专利名称：电阻加热元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的硅化钼型电阻加热元件，以及将这种元件用于有关金属粉末烧结的领域。
自从二十世纪五十年代以来，上述种类的电阻加热元件就已存在，例如商标为Kanthal Super的电阻加热元件。这些元件通常主要含有如MoSi2相或是MoxW1-xSi2相以及硅酸铝的氧化物相类型的金属。类似的材料能在氧化性气氛中在元件温度高达1900℃时使用。
使其能在高温下工作的因素，除所述的材料具有超过2000℃的高熔点之外，是二氧化硅的氧化层，氧化层形成后即迅速地使基材钝化阻止了氧化加快，由此使加热元件能够具有较长的使用寿命。这种表面层能在多种熔炉内和热处理气氛下给与一种持久的保护，如在空气、氧气、氮气/氢气、裂化氨等等条件下。在这些气氛中经常限制使用的情况是，在高温下的元件同时处于极低含量的氧，或者极低的露点这种气氛下。如果元件的露点和温度之比例超过临界条件，氧化硅层会变得不稳定，并在经过一定时间之后会失去对基材的任何保护。例如在氢气中，当露点低于约-30℃，元件温度达1300℃时，这种情况就会发生。为使氧化硅层在元件温度达1450℃时维持稳定，露点须超过+20℃，即氢气含量须超过2.3vol％。氧化硅的稳定性造成元件在某些方面使用的限制。
在一个应用实施例中，这些限制在烧结金属粉末生产不锈钢时充分表现出来。AISI316L级不锈钢的零件最主要是通过粉末压制，或者通过金属粉末注模(injection moulding)制成。在粘合剂于低温下蒸发以后，最后的烧结经常需要在温度为1300-1360℃的还原气氛中进行。这种还原性气体可以是纯氢，其露点为-40℃至-60℃，分别相当于水含量为0.01至0.001vol％。为了在烧结过程中还原金属氧化物，必须采用这种低露点，并由此导致生成一种具有高密度和良好机械性能的材料。在这样一个应用实例中，取决于元件形状和炉子设计，元件温度应该达到1400℃和1550℃之间。而在那些条件下，在以MoSi2为基料的加热元件上的氧化硅层肯定是不稳定的。
今天，在温度超过1250-1300℃范围下烧结金属粉末的许多熔炉中，其所使用的加热元件主要是由钼制造的，但也有由钨制造的。这种材料的局限性是，除其在熔炉中的总成本比较高之外，还需要在所有超过400℃的情况下，在缺乏氧的气氛中保持元件避免发生有害的纯钼金属的氧化作用。例如在熔炉泄漏或者其他的故障中那些元件可能因此而损坏。
在这些条件下用于电阻加热元件的其它材料可以是如FeCrAl、NiCr和MoSi2(例如上述的Kanthal Super)等合金和金属间化合物。MoSi2材料的局限性如上所述。FeCrAl和NiCr在空气中使用时分别在表面上形成氧化物Al2O3和Cr2O3。在还原气氛如干的氢气中，FeCrAl的使用温度范围限制在约1400℃，NiCr(例如商标Nicrothal 80)的使用温度范围限制在约1250℃。
对于NiCr合金，Cr2O3在高于这种温度之上时是不稳定的。对于FeCrAl，Al2O3层的确维持了稳定，可是由于接近约1500℃的熔炼温度，这种材料在此温度下的使用寿命受到限制。这样，如果需要用FeCrAl来烧结316L，对元件耐高温的要求将导致其使用寿命很有限。
需要使用一种能在表面上形成氧化铝同时熔解温度明显高于1500℃的材料，并且如有必要，它可以交替地用于还原性气氛和氧化性气氛中。此外，因为这种钼加热元件不一定总是用于缺乏氧气的气氛中，而那时它的缺点就可消除。
现已令人吃惊地发现，通过将MoSi2与充足数量的铝以及氧化铝相掺和，可得到一种铝硅化钼相(molybdenum alumina silicide)Mo(Si1-xAlx)2，它在高温下的干的氢气中是稳定的。例如在1450℃的氢气中对复合材料MoSi1.6Al0.4/Al2O3进行腐蚀性试验，在200小时以后它并未显示出任何腐蚀，但是重量上有0.2％的轻微增加，这归因于铝硅化物中的铝氧化成三氧化二铝。用Kanthal Super 1800(由MoSi2和约20vol％硅酸铝组成)进行的比较试验表明，在相同条件下它被还原的重量约为30％。在这种情况下除二氧化硅层之外，MoSi2相、Mo5Si3和Mo3Si以及含有粘合剂的硅酸铝也都被还原。
可以设想，甚至使用其他的组合物也可得到相似的结果。例如，已经表明在1200℃的空气中，MoSi1.75Al0.25/Al2O3氧化形成了Al2O3。在x为0.1-0.6时，这种六方晶系即所谓的Mo(Si，AI)2的C-40相，是稳定的。有理由设想甚至可以用那些组合物完成本发明。x的值应在0.10-0.60，优选0.20-0.55。毫无疑问地，在烧结金属粉末仍保持合乎需要的性质的条件下，可以由钨代替钼，形成Mo1-yWySi1-xAlx。此方法的y值应该在0-0.4范围内，优选0.05-0.20。在用W取代Mo后，晶体结构C11可维持不变，并且用MO1-yWySi2组合物增加了这种加热元件的使用温度。这被应用于例如商标名为Kantahl Super1900的加热元件中，它与Kanthal Super1800类似，在表面上形成了SiO2。甚至熔入铝并用钨取代钼的合金Mo1-yWySi1-xAlx中也形成了类似于C-40相。在钼-硅-铝体系中，较高x值下形成的其余相是如钼的铝化物(aluminideofmolybdenum)，其在
图1所示相图中出现在1823°K。
与本发明相关的实验工作表明合适的硅化物相重量应为该电阻元件总重量的65-95wt％，优选75-85wt％。
如上所述，该电阻元件除硅化物相之外也包含氧化铝。
余量为SiO2，一般在0-1wt％之间。
以上所述的发明还可以用于其他的烧结应用中，其中需要低含量的氧气或者低露点。有时这种情况出现在钨重合金、某些钛合金和金属间化合物以及低合金钢的粉末烧结中。例如重合金(heavy alloy)钨-铜就可在-36℃露点下在1400℃的氢气中烧结而成。
预计上述形成的氧化铝在高达约1595℃时是稳定的，这一温度是SiO2-3Al2O3-2SiO2(富铝红柱石)体系的低共熔温度(eutectic temperature)。预计这种氧化物有不同于纯氧化铝的抗腐蚀性能。当元件温度高达至少约1595℃时，这种材料可用作钼型加热元件的一般替代物。
权利要求
1.一种电阻元件，其主要包含化学式为Mo(Si1-xAlx)2的硅化物相，该物相在所述元件的表面上形成氧化铝，而且所述元件用于有关金属粉末烧结的领域。
2.如权利要求1所述的电阻元件，其特征在于，钼部分地被钨代替，形成化学式为Mo1-yWy(Si1-xAlx)2的硅化物相，该物相在所述元件的表面上形成氧化铝。
3.如权利要求1所述的电阻元件，其特征在于，x的值在0.10和0.60之间，优选在0.20和0.55之间。
4.如权利要求2的电阻元件，其特征在于，y的值在0和0.40之间，优选在0.05和0.20之间。
5.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，硅化物相的量为所述电阻元件总重量的65-95wt％，优选75-85wt％。
6.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，所述元件除所述硅化物相之外还包含0-40vol％的Al2O3，优选为10-20vol％。
7.如前述权利要求中任何一项的电阻元件，其特征在于，所述元件中除所述硅化物相和Al2O3之外，还包含余量的SiO2。
8.一种金属粉末，它是通过前述权利要求中任何一项的电阻元件的帮助而烧结成的，其特征在于，它是铁基型合金。
9.如权利要求8所述的金属粉末，其特征在于，所述的合金是一种不锈钢。
10.如权利要求8所述的金属粉末，其特征在于，所述的合金是AISI316L。
11.一种烧结金属粉末的方法，其中使用一种包含硅化钼的加热元件作为热源，其特征在于，所述加热元件除了含有钼和硅以外，还与相当量的铝和Al2O3掺和，并优化这种材料，使所述加热元件形成Mo(Si1-xAlx)2型的铝硅化钼物相，该物相在烧结温度下稳定，并且其中的x等于0.1-0.6。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，钼部分地由钨代替，形成一种Mo1-yWy(Si1-xAlx)2材料。
13.如权利要求10-12中任何一项所述的方法，其特征在于，x的值在0.20和0.55之间。
14.如权利要求10-12中任何一项所述的方法，其特征在于，y的值在0和0.40之间。
15.如权利要求10-14中任何一项所述的方法，其特征在于，该方法应用于铁基粉末的烧结，优选不锈钢粉末的烧结。
16.如权利要求10-15中任何一项所述的方法，其特征在于，所述加热元件除硅化物相之外还包含数量为10-20vol％的Al2O3。
全文摘要
本发明涉及一种电阻元件,其主要包含化学式为Mo(Si
文档编号H05B3/12GK1350598SQ0080734
公开日2002年5月22日 申请日期2000年5月4日 优先权日1999年5月20日
发明者马茨·松德贝里 申请人:桑德维克公司