而已。所以，上述所列非金属材料范围用电铸工艺内容实施的电热元件制作也属保护范围之内。

有关各工序工艺的具体实施内容及操作规定如下：因为电热元件的工作环境并非固定不变，有浸入式，有空烧型及间接加热型等等，所以有关电热元件的安全规则促使其安全指标的严酷性，因此在设计论证此工序工艺流程及参数时，对此也作了详细的研究与定论，现分别解释其原因及过程。

(1)在金属表面涂覆绝缘材料，作用是：金属材料力学强度大，安装方便，热传导性能好，一般采用铜基体材料，钢基体材料使用于电热元件的基体材料上去，而不采用铝质材料，虽然铝质材料具有良好的导热性，但它处于热量较大的环境中易熔、易变形，且刚性差，而目前涂覆绝缘层的主要材料是陶瓷、搪瓷和玻璃三大类，而搪瓷陶瓷的热膨胀系数和耐热耐冷抗冲击能力又较强，所以选用陶瓷搪瓷的涂覆烧结工艺，经实践证明比较可行而且经济。涂覆烧结层的厚度基本在0.5mm左右最为合理，而且烧结温度在600℃-820℃之间也不会破坏金属的物理性能，在0.5mm左右的厚度区间内绝缘强度可达500V/30MΩ以上，完全超过国际IEC3351-1的标准范围，金属基体表面陶瓷涂覆工艺流程及参数为：酸洗(98％H₂SO₄浸泡15分钟)→清水过滤→风干→喷涂陶瓷(80瓷喷涂压力0.15Mpa、厚度0.15mm)→820℃烧结5分钟→200℃涂瓷(喷涂压力0.10Mpa、厚度0.15mm)→720℃烧结8分钟→涂釉水(喷涂压力O.1Mpa、厚度O.15mm)→800℃烧结5分钟。

(2)在金属表面涂覆绝缘层后，要实现电铸工艺，首先要使绝缘层表面金属化。而要绝缘层金属电极化，其全过程首先采用：粗化→敏化→活化→还原，然后进行化学镀铜。

由于基体绝缘体表面采用釉水烧结，其硬度大且光滑，要粗化均匀才能实现后工序的进行。故粗化工序采用二级粗化方式，采用10％的氢氟酸浸泡3分钟后，用毛刷清洗干净后泡入混合液中(铬酐6％，硫酸30％，蒸馏水64％)浸泡30分钟后用清水冲洗干净，粗化清洗完的工件将其置于敏化液浸泡(200ml/L Hcl、50g/L氯化亚锡，适量的锡丝)，浸泡时间为5分钟，浸泡完后在清水中洗涤，严禁在自来水压力下冲洗，经敏化的工件放入活化液中浸泡5分钟(0.3-0.5％的硝酸银，氨水适量)，取出后直接放入还原液中浸泡2-3分钟(甲醛10％，其余蒸馏水)，此时工件已完成了前处理流程，直接将工件从还原液中取出放入化学镀铜容器内进行镀铜(硫酸铜7-9％，酒石酸钠40-50％，甲醛30％的浓度11-13ml/L，氢氧化钠7-9％)，浸泡的溶液要加0.1Mpa的压缩空气进行搅拌，浸泡时间为5-8分钟为宜。

(3)将化学镀铜好的工件迅速贴上成型膜片后夹持到电铸架的阴极位置上，打开电源后泡入电解液中，调节电流电压的参数开始进行电铸，电铸的电流电压参数及时间和电极间距视每个品种而调整。在电铸过程中尽量采用低电压高电流的参数进行。但不得突破V_最大3.5V，I_最大25安培/平方分米的范围。

(4)电铸完之后的工件由于存在电铸应力，要用低温(100℃-150℃)退火(3小时左右)，若电铸层厚度不够，将表面清洗之后可以再次电铸，直至符合要求为止。清洗时，首先采用PH值为12-13的碱性液中和2分钟，后用清水洗净。PH测试在6.5-7.5之间为合适。

(5)退火完全后的工件在所规定的图案两端分别制作电极，制作电极的材料原则上选用高温银浆或硝酸银；两种材料制作电极方式不同，高温银浆是印刷涂层后固化而成(固化温度250℃，时间2小时)，但用硝酸银则应用蓖麻油或松节油调配节涂后进行烧结才能制成。硝酸银与蓖麻油的重量比2.5∶1调配，硝酸银和松节油的重量比为4∶1调配，烧结温度580℃，时间10分钟，条件：在气氛炉中。

(6)完成电极制作后，工件要再次喷涂釉水烧结才能算完成整个工艺流程，此时的釉水烧结的作用在于保护电铸合金发热膜不受损伤、绝缘和保护膜层在使用过程中不受高温氧化而导致功率下降。

在依非金属材料为基础上制作电热元件的整个工艺流程：非金属材料元件模型化、(a)表面粗化、(b)敏化、(c)活化、(d)还原、(e)化学镀铜、(f)电铸、(g)扩散退火、(h)电极制作、(i)覆盖、(j)检测。

Claims (10)

1、一种电铸合金电热元件及其制造方法，其特征在于：是由基底、绝缘层、电铸合金发热膜、电极及绝缘覆盖层这五部分组成；其中、电极与电铸合金发热膜几何图形上的任意两点或两点以上处需要施加电源的引出接线端连接；绝缘覆盖层粘贴于电铸合金发热膜上，电铸合金发热膜是通过电铸的方式直接在绝缘层上制作出来，基底与绝缘层连接。

2、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：电极的材料为金属材料，形状可以是圆柱形、长方体或各种带有立体形状的结构，电极与电铸合金发热膜的连接可以是粘接或烧结或其他辅助配合连接。

3、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：绝缘覆盖层的材料可为陶瓷搪瓷涂层烧结的方法实现；也可以通过采用涂覆玻璃粉烧结产生或采用玻璃棉、云母片一类的绝缘耐热材料直接粘接或不粘接而贴合在电铸合金发热膜上；绝缘覆盖层与电铸合金发热膜的外形相似。

4、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：电铸合金发热膜是通过电铸的方式直接在绝缘层上制作出来。

5、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：绝缘层位于电铸合金发热膜与基底之间。

6、根据权利要求1或5所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：电铸合金电热元件在不使用基底时，绝缘层的材料可为陶瓷管、陶瓷片、玻璃片、玻璃管、云母片及耐热塑料件。

7、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，，其特征在于：基底与绝缘层的连接为粘接或烧结的方式，其材料可以是金属材料、合金材料和有色金属材料。

8、根据权利要求1所述的电铸合金电热元件及其制造方法，其特征在于：实现电铸合金电热膜电热元件的基体流程工艺为：

基底的制作→绝缘层的制作→绝缘层化学处理电极化→电铸合金发热膜的制作→电极的制作→绝缘覆盖层的制作；a：在金属材料为基础上制作电热元件的整个工艺流程：

冲压或机加工成设计的元件形状→表面涂层或浸泡烧结绝缘层→绝缘层表面化学处理涂覆金属使之电极化→电铸实施→退火→电极制作→后处理→成品；b：金属基体表面绝缘层陶瓷涂覆工艺流程及参数为：

酸洗(98％H₂SO₄浸泡15分钟)→清水过滤→风干→喷涂陶瓷(80瓷、喷涂压力0.15Mpa、厚度0.15mm)→820℃烧结5分钟→200℃涂瓷(喷涂压力0.1Mpa、厚度0.15mm)→720℃烧结8分钟→涂釉水(喷涂压力0.1Mpa、厚度0.15mm)→800℃烧结5分钟；c：绝缘层表面金属化的全过程首先采用：粗化→敏化→活化→还原，然后进行化学镀铜；d：粗化工序采用二级粗化方式，采用10％的氢氟酸浸泡3分钟后，用毛刷清洗干净后泡入混合液中(铬酐6％，硫酸30％，蒸馏水64％)浸泡30分钟后用清水冲洗干净，粗化清洗完的工件将其置于敏化液浸泡(200ml/L Hcl、50g/L氯化亚锡，适量的锡丝)，浸泡时间为5分钟，浸泡完后在清水中洗涤，严禁在自来水压力下冲洗，经敏化的工件放入活化液中浸泡5分钟(0.3-0.5％的硝酸银，氨水适量)，取出后直接放入还原液中浸泡2-3分钟(甲醛10％，其余蒸馏水)，此时工件已完成了前处理流程，直接将工件从还原液中取出放入化学镀铜容器内进行镀铜(硫酸铜7-9％，酒石酸钠40-50％，甲醛30％的浓度11-13ml/L，氢氧化钠7-9％)，浸泡的溶液要加0.1Mpa的压缩空气进行搅拌，浸泡时间为5-8分钟为宜；e：将化学镀铜好的工件迅速贴上成型膜片后夹持到电铸架的阴极架位置上，打开电源后泡入电解液中，调节电流电压的参数开始进行电铸，电铸的电流电压参数及时间和电极间距视每个品种而调整，在电铸过程中尽量采用低电压高电流的参数进行。但不得突破V_最大3.5V，I_最大25安培/平方分米的范围。f：电铸完之后的工件由于存在电铸应力，要用低温(100℃-150℃)退火(3小时左右)，若电铸层厚度不够，将表面清洗之后可以再次电铸，直至符合要求为止；g：退火完全后的工件在所规定的图案两端分别制作电极，制作电极的材料原则上选用高温银浆或硝酸银；两种材料制作电极方式不同，高温银浆是印刷涂层后固化而成，但用硝酸银则应用蓖麻油或松节油调配节涂后进行烧结才能制成；h：完成电极制作后，工件要再次喷涂釉水烧结才能算完成整个工艺流程，此时的釉水烧结的作用在于保护电铸合金发热膜不受损伤、绝缘和保护膜层在使用过程中不受高温氧化而导致功率下降。

9：根据权利要求8所述的电铸合金电热元件及其制造方法，其特征在于：在依非金属材料为基础上制作电热元件的整个工艺流程：非金属材料元件模型化、(a)表面粗化、(b)敏化、(c)活化、(d)还原、(e)化学镀铜、(f)电铸、(g)扩散退火、(h)电极制作、(i)覆盖、(j)检测。

10：根据权利要求8、9所述的电铸合金电热元件及其制造方法，其特征在于：所述的非金属材料可为：玻璃、陶瓷、石棉、云母、搪瓷、塑料及橡胶。

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