[发明专利]一种二硅化钼基电热元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温材料技术领域，特别涉及了一种二硅化钼基电热元件及其制备方法。

背景技术

二硅化钼电热元件具有升温速度快、抗氧化能力强、电阻特性稳定和抗热冲击性好等特点，逐渐成为高温工业炉电阻发热元件的主流。但是在一些特殊的应用场合如氮气气氛炉和快速循环炉等，因为使用寿命的问题，二硅化钼电热元件的实际应用受到了严重的制约。使用过程中频繁更换电热元件不但会给客户造成时间上和经济上的损失，还会影响客户产品的稳定性。更重要的是，这种低水平应用的方式，会对宝贵的钼资源造成严重的浪费，对环境造成污染，与目前倡导的低碳发展方式背道而驰。

造成二硅化钼电热元件寿命短的主要原因是表面膜的问题：一方面表面膜高温熔融粘度高，在使用过程中电热元件热端表面膜的厚度不断增加，但由于表面膜与基体材料之间热膨胀系数的差异，因此存在非常大的热应力，从而造成电热元件热端在热循环过程中的剥落损坏；另一方面表面膜再生能力差，在使用过程中局部的表面膜损坏或消耗掉以后，无法再次生成保护膜，这就使得热端局部会因加速消耗而直径变细，从而导致局部过热损坏。因此，要延长二硅化钼电热元件的使用寿命，必须从表面膜的改性入手。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超长使用寿命的二硅化钼基电热元件及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种二硅化钼基电热元件，所述电热元件由下述质量百分含量的各原料制成：成型结合剂 3~6%、改性添加剂 1~3%，余量为基体材料；所述基体材料为钼硅质量比为61:39的自蔓延燃烧合成的二硅化钼粉体，成型结合剂为钠基膨润土或钙基膨润土，改性添加剂为氧化铝、氧化镁、氧化铅、氧化钡、三氧化二硼、氟化钙之中的一种或两种以上的组合。

较好地，基体材料的最大粒径<6μm，成型结合剂的最大粒径<3μm，改性添加剂的最大粒径<3μm。

一种二硅化钼基电热元件的制备方法：将基体材料、成型结合剂和改性添加剂混合后，每100质量份的混合料加13~15质量份的水，搅拌形成泥料，陈腐后，真空挤出成型制成电热元件冷热端的坯体材料，干燥后在1550~1720℃的保护气氛下进行烧结（一般，氢气气氛时烧结1h，氩气气氛时烧结2h），经过表面净化处理后在1550~1580℃下成膜2~3min，然后经过热弯、机械加工和在保护气氛下感应加热扩散焊接冷热端制成成品电热元件。

较好地，所述陈腐为：在5~10℃下恒温保存24~48h。

较好地，烧结时的保护气氛为氢气或氩气气氛；感应加热时的保护气氛为氩气气氛。

本发明中，二硅化钼粉体的自蔓延燃烧合成方法参见文献：郜剑英，江莞，王刚.自蔓延高温燃烧合成MoSi₂，材料科学与工艺，13(6)，2005。以自蔓延燃烧合成的二硅化钼为基体材料，在原料配比上硅过量2%，也就是说合成二硅化钼时原料中钼硅质量之比为61：39（二硅化钼中钼硅的理论质量之比为63:37）。这是因为在原料合成和产品烧结过程中部分硅会以SiO的形式损失掉，从而造成产品中会有少量富钼相生成。二硅化钼中硅过量2%，会改善电热元件的表面膜再生能力。成型结合剂所采用的钙基或钠基膨润土是由含水胶质性硅酸铝组成，最大粒径小于3μm，在水中显著膨润分散形成具有较高构造粘性的稳定水系胶质。改性添加剂为化学纯的氧化铝、氧化镁、氧化铅、氧化钡、三氧化二硼和氟化钙之中的一种或两种以上的组合，最大粒径小于3μm，与成型结合剂同时加入基体材料中进行分散。改性添加剂是控制表面膜高温熔融粘度的关键因素。

本发明的有益效果：

（1）、本发明提供的电热元件热端的保护膜是由基体材料氧化生成的SiO₂和成型结合剂与改性添加剂中的组分共熔生成的一种硅酸盐玻璃相，在1700℃以上为自由流动熔体，可以在重力作用下沿电热元件热端向下流动，以保证热端表面膜厚度不会持续增加；同时，电热元件热端局部的表面膜破坏后，周边的表面膜会向该处流动，对无膜部分进行再次覆盖从而起到保护作用；

（2）、本发明提供的电热元件热端的弯头部位采用热弯加工工艺，克服了弯头部位微观结构与热端整体不一致的现象，且消除了残余热应力的过度集中，使得热端弯头部位不再是电热元件使用过程中易于损坏的部位；

（3）、本发明提供的电热元件冷热端的焊接是在氩气保护气氛下进行，避免了焊接过程中因结合端面氧化而造成的接头内部氧化物中间夹层的生成，同时采用感应加热的方式保证了焊口部位保护膜完整，使得电热元件在高温使用过程中不会因冷热端焊接部位分离而损坏；