Технология изготовления электронагревателей из карбида кремния и дисилицида молибдена

ЛЕКЦИЯ №11

РЕЗИСТОРЫ И ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ

Электронагреватели

Введение

Среди материалов и изделий, получаемых методами и средствами порошковой металлургии, особое место занимают резисторные материалы, для которых основным параметром, характеризующим эксплуатационные свойства, является электрическое сопротивление. Если резисторные материалы, изготовленные по традиционной технологии,— металлы, то материалы порошковой металлур­гии — в основном полупроводники, и этим определяются их основные преиму­щества: уровень электросопротивления, благоприятный во многих случаях ход температурной зависимости электросопротивления, нелинейность вольт-ампер­ных характеристик, высокое значение коэффициента Зеебека, тугоплавкость и окалиностойкость и т. д.

Порошковые резисторные материалы и изделия применяют в качестве электронагревателей в электропечах разного назначения, пленочных и объем­ных сопротивлений, широко используемых в радио- и телевизионной технике, термоэлектродных элементов термопар и термоэлектрических преобразовате­лей энергии, термометров сопротивления балластных и нелинейных сопротив­лений, компенсаторов и т. д.

Материалы для электронагревателей должны обладать комплексом свойств, определяющих стабильную эксплуатацию печей сопротивления в заданном интервале температур, как правило, без использования защитных газовых сред или со строго контролируемым их составом. К материалам электронагревателей предъявляют следующие общие требования: заданный уровень электропровод­ности, определяемый параметрами источника питания электропечи; низкий температурный коэффициент сопротивления; отсутствие фазовых превращений в ходе эксплуатации; химическая стойкость по отношению к окружающей среде. Для работы в восстановительных и нейтральных газовых cредах, а также в вакууме используют нагреватели из тугоплавких металлов (W, Мо, Та) и из графита. В этих ' условиях они могут эксплуатироваться до 2500—3000 °С. В окислительных средах и на воздухе в качестве электронагревательных эле­ментов могут работать платина (до 1500 °С), а также некоторые жаростойкие стали и сплавы. Однако максимальная рабочая температура последних не пре­вышает 1250 °С. В небольшом количестве и главным образом в рамках лабораторных опро­бований в нашей стране изготавливались электронагреватели, предназначенные для применения в окислительной среде (на воздухе), на основе карбида титана и электропроводных оксидных материалов на основе хромитов, оксида никеля и других; для работы в защитной среде или в вакууме при очень высоких тем­пературах (~ 3000 °С) — на основе карбида ниобия, карбида тантала и кар­бида гафния. Для работы в окислительных средах при более высоких температурах ис­пользуют нагреватели из спеченных материалов на основе некоторых электро­проводных тугоплавких соединений, обладающих высокой стойкостью против окисления. Эти материалы допускают более высокие ваттные нагрузки и обес­печивают более высокое значение coscp (карбид кремния, дисилицид молибдена и др.).

Технология изготовления электронагревателей из карбида кремния и дисилицида молибдена

Карбидокремниевые нагреватели изготавливают мундштучным формова­нием или вибротрамбовкой шихты, состоящей из карбида кремния зеленого (КЗ), небольших добавок (до 1,5 %) ламповой сажи и связующего (жидкое стекло или бакелит), с последующим силицирующим спеканием в печах сопро­тивления, в засыпках, содержащих карбид кремния, кварцевый песок, нефтя­ной кокс и разрыхлитель.

В процессе силицирующего спекания углеродом в засыпке восстанавли­вается кремнезем с образованием паров элементарного кремния и испаряется из засыпки карбид кремния. В результате взаимодействия сажи, находящейся в заготовке нагревателя, и компонент газовой фазы в теле заготовки карбидо-кремниевого нагревателя формируется вторичный карбид кремния, цементирую­щий зерна первичного карбида кремния. Заготовка превращается в компакт­ный электронагреватель с незначительной пористостью или беспористый с тре­буемыми электрическими и механическими параметрами. Для того чтобы под­водящая электрический ток концевая часть электронагревателя не нагревалась вместе с рабочей частью, нагреватели изготавливают с утолщенной концевой токоподводящей частью либо эту часть нагревателя изготавливают из более электропроводного карбидокремниевого материала, обогащенного кремнием или пропитанного металлическим сплавом, или же используют составные нагрева­тели, концевые элементы которых также изготавливают из обогащенной крем­нием карбидокремниевой массы.

Карбидокремниевые нагреватели изготавливают по следующей технологической схеме:

- Массу из порошка SiC готовят на бакелитовой связке; прессование осу­ществляют, совмещая процесс прессования с процессом поликонденсации свя­зующего. В качестве прессующего устройства используют любую емкость (бал­лон), выдерживающую давлением до 20 МПа при температуре 200 °С. Баллон заполняют жидкостью с достаточно высоким коэффициентом термического рас­ширения (глицерин). Прессуемой массой заполняют резиновые оболочки тре­буемого профиля, концы которых плотно закрыты резиновыми пробками. Для поддержания формы заполненные резиновые оболочки помещают в перфориро­ванные металлические обоймы, которые подвешивают к крышке, герметизую-щей баллон. В крышке устроен регулятор давления. В этой установке отпадает необходимость в компрессирующем устройстве. Требуемое давление (~ 15 МПа) в емкости реализуется при ее нагреве до 180 °С вследствие термического расширения жидкости, заполняющей ем­кость. После прессования заготовки, освобожденные от оболочки, обладают доста­точной прочностью, их можно дополнительно механически обрабатывать и под­вергать после обработки силицирующему спеканию в трубчатых печах с графи­товыми нагревателями (печах Таммана). Коксующаяся связка при силицировании в парах кремния образует в теле спекаемой заготовки цементирующий вторичный карбид кремния. По этой технологии изготавливают стержневые нагреватели переменного сечения и со­става, трубчатые и спиральные нагреватели.

Нагреватели из дисилицида молиб­дена готовят из смеси порошков дисилицида молибдена и цементирующей связки.

Эти нагреватели также имеют утолщенные токоподводящие концы соответ­ствующих длин. Прямолинейные цилиндрические нагреватели после спекания в защитной атмосфере при температуре 1400 —1700 °С подвергают в дальней­шем в нагретом состоянии деформации для того, чтобы придать им удобную для эксплуатации форму (обычно U-образную). Изделия из дисилицида молиб­дена уже при температуре 1100°С проявляют весьма заметную пластичность и деформативность. Высокая стойкость нагревателей из карбида кремния и ди­силицида молибдена в окислительной среде при нагреве обусловлена защитным действием образующейся на их поверхности пленки из SiO₂.

Для того чтобы нагреватели из дисилицида молибдена имели достаточно высокую сопротивляемость окислению в работе, их предварительно окисляют с поверхности кислородом за счет кратковременного нагрева в этой среде при 1800 °С.

Типы, эксплуатационные характеристикии области применения нагревателей из карбида кремния

В настоящее время в России и за рубежом серийно выпускают электрические нагреватели различного вида и размеров из карбида кремния и дисилицида молибдена.

Более широко производят и потребляют нагреватели из карбида кремния. Они дешевле, чем нагреватели из MoSi₂. В рабочем интервале температур (Г200—1500 °С) они сохраняют длительно свои эксплуатационные свойства и отличаются высокой термостойкостью.

Нагреватели из МоSi₂ более дорогие, и, хотяони надежно работают в окис­лительной среде при температуре до 1700 °С, их эксплуатация в печных устрой­ствах более сложна из-за сравнительно низкой термостойкости.

Типы, конструкции, размеры и свойства карбидокремниевых нагревателей регламентированы ГОСТ 16139—76 «Электронагреватели карбидокремниевые для печей сопротивления». Производятся нагреватели следующих типов: КЭН А — трубчатые с утолщенными выводами; КЭН Б — сплошные с выво­дами пропитанными металлическими сплавами для снижения их электриче­ского сопротивления; КЭН БС — сплошные с приставными выводами, пропи­танными металлическими сплавами; КЭН ВП — трубчатые с выводами, пропи­танными легированным кремнием.

Выпускаются нагреватели с более низким (Н) и более высоким (В) электро­сопротивлением. Нагреватели, выпускаемые промышленностью, имеют широкий диапазон размеров: типа КЭН А — диаметры 8—25 мм; активная рабочая зона — 100—600 мм; общая длина — 270—1200 мм; типа КЭИ ВП — диаметры 18—30 мм; активная рабочая длина 200—1200 мм; общая длина — 1000— 2000 мм.

Основным электрическим параметром электронагревателя является номи­нальное значение электросопротивления в пределах допустимых его отклоне­ний при испытании под напряжением в открытом пространстве при температуре активной его части 1000 ± 15 °С.

При работе карбидокремниевых нагревателей в порах накапливается ди­оксид кремния, который при охлаждении претерпевает тридимитнокристобалитное превращение, сопровождающееся изменением объема до 14%, что при многократном повторении нагрева и охлаждения нагревателя может приводить к его разрушению.

Долговечность карбидокремниевых нагревателей может быть увеличена за счет их непрерывной эксплуатации при высоких температурах.