Heizsysteme.

Heizelemente aus hochschmelzenden Metallen müssen den Normen der Klasse 1 AMS 2750 entsprechen. Sie müssen daher eine Temperaturgleichmäßigkeit von +/-5°F im Vergleich zu Heizelementen aus Graphit aufweisen.

Heizelemente aus Graphit eignen sich nicht für den Einsatz über 2400-2700°F (1315-1482°C). Die maximale Rampenrate für Temperaturen unter 2400°F beträgt bei Graphitheizungen 45°F pro Minute. Öfen mit Graphitheizungen sind als Klasse 2 AMS 2750 definiert.

Die Wahl des Heizelementmaterials hängt weitgehend von der Betriebstemperatur ab. Für allgemeine Wärmebehandlungsanwendungen bei höheren Temperaturen, wie z. B. Härten oder Hartlöten, setzt man gern Molybdän-Heizelemente ein. Für spezielle Wärmebehandlungsanwendungen über 1482°C (2700°F) wird gern ein hochschmelzendes Metall wie Tantal oder Wolfram verwendet, aber auch Graphit.

Im Allgemeinen verwendet man einen der folgenden Werkstoffe:

• Molybdän: mit einer maximalen Betriebstemperatur von 1100°C. Molybdän wird bei hohen Temperaturen spröde und reagiert empfindlich auf Veränderungen des Emissionsvermögens, die durch den Kontakt mit Sauerstoff oder Wasserdampf hervorgerufen werden.
• Lanthanisiertes Molybdän (auch bekannt als lanthandotiertes Molybdän oder MoLa) mit einer maximalen Betriebstemperatur von 1600°C hat eine höhere Rekristallisationstemperatur als reines Molybdän oder HCT (Kalium-Silizium-dotierte) Molybdänlegierungen. Es weist in der Regel eine bessere Duktilität nach der Rekristallisation auf.
• Tantal: Elemente aus Tantal haben eine hohe Einsatztemperatur, typischerweise 2400°C (4350°F). Tantal ist ein starkes Getter-Material, das durch den Kontakt mit Sauerstoff oder Wasserdampf spröde wird. Es reagiert empfindlich auf Änderungen des Emissionsgrades.
• Wolfram: Elemente aus Wolfram haben die höchste Einsatztemperatur, typischerweise 2800°C (5075°F). Wolfram wird spröde, wenn man es Sauerstoff oder Wasserdampf aussetzt. Es reagiert empfindlich auf Änderungen des Emissionsgrades.

Einsatz von Molybdän

Molybdän und andere feuerfeste Werkstoffe (W, Ta) sind eine beliebte Wahl für Heizelemente. In Plattenform ist die Wattdichte der strahlenden Oberfläche im Vergleich zu zylindrischen Stäben gering. Das ermöglicht niedrigere Betriebstemperaturen. Die wichtigsten Einschränkungen von Molybdän sind Rekristallisation und Temperatur. Das Erhitzen von Molybdän und seinen Legierungen über die Rekristallisationstemperatur hinaus führt dazu, dass sie spröde und anfällig für Risse werden. Dies ist die Folge von Veränderungen im Korngefüge. Das ist einer der Gründe, warum dotiertes Molybdän (mit fein verteilten Oxid-Dispersoiden) höhere Rekristallisationstemperaturen und eine bessere Duktilität nach der Rekristallisation aufweist.

Reines Molybdän ist eine beliebte Wahl für Heizelemente, Herdträger und -balken, Gasdüsen und einige Strukturträger, vor allem aus Kostengründen für Anwendungen in Vakuumöfen im Bereich von 900-1100ºC.

TMZ-Molybdän hat eine höhere Festigkeit, Rekristallisationstemperatur und bessere Kriechfestigkeit als reines Molybdän. Die empfohlenen Anwendungstemperaturen liegen zwischen 1000°C und 1400°C.

Lanthanisiertes Molybdän ist bis zu Temperaturen von über 1600 °C stabil und zeichnet sich durch eine außergewöhnlich gute Kriechfestigkeit und eine höhere Duktilität (nach Verwendung bei erhöhten Temperaturen) aus. Deshalb wird es heute für Heizelemente, Herdträger und Strukturbauteile verwendet.

Einsatz von Wolfram

Wolfram wird in Vakuumöfen verwendet, wenn strukturelle Integrität bei hohen Temperaturen erforderlich ist, und/oder in Situationen, in denen andere Materialien zersetzt werden können, z.B. wenn Eutektika mit niedrigerem Schmelzpunkt ein Problem darstellen. Ein Beispiel für die Verwendung von Wolfram sind Rollenschienen, bei denen Graphiträder zwischen Molybdänschienen mit Wolframachsen angeordnet sind.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird Wolfram häufig als Konstruktionsmaterial in bestimmten Bereichen der heißen Zonen von Vakuumöfen verwendet, die bei über 1315ºC arbeiten. Strahlungsabschirmungen für diese Hochtemperaturöfen stellt man häufig aus Wolfram (oder Tantal) her, womit eine maximale Betriebstemperatur von 2400°C (4350°F) erreicht werden kann. Wolfram lässt sich darüber hinaus auch für Heizelemente verwenden, da es die höchste Betriebstemperatur hat, in der Regel 2800°C (5075°F). In der Praxis wird dieser Wert oft herabgestuft, wie bei allen Heizelementmaterialien. Wolfram wird jedoch spröde, wenn es Sauerstoff oder Wasserdampf ausgesetzt wird, und reagiert empfindlich auf Änderungen des Emissionsgrades. Im Allgemeinen ist Wolfram bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 60 % korrosionsbeständig.