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Die
Erfindung betrifft einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten
Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in
Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder
Druckgußwerkzeugen
oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend
aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet, ist in der die eine
Heizleiterspirale eingebettet ist.
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Die
Beheizung von Düsen
in der Heißkanaltechnik
bei Kunststoffspritzmaschinen wie auch in der Zinkdruckgußindustrie
erfolgt durch an den Düsen
eng anliegenden verdichteten elektrischen Heizelementen. Diese Heizelemente
werden gewickelt, wobei der Innendurchmesser des gewickelten Heizelementes,
einer Wendelrohrpatrone, geringer ist, als der Außendurchmesser
der Düse.
Der Inndurchmesser der Wendelrohrpatrone ist beispielsweise bei
einem Düsendurchmesser
von 20 mm etwa 0,15 mm kleiner als die Düse . Das gewickelte Heizelement kann
dann durch eine Drehbewegung stramm auf die Düse aufgeschoben werden.
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Ziel
ist es, daß das
Heizelement fest an die äußere Oberfläche der
Düse angebracht
ist, um dadurch eine maximale Heizleistung zu übertragen und eine genaue gleichbleibende
Temperaturführung
zu schaffen.
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Die
bekannten Heizelemente werden vorzugsweise aus duktilem Edelstahl
oder aus Nickel als Rohrmantel gefertigt. Das Material muss während der
Fertigung der Heizelemente eine hohe Bruchdehnung aufweisen, da
es sehr stark mechanisch verformt wird. In Einzelfällen werden
Nickelbasislegierungen verwendet. Die genannten Werkstoffe weisen geringe
Warmfestigkeiten auf, insbesondere wenn diese höheren Temperaturen bis 500°C dauerhaft ausgesetzt
werden.
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Durch
das Auf- und Abheizen über
einen langen Zeitraum verliert der Rohrmantel seine Federkraft.
Das Heizelement hebt von der Düse
ab, wodurch kein guter Wärmeübergang
mehr gewährleistet
ist. Als Abhilfe wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von zusätzlichen
Klemmvorrichtungen mit dem Ziel entwickelt das Heizelement fest
auf der Düse
zu halten. Eine derartiges für
ordnungsgemäße Funktion
notwendiges Spannelement ist beispielsweise aus der
DE 37 36 612 C2 bekannt.
Das Problem dieser Vorrichtung ist, daß diese über den Umfang der im Querschnitt
kreisförmigen
Wendelrohrpatrone vorragt, so daß ein zusätzlicher Platzbedarf für diese
vorspringende Befestigungsvorrichtung besteht. In bestimmten Einsatzzwecken
ist der Einbauraum so eng, daß vorspringende
Teile nicht oder nur schwer unterbringbar sind. Es besteht daher
die Notwendigkeit, ein Heizelement zu schaffen, das einen geringeren
Platzbedarf benötigt
und ohne zusätzliche
Spannelemente dauerhaft fest auf der Düse angebracht werden kann.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen elektrischer Heizkörper
in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile
von Außen
beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder
Druckgußwerkzeugen
oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, zu schaffen,
welcher auf einen zylindrischen beheizbaren Gegenstand fixiert werden kann,
ohne zusätzliche
Spannelemente und insbesondere bei Temperaturen um 500°C seine Festigkeit und
Spannwirkung dauerhaft, d.h. mindestens 10.000 Stunden, behält.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen elektrischer Heizkörper
in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile
von Außen
beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder
Druckgußwerkzeugen
oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend
aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet
ist, in die eine Heizleiterspirale eingebettet ist, wobei das Material
des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm und eine Dehngrenze
Rp0,2 bei 20° C aufweist, die annähernd gleich
groß ist,
zur Erzielung einer dauerhafter radialen Anpressung der Wendelrohrpatrone
auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm aufweist, die
maximal 30% größer ist
als die Dehngrenze Rp0,2 bei 20° C.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der
metallische Mantel eine Zugfestigkeit Rm bei 20°C von > 900 N/mm2 aufweist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material
des metallischen Mantels eine Dehngrenze Rp0,2 von > 850 N/mm2 aufweist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Material des metallischen Mantels eine Bruchdehnung von < 20% nach dem Härten aufweist
und eine Bruchdehnung von > 30%
vor dem Härten
aufweist. Das Material, das in Form eines Rohrmantels vorliegt,
muß während der
Fertigung des Heizelementes und vor dem Härten die hohe Bruchdehnung
aufweisen, da es sehr stark mechanisch verformt werden muß.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen
Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C von > 650 N/mm2 aufweist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material
des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500°C nach 10.000
Stunden von > 400
N/mm2 aufweist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Material des metallischen Mantels eine Wärmeausdehnung bei 400°C von < 17 × 10–6 K–1 aufweist.
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In
ebenfalls vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Material des metallischen Mantels zunderbeständig ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material
des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung
ist.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das
Material des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung
ist, umfassend Anteile an Ni in einem Bereich von etwa 50,0% bis
55,0%, an Cr in einem Bereich von etwa 17,0 bis 21,0, an C in einem
Bereich von etwa 0,02 bis 0,08, Mn in einem Bereich von etwa 0%
bis 0,35, Si in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35, Cu in einem
Bereich von etwa 0% bis 0,20, Mo in einem Bereich von etwa 2,80%
bis 3,30%, Co in einem Bereich von etwa 0% bis 1,0%, Nb in einem
Bereich von etwa 4,80% bis 5,50%, Al in einem Bereich von etwa 0,30
bis 0,70, Ti in einem Bereich von etwa 0,70% bis 1,15, B in einem
Bereich von etwa 0,002 bis 0,006%, P in einem Bereich von etwa 0%
bis 0,0015, S in einem Bereich von etwa 0% bis 0,010 und der Rest
durch Fe gebildet ist, bezogen auf die gesamte Legierung.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das elektrische
Heizelement zu einer Wendelrohrpatrone gewickelt ist, wobei der
Innendurchmesser der Wendelrohrpa trone in etwa zwischen 0,5% bis
5% kleiner ist als der Außendurchmesser
des zu beheizenden zylindrischen Bauteils.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß die MgO-Keramik wenigstens
eine Bohrung für
eine Heizleiterspirale aufweist, wobei in dem Zwischenraum zwischen
dem metallischen Mantel und der MgO-Keramik sowie in Hohlräume in der
MgO-Keramik MgO-Pulver eingebracht ist.
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In
weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß die MgO-Keramik wenigstens
eine Bohrung für
ein Thermoelement aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines elektrischen Heizkörpers wobei eine Heizleiterspirale mit
Anschlußdraht
kontaktiert und in die MgO-Keramik eingezogen wird, das die MgO-Keramik
mit Draht in das Mantelrohr eingeschoben wird, die Hohlräume mit
MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt werden, der Querschnitt
des Heizelements um etwa 10 – 20
% reduziert wird, das Mantelrohr zum Freilegen der Anschlüsse abgestochen
wird, anschließend
Lösungsglühen unter
Schutzgasatmosphäre
erfolgt, die beheizte Zone gewickelt wird auf einen Innendurchmesser,
der geringer ist als der Außendurchmesser
des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, nach dem Wickeln wird
die Wendelrohrpatrone mittels eines Preßdorns auf das exakte Endmaß kalibriert,
wobei eine Nachverdichtung des MgO-Pulvers erfolgt, wobei abschließend die
Aushärtung
bei in etwa 720°C über 8 Stunden
erfolgt, wobei der elektrische Heizkörper auf 620°C innerhalb
von 2 Stunden abgekühlt und über 8 Stunden
auf 620°C
gehalten wird. Hierbei handelt es sich um ein Heizelement mit zweiseitigen Anschluß.
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Außer den
Heizelementen mit zweiseitigem Anschluß gibt es auch Heizelemente
mit einseitigem Anschluß.
Das Mantelrohr wird dann nach dem Einschieben der MgO-Keramik in
dieses einseitig mit einer Bodenscheibe verschlossen. Der sich an schließende Verfahrensablauf
ist identisch zu der Herstellung eines Heizelementes mit zweiseitigen
Anschluß.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ausgehärtete unbeheizte Zone
wieder gelüht
wird, vorzugsweise Lösungsglühen mittels
eines Gasbrenners, und somit wieder biegbar gemacht wird.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die unbeheizte
Zone der Wendelrohrpatrone vor dem Härten mit einer Isolierung versehen
wird, so daß die
unbeheizte Zone im Härteofen
nicht der Aushärtetemperatur
unterliegt, wodurch die unbeheizte Zone nach dem Härten noch biegbar
ist.
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Der
erfindungsgemäße elektrische
Heizkörper
ermöglicht
durch seine Spiral-Federwirkung eine dauerhafte radiale Anpressung
des elektrischen Heizkörpers
in Form der Wendelrohrpatrone auf die Spritzdüse des Spritzgießwerkzeuges
für Temperaturen
bis über
500°C. Diese
dauerhafte Anpressung, die ohne die bekannten aufwendigen konstruktiven Spannmechanismen
auskommt, wird unter anderem aufgrund der nur unwesentlich absinkenden
Federsteifigkeit des metallischen Mantels bei hohen Temperaturen
um 500°C
und einer langen Zeitdauer von 10.000 bis 100.000 Stunden ermöglicht.
Die bekannten Probleme hinsichtlich des geringen vorhandenen Bauraums
zur Anbringung eines Spannelementes werden durch das Fehlen eines
aufwendigen großen Spannmechanismusses
vermieden.
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Im
Gegensatz zu den mittels Spannelementen befestigten Heizelementen,
die durch Schrauben gespannt werden, weist der erfindungsgemäße elektrische
Heizkörper
eine rüttel-
und schocksichere Anpressung auf, da keine Schrauben vorhanden sind, die
sich aufgrund von in der Maschine bestehenden Vibrationen lösen könnten.
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Ein
weiter Vorteil des eingesetzten Materials ist, daß dieses
eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist
und zunderfest ist.
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Die
elektrischen Heizkörper
in Form von Wendelrohrpatronen werden vorzugsweise aus duktilem
Edelstahl oder aus Nickel gefertigt, wobei diese Werkstoffe nur
geringe Warmfestigkeiten aufweisen, insbesondere wenn diese höheren Temperaturen von
etwa 400°C
dauerhaft ausgesetzt werden. Durch das Auf- und Abheizen über einen langen Zeitraum verliert
der Rohrmantel seine Federkraft. Eine Vergrößerung des Innendurchmessers
der Wendelrohrpatrone ist die Folge. Hierdurch liegt die Wendelrohrpatrone
nicht mehr vollständig
an der Spritzdüse
an, so daß ein
guter Wärmeübergang
von der Wendelrohrpatrone auf die Spritzgußdüse nicht mehr gewährleistet
ist. Dementsprechend sinkt auch der Wirkungsgrad der Beheizung,
so daß keine
gleichbleibende reproduzierbare Temperaturführung gewährleistet ist. Die thermische
Kopplung der Wendelrohrpatrone mit der Spritzdüse ist gestört. Die aufgenommene Leistung
der Düse
sinkt und die Abstrahlverluste der Wendelrohrpatrone steigen. Diese
Nachteile weist der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper aufgrund
seinen auch bei hohen Temperaturen um 500°C bestehenden Federeigenschaften
nicht auf.
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Dadurch,
daß keine
Kupfereinbettungen in dem metallischen Mantel vorgesehen sind, weist
dieser eine geringe Masse auf, so daß sehr schnelle thermische
Reaktionen für
die genaue Temperaturführung
gegeben sind.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, daß durch
die besseren Federeigenschaften des Materials des metallischen Mantels
die Rohrwandstärke
des metallischen Mantels dünner
gewählt
werden kann, so dass das Heizelement kleiner ausfallen kann.
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Ein
weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß ein fester Sitz des elektrischen
Heizkörpers
auf dem zu beheizenden zylindrischen Bauteil im kalten und warmen
Zustand gegeben ist, auf grund des um ungefähr 0,5% bis 5% geringeren Innendurchmessers der
Wendelrohrpatrone im nicht montierten Zustand im Vergleich zu dem
Außendurchmesser
des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, wobei aufgrund der Federeigenschaften
eine dauerhafte radiale Anpressung gewährleistet ist.
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Die
Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels
dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 Einen
elektrischer Heizkörper
in Form eines verdichteten Heizelementes, in Form einer Wendelrohpatrone,
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2 eine
weitere Ansicht der Wendelrohrpatrone,
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3 einen
Schnitt durch das Aufbauschema des Heizelementes und
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4 einen
Schnitt durch das Heizelement gemäß Linie A-A in 3,
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1.
und 2 einen elektrischen Heizkörpers in Form einer Wendelrohrpatrone 1 auf
der nicht dargestellten Spritzdüse
eines Spritzgießwerkzeugs
oder eines ähnlichen
beheizbaren zylindrischen Bauteils. Der Innendurchmesser dWI der Wendelrohrpatrone 1 im nichtmontiertem
Zustand ist etwa zwischen 0,5 bis 5% kleiner als der Außendurchmesser
dBA des zu beheizenden elektrischen Bauteils. Dadurch,
daß das
Mantelrohr 2 der Wendelrohrpatrone 1 aus einem
Werkstoff gebildet ist, der auch bei Temperaturen um etwa 500 C
federt, ist aufgrund des geringeren Innendurchmesser der Wendelrohrpatrone 2 diese
aufgrund der federnden Eigenschaften ohne weitere Spannmittel fest
auf dem zu beheizenden zylindrischen Bauteil gespannt. Die Federwirkung
der aus dem Mantelrohr 2 gewickelten Wendelrohrpatrone 1 reicht
aus, um einen selbsttätiges
Lösen der selben
auch bei Vibrationen zu verhindern. Die Wendelrohrpatrone 1 weist
eine beheizte Zone 3 und eine unbeheizte Zone 4 auf,
die in den Anschlußkopf 5 übergeht. Übliche Innendurchmesser
der Wendelrohrpatrone 1 liegen zwischen 6 und 60 mm.
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3 zeigt
einen Schnitt durch das Aufbauschema des Heizelementes mit einem
einseitigen Anschluss im noch nicht zur Wendelrohrpatrone 1 gewickelten
Zustand. Die Heizleiterspirale 6 wird mit dickeren Anschlußdrähten 7 kontaktiert.
Der dickere Draht 7, welcher aus Nickel oder aus Heizleitermaterial
besteht, bildet gleichzeitig die unbeheizte Zone 4 zwischen
beheizter Zone 3 und Anschlußkopf 5. Die Heizleiterspirale 6 mit
Anschlußdraht 7 wird
in die Keramikformteile 8 eingezogen. Das Keramikformteil 8 mit
Anschlußdraht 7 wird
in das passende Mantelrohr 9 eingeschoben. Das Mantelrohr 9 wird
einseitig verschlossen mit einem Verschlußelement 10. Die Hohlräume werden
eventuell mit MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt. Anschließend erfolgt
das Reduzieren des Querschnittes vom Heizelement 1 um ca. 10 – 20 %.
Das Ziel ist es durch die Verpressung des MgO einen guten Wärmetransport
von der Heizleiterspirale 6 an das Mantelrohr 9 zu
erzeugen und gleichzeitig die Hochspannungsfestigkeit zu erhöhen. Hierdurch
entsteht eine Kaltverfestigung des Mantelrohres 9. Das
Mantelrohr 9 streckt sich dabei um ca. 10 % in Längsrichtung.
Es können
hier nur Materialien mit einer hohen Bruchdehnung verwendet werden.
Es folgt das Abstechen des Mantelrohres 9, wobei die Anschlußdrähte 7,
die durch die unbeheizte Zone 4 geführt werden, für den Anschluß der Litze
freigelegt werden müssen.
Dieses erfolgt beispielsweise durch Abstechdrehen auf einer Drehbank.
Anschließend
erfolgt das Lösungsglühen unter Schutzgasatmosphäre, damit
man das Mantelrohr 9 wieder verformen und wickeln kann.
Die Wendelrohrpatrone 1 wird üblicherweise in der beheizten
Zone 3 auf einen kleineren Innendurchmesser mit einem kleineren
Dorn gewickelt als der später
zu beheizende Zylinder. Nach dem Wickeln wird die Wendelrohrpatrone 1 mittels
Preßdorn
auf das exakte Endmaß gebracht.
Hierbei wird gleichzeitig eine Nachverdichtung der MgO-Masse durchgeführt. Die
Aushärtung, um
die dauerhafte Federwirkung zu erzielen, erfolgt bei ca. 720°C über 8 Stunden.
Anschließend
wird der elektrische Heizkörper
auf 620°C
innerhalb 2 Stunden abgekühlt
und über
8 Stunden auf 620°C
gehalten. Abschließend
erfolgt das Anbringen des elektrischen Anschlusses.
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4 einen
Schnitt durch das Heizelement gemäß Linie A-A in 3.
In dem aus dem erfindungsgemäßen Material
hergestellten Mantelrohr 9 ist eine MgO-Keramik 8 angeordnet,
welches zwei Bohrungen 10 zur Aufnahme der Heizleiterspirale 6 und
zwei kleinere Bohrungen 11 zur Aufnahme eines Thermodrahts/Thermoelementes 12.
Ein eventuell zwischen dem Mantelrohr 9 und der MgO-Keramik 8 bestehender
Zwischenraum 13 sowie die Hohlräume in der MgO-Keramik sind
mit MgO-Pulver 14 gefüllt.
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Ein
besonders geeigneter Werkstoff für
das metallische Mantelrohr des gehärteten Heizelements zeichnet
sich dadurch aus, daß die
Zugfestigkeit Rm bei 20°C > 900 N/mm2 ist.
Die Dehngrenze Rp0,2 sollte > 850 N/mm2 sein.
Die Bruchdehnung des Heizelementes sollte < 20% sein. Die Zugfestigkeit Rm bei 500° C sollte > 650 N/mm2 sein.
Die Zugfestigkeit Rm bei 500° C
nach 10.000 Stunden sollte noch > 400 N/mm2 sein. Die Wärmeausdehnung bei 400° C sollte < 17 × 10–6 K–1 sein.
Ferner sollte der Werkstoff zunderbeständig und korrosionsbeständig sein.
Das Material des metallischen Mantelrohrs sollte eine Zugfestigkeit
Rm und die Dehngrenze Rp0,2 bei 20° C aufweisen,
die annähernd
gleich groß sind.
Vorzugsweise sollte das Material des metallischen Mantelrohrs eine
Zugfestigkeit Rm aufweisen, die maximal 30% größer ist als die Dehngrenze
Rp0,2. bei 20°C.
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Ein
besonders geeigneter Werkstoff ist beispielsweise durch eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung
gegeben. Eine ausscheidungshärtbare
Nickel-Chrom-Eisenlegierung umfassent Anteile an Ni in einem Bereich
von etwa 50,0% bis 55,0, an Cr in einem Bereich von etwa 17,0 bis 21,0
und der Rest wird durch Fe gebildet, bezogen auf die gesamte Legierung.
Die Nickel-Chrom-Eisenlegierung kann zusätzlich umfassen Anteile an
C in einem Bereich von etwa 0,02% bis 0,08%, Mn in einem Bereich
von etwa 0% bis 0,35, Si in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%,
Cu in einem Bereich von etwa 0% bis 0,20, Mo in einem Bereich von
etwa 2,80% bis 3,30, Co in einem Bereich von etwa 0% bis 1,0%, Nb
in einem Bereich von etwa 4,80% bis 5,50, Al in einem Bereich von
etwa 0,30 bis 0,70, Ti in einem Bereich von etwa 0,70 bis 1,15,
B in einem Bereich von etwa 0,002 bis 0,006, P in einem Bereich von
etwa 0% bis 0,0015, S in einem Bereich von etwa 0% bis 0,010% bezogen
auf die gesamte Legierung.
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Ein
besonders geeigneter Werkstoff ist beispielsweise INCONELL alloy
718 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4668). Außerdem sind geeignet INCONELL
alloy X-750 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4669), INCONELL alloy
751 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.2494), INCONELL alloy A-286
(deutsche Werkstoffnormnummer: 1.4980), INCONELL alloy 80A (deutsche
Werkstoffnormnummer: 2.4631 und 2.4952), INCONELL alloy 90 (deutsche
Werkstoffnormnummer: 2.4632 und 2.4969), INCONELL alloy 101, INCONELL
alloy 105 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4634), INCONELL alloy
115 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4636), INCONELL alloy 263 (deutsche
Werkstoffnormnummer: 2.4650), INCONELL alloy PE 16, und INCONELL
alloy D 979. Ferner sind geeignet hochwarmfeste Nickel-Basis Legierungen
wie INCONELL alloy 601H (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4851) und INCONELL
alloy 800H (deutsche Werkstoffnormnummer: 1.4876).