DE2023749C2 - Elektrisches Widerstandselement zur Verwendung bei hohen Temperaturen - Google Patents
Elektrisches Widerstandselement zur Verwendung bei hohen TemperaturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandselement zur Verwendung bei hohen Temperaturen mit
den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen und wie aus der DE-AS 11 61 693 bekannt.
Dieses bekannte elektrische Widerstandselement hat die Gestalt von Stangen oder Stäben mit Durchmessern
von einigen mm bis 12 mm und enthält beispielsweise im gesinterten Zustand etwa 8 Vol.-°/o Kieselsäure,
23 Vol.-°/o Siliciumcarbid, Rest Molybdänsilizid. Die Korngröße dieses Suizids beträgt höchstens 10 μιη und
sowohl die Silizid-Partikel als auch die Karbid-Partikel weisen eine Oberflächenschicht aus S1O2 von einigen
100 Angström bis zu mehreren hundertstel mm Dicke auf. Beim Versintern der genannten Partikel geschmelzen
die Kieselsäureschicliten der einzelnen Körner miteinander, wodurch der Sintervorgang gefördert
wird. Die gebildete S^-Oberflächenschicht kann Stärken von 1 bis 8 μπι aufweisen. Durch den
Siliciumcarbidzusatz läßt sich bei geeigneter Wahl von Menge und Korngröße des zugesetzten Siliciumcarbids
eine sonst bei höheren Temperaturen eintretende Kornvergröberung verhindern Der Siliciumcarbidzusatz
darf jedoch Mengenanteile von mehr als einigen Volumenprozenten nicht überschreiten, da höhere
Siliciumcarbid-Hehalte zu einer Gefügeveränderung in Richtung auf ein poröses Gefüge führen. Bei höheren
Siliciumcarbid-Gehalten ist das Herstellen von Widerstandselementen durch Sintern praktisch nicht mehr
möglich. Außerdem wurde festgestellt, daß sich in dem bekannten Widerstandselement das Siliciumcarbid
langsam aber stetig mit Sauerstoff und mit Siliciumoxid umsetzt, wodurch das Siliciumcarbid zu einem porösen
Material abgebaut wird. Somit läßt sich das bekannte Widerstandselement nur unter komplizierter Verfahrensführung
herstellen, und besitzen die bekannten Widerstandselemente keine lang anhaltende Beständigkeit
gegen auf Kornvergröberung beruhender Versprödung.
Aus der DE-AS 12 38 126 ist ferner ein elektrisches Widerstandsmaterial bekannt, welches ein zusammenhängendes
Siliciumcarbid-Skelett aufweist, das mit einem Metallsilizid ausgefüllt ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstandselement der aus der DE-AS
1161 693 bekannten Gattung so auszubilden, daß eine
vereinfachte Herstellung und eine gesteigerte Lebensdauer erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst
Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß der
erfindungsgemäße Glaszusatz eine Vereinfachung der Verfahrensführung mit sich bringt und daß sich das
erhaltene Widerstandselement durch eine überraschend langzeitige Beständigkeit gegen auf Kornvergröberung
beruhender Versprödung auszeichnet.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform des Widerstandselementes hat ganz allgemein die
Gestalt des griechischen Buchstabens ß und umfaßt eine ringförmige Glühzone 1 von rechteckigem
Querschnitt, wobei die radiale Breite a = 1,1 mm und die Axialabmessung bzw. Dicke b 0,5 mm beträgt. Das
dargestellte Element hat einen Außendurchmesser D von 5,2 mm und einen Innendurchmesser d von 3,0 mm.
Die Enden der Glühzone 1 gehen in zwei parallele Stege 2 und 3 über, welche ihrerseits in zwei Anschlußzonen 4
bzw. 5 auslaufen, welche im Betrieb verhältnismäßig kalt bleiben. Zwischen den Stegen 2 und 3 sowie den
Anschlußzonen 4 und 5 ist ein schmaler Luftspalt 5 vorhanden. Bei einer Temperatur von 1350° C wurde das
dargestellte Widerstandselement mit einer elektrischen Belastung von 23 A und 1,9 V betrieben und zum
Entzünden von Propan in Luft benutzt.
Der Durchmesser des drahlförmigen Widerstandselementes
liegt bevorzugt zwischen 0,15 und 1.5 mm, wobei Durchmesser von 0,35 bis 0,85 mm besonders vorteilhaft
sind. Das drahtförmige Element kann zu einer flachen Spirale oder zu einer Wendel gestaltet sein. Zweckmäßig
erfolgt das Herstellen des drahtförmigen Widerstandselementes auf pulvermetallurgischem Wege
durch Strangpressen und anschließendes Sintern. Die Teilchengröße des fertigen Drahtes oeträgt weniger als
1/15 des Drahtdurchmessers, in jedem Fall aber weniger
als 20 μηι. Vorzugsweise überschreitet das Verhältnis
von Länge zu Durchmesser beim Widerstandselementdraht, zumindest in dessen Glühzone, den Wert 200 :1.
Die das drahtförmige Widerstandselemenl umziehende dichte Oberflächenschicht aus SiO2-Glas ist praktisch
rissefrei und ausreichend dünn, um gut am Draht zu haften. Die Dicke dieser SKVGlasschicht ist jedoch
hinreichend groß, um den Draht gegen Oxidation bzw. Korrosion zu schützen. Diese an sich entgegengerichteten
Anforderungen an die SiO2-Glasschicht führen dazu, daß der Dicke dieser Oberflächenschicht durchaus
Beachtung geschenkt werden muß. Die Dicke der SiOi-Giasschicht darf nur zwischen 1 und 8 μπι
schwanken. In der Praxis hat sich als bevorzugte Dicke für diesen Glasüberzug ein Abmessungsbereich von
etwa 2 bis 5 μπι ergeben.
Der das Kornwachstum begrenzende Zusatz muß sowohl bei mäßigen Temperaturen von beispielsweise
300 bis 700° C, als auch bei erhöhter Temperatur, insbesondere im Bereich von etwa 1400 bis 1680° C
wirksam sein.
Entsprechend den vorangeschickten Ausführungen hat ein Draht mit einem Durchmesser von 0,15 mm eine
Korngröße, die den fünfzehnten Teil des Durchmessers nicht überschreitet, somit 0,01 mm = 10 μπι. Ein Durchmesser
von 030 bis 1,15 mm fünrt somit zu einer
maximalen Korngröße von 20 μπι. Zu diesen Angaben sei bemerkt, daß zulässigerweise höchstens etwa 15 und
vorzugsweise lediglich etwa 5 Gew.-°/o des Werkstoffes eine größere Kornabmessung aufweisen sollten.
Ein erfindungsgemäß aufgebautes drahtförmiges Widerstandselement ist im kalten Zustand elastisch
nachgiebig und kann im erwärmten Zustand plastisch verformt werden. Als Folge des Anteils an das
Kornwachstum bei erhöhter Temperatur begrenzenden Zusätzen erfährt der Werkstoff selbst bei längerer
Temperatureinwirkung keine Kornvergröberung, so daß keine temperaturbedingte Versprö^ung auftritt, die
die guten Materialeigenschaften herabsetzen könnte.
Im Kaltzustand bzw. nach der Fertigung und bei einer
Temperatur von +20° C hat der Draht eine Biege-Bruchfestigkeit von wenigstens 60 kp/mm2 und im
allgemeinen von mehr als 80 kp/mm2.
Der erzeugte Draht kann einer mechanischen Stoß-oder Ermüdungsprüfung unterzogen werden.
Anschließend wird durch den von Luft umgebenen Draht ein elektrischer Strom während 10 s hindurchgeleitet,
wodurch er rasch auf 1400°C erwärmt wird, worauf der Strom unterbrochen wird und der Draht
während 5 s sich abkühlen kann. Dieser Aufheiz-Abkühl-Vorgang
wird einhunderttausendmal wiederholt. Durch diese Behandlung wird die Biege-Bruchfestigkeit
des Drahtes höchstens um 40% herabgesetzt, im Falle des unteren Grenzwertes also von 60 kp/mm2 auf
wenigstens 36 kp/mm2.
Das erfindungsgemäße Widerstandselement kann die Gestalt einer wendeiförmigen Schraube haben, die ganz
oder teiliweiie an der Innenseite eines Rohres aus feuerfestem Werkstoff anliegt, vorzugsweise aus strahlungsdurchlässigem
Quarzglas, wobei die einzelnen Windungen des Widerstandselements nur an einer
Anzahl von Stellen der Innenseite des Rohres unmittelbar anliegen. Weil Quarzglas erst bei Temperatüren
von 1000 bis 1100°C kristallisiert, erzielt man dadurch den Vorteil, daß das Glas nur an wenigen
Stellen über diese Temperatur hinaus erwärmt wird, nämlich wo d.is Widerstandselement unmittelbar an der
Rohrwandung anliegt. An allen anderen Stellen des co
Quarzgiasrohres wird die Strahlung des Widerstandselementes durchgelassen, ohne daß eine Erwärmung
über die kritische Temperatur hinaus erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Widerstandselement die Gestalt einer flachen Spirale
haben, z. B. nach Art einer Unruh-Feder, die lose an einer ebenen, feuerfesten Unterlage anliegt, beispielsweise
einer Platte oder einem Ziegel aus Sillimanit bzw. Faserkiesel.
Versuche haben gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Widerstandselemente in Luft eine Erwärmung mit
Leistungen in der Größenordnung von 80 bis 90 W/cm2 Drahtoberfläche ohne weiteres aushalten und daß auch
nach langem Gebrauch bei Temperaturen oberhalb 1500° C der Draht, im Kaltzustand noch immer elastisch
und verhältnismäßig fest ist. Verglichen mit früheren Widerstandselementen, die Ferritlegierungen des Systems
Eisen-Chrom-Aluniinium-Kobalt aufwiesen, welche
unter der Handelsbezeichnung Kanthai erhältlich sind, haben die Widerstandselemente der Erfindung den
Vorteil, daß sie unmagnetisch und daher den Einflüssen von Funkstorungen und dem sogenannten Brumm nicht
unterworfen sind. Der hohe positive Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands der erfindungsgemäßen
Elemente führt dazu, daß diese bei Stromzufuhr rasch eine hohe Temperatur erreichen. Eine weitere
Wirkung des positiven Temperaturkoeffizienten besteht darin, daß Schwankungen der Temperatur in der
Glühzone gleichfalls in hohem Maße unterbunden werden.
Ein erfindungsgemäßes Widerstandselement mit einem Drahtdurchmesser von etwa 0,4 mm und
hinreichender Länge kann unmittelbar, d. h. ohne Verwendung eines Transformators, an das elektrische
Netz angeschlossen werden. Bei einer Oberflächenbelastung von 60 W/cm2 erreicht der Strom einen Betrag
von 6 A. Weil der Kaltwiderstand des Drahtes niedrig ist, tritt beim ersten Anschalten des Widerstandselements
in einen Stromkreis ein hoher Stromstoß auf, doch lassen sich dadurch bewirkte nachteilige Einflüsse
ohne weiteres beseitigen, indem das Widerstandselement von einem Thyristor angesteuert wird. Thyristoren
sind verhältnismäßig billig im Handel erhältlich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand besonderer Ausführungsbeispiele erläutert.
Ein Draht mit einem Durchmesser von 0,50 mm und einer Zusammensetzung aus 80 Vol.-°/o M0S12 mit
20 Vol.-% Glas wurde hergestellt, indem eine stranggepreßte Masse bestehend aus 95 Gew.-°/o M0S12 mit einer
Korngröße von weniger als 10 μπι und 5 Gew.-% eines glasbildenden Tons, vorzugsweise Bentonit, in zwei
Schritten gesintert wurde. Der erste Sintervorgang erfolgte in einer Wasserstoff-Atmosphäre bei 1300°C
während 30 min, und im zweiten Schritt erfolgte eine Erwärmung auf 1600°C während 10 s. Der luftgesinterte
Draht zeigte bei mikroskopischer Untersuchung einen Glasüberzug mit einer Dicke zwischen 3 und 4 μπι. Die
Kornabmessungen waren verschieden, doch hatten mehr als 50% der Körner einen ungefähren Durchmesser
von 8 μιτ! oder darunter. Ein geringer Anteil, nämlich
weniger als 5% der Körner, hatte einen Durchmesser von bis zu 20 μπι.
Bei +200C wurde ein spezifischer Widerstand von
0,315Ohm.mm2/m ermittelt, bei +15000C ein Wert
von 3,41 Ohm .mm2/m. Die Biege-Bruchfestigkeit betrug 67 kp/mm2 bei +2O0C. Nach einer Ermüdungsprüfung
der oben angegebenen Art sank diese Festigkeit auf 43 kp/mm2. Selbst nach einer Erwärmung auf 400 bis
5000C während 1000 Stunden konnten an der Außenfläche des Drahtes, wenn überhaupt, nur ganz
vernachlässigbare Spuren von Molybdändisilizid-Pest
gefunden werden.
Ein derartiges dünnes Drahtelement kann als Gasanzünder benutzt werden, sei es be>
dem Brenner eines Kochherdes oder einem Zentralbeizungsboiler. Geeignet sind Elemente mit einem Drahtdurchmesser
von 0,4 mm, die an metallische Leiter hartgelötet bzw. angeschweißt werden. Derartige Widerstandselemente
bewirken zuverlässig eine Gaszündung, wobei ihre Glühzone eine Temperatur von etwa 14000C annimmt.
Bei herkömmlichen Ausführungen bestand ein Nachteil darin, daß der Draht spröde und in der
Serienherstellung auch bei großen Mengen unwirtschaftlich war. Schwierigkeiten ergeben sich auch, weil.
für die Zündung gewisser Gasgemische sehr hohe Temperaturen des Widerstandselementes erforderlich
sind. Untersuchungen haben gezeigt, daß ein wichtiger Grund dafür in der Gestalt des Drahtes liegt, weil ein
runder Draht keine Verwirbelung des zu zündenden Gases bewirkt. Um einem Verschleiß bzw. einer
Beschädigung oder Alterung des Drahtes bei hoher Temperatur entgegenzuwirken, ist vorgeschlagen worden,
mehrere Windungen des Drahtes in Form einer Spirale oder Wendel zu benutzen, so daß eine etwas
niedrigere Temperatur ausreichen könnte. Die Massenherstellung derartiger wendel- bzw. spiralförmig gewundener
Drähte ist jedoch noch erheblich schwieriger, wobei sich die Tendenz von Molybdändisilizid zum
Erweichen bei hoher Temperatur als besonderer Nachteil erwiesen hat.
Die elektrischen Widerstandselemente gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere auch
für die Zündung von Gas oder öl. Die Elemente haben eine Glühzone, die Betriebstemperaturen im Bereich
von etwa 1100 bis 1700° C annehmen kann, und ferner
damit verbundene, verhältnismäßig kühle Anschlußzonen. Ein wichtiger Vorteil der im wesentlichen aus
Molybdändisilizid bestehenden Widerstandselemente nach der Erfindung besteht darin, daß sie wenigstens in
der Glühzone einen elektrisch leitfähigen rechteckigen Querschnitt haben, wobei jede Seite des Rechtecks
wenigstens 0,5 mm lang ist und die Querschnittsfläche im Bereich von 0,3 bis 4,0 mm2 liegt. Der rechteckige
Querschnitt des Widerstandselements in der Glühzone bewirkt eine Turbulenz, wenn das zu zündende Gas an
den Ecken bzw. Kanten vorbeistreicht. Die angegebene Gestalt des Widerstandselementes ermöglicht eine
bequeme Massenherstellung mit automatischen Vorrichtungen, ohne daß irgendwelche Hartlot- bzw.
Schweißvorgänge erforderlich wären.
Vorzugsweise erfolgt die Herstellung eines solchen Widerstandselementes wie folgt. In eine Presse wird
eine Pulvermasse eingegeben, dann komprimiert und anschließend gesintert. Das zum Füllen der Preßform
dienende Pulver hat vorzugsweise eine Korngröße zwischen 0,05 und 0,75 mm, wobei jedes Korn ein
Konglomerat aus einer großen Zahl von MOSi2-Teilchen
mit einer Kornabmessung von 1 bis 10 μπι ist. Die unteren Teilchen von Molybdändisilizid sind vorzugsweise
durch ein Bindemittel zusammengehalten, beispielsweise durch Betonit.
Durch Trocknen einer feuchten Masse, die etwa 95 Gew.-% M0S12 mit einer Korngröße von etwa 8 μηι
sowie 5 Gew.-% Betonit enthielt, wurde eine Pulvermasse hergestellt und von dieser ein Korngrößenanteil
im Bereich von 0,1 bis 0,7 mm ausgesiebt.
Nach dem Einfüllen in die Preßform wurde das Pulver mit einem Druck von 5000 kp/cm2 gepreßt. Der so
erzeugte Preßformkörper hatte die Gestalt, die stark vergrößert in Schägansicht in der einzigen Figur der
Zeichnung dargestellt ist. Anschließend wurde der Preßformkörper zwei Sintervorgängen unterzogen,
wovon der erste in Wasserstoff atmosphäre bei 13000C
und der zweite in Luft bei 16000C stattfand. Nach diesem Fertigungsgang wurden die Kaltzonen ii· an sich
bekannter Weise mit einem Metallüberzug versehen, beispielsweise durch Aufbringen von Aluminium im
Flammsprühverfahren, um ihre elektrische Verbindung mit Anschlüssen zu erleichtern bzw. zu verbessern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Elektrisches Widerstandselement zur Verwendung bei hohen Temperaturen, enthaltend wenigstens
70VoL-% M0S12 mit einer Korngröße von höchstens 20 μπι und maximal 30 VoL-% eines das
Kornwachstum bei hoher Temperatur begrenzenden Zusatzes, wobei das Widerstandselement mit
einer dichten äußeren Oberflächenschicht aus SiOrGlas mit einer Dicke zwischen 1 bis 8 μπι
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus einem Glas besteh L
2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens in seiner
GlOhzone (1) einen elektrisch leitfähigen rechteckigen Querschnitt hat, wobei jede Seite des Rechtecks
wenigstens 0,5 mm lang ist und die Querschnittsfläche 0,3 bis 4,0 mm2 beträgt
3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in Gestalt eines
Drahtes mit einem Durchmesser im Bereich von 0,15 bis 1,15 mm, insbesondere von 0,35 bis 0,85 mm,
ausgebildet ist.
4. Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu
Durchmesser des Drahtes den Wert 200:1 überschreitet.
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-
1970
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Also Published As
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