DE2023749C2 - Elektrisches Widerstandselement zur Verwendung bei hohen Temperaturen - Google Patents

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.

Beispiel 1

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.

Beispiel 2

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)

Patentansprüche:

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.