作者：GregMatula–H.C.Starck产品制造部；美国俄亥俄州欧几里德

“难熔金属”一词通常是指熔点超过2,°C的金属。以高熔点为特色的难熔金属被广泛用于高温炉部件的设计和制造。

难熔金属主要有：钨(W)；钼(Mo)；含有0.3%(重量比)、0.6%或1.1%La2O3的钼镧(MoLa)合金；含有0.5%钛和0.08%锆的钼合金(TZM)；钽；还有铌。

热处理用高温炉的最重要部件之一是发热元件(图1)。

图1.左侧是真空炉用圆形钼镧发热元件的例子，右侧是金属喷射成型应用中钨发热体的例子。

在为发热元件选择合适的材料和设计型式时，技术人员需要考虑如下所述的一些基本条件：

A.工艺类型，即温度、气氛和热处理产品

B.全面考虑热损失和加热速度后的加热能力

C.发热元件的几何参数，比如金属加热带的宽度、厚度和长度，加热棒的外径，加热管的内径，管式元件的内径和外径，网状发热元件的电热丝直径、卷筒直径、并联线圈数量、线圈节距和正面占总表面积的比例。

D.电气连接的类型(比如星形、三角形或斯科特变压器)

E.特殊的电气、物理和强度参数，包括：

i.工作温度下的表面辐射(瓦/平方厘米)

ii.工作温度下的发射率

iii.工作温度下的电阻率(欧姆?平方毫米/米)——计算时要用到整个加热控制区的电阻(欧姆)、变压器的功率和次级电压(伏特，千瓦)及最终的馈入电流(安培)

iv.机械性能，比如弹性模量(图2)、线性膨胀系数(图3)和极限抗拉强度

图2.难熔金属的弹性模量

图3.难熔金属的平均线性膨胀系数

H.C.Starck的难熔金属

在为加热炉选择难熔金属时，应当考虑工作条件和被处理产品的性能。表1展示了最常用的难熔金属对炉内气氛的适应性，表2则给出了它们对常见耐材的适应性。

钨(W)、钼(Mo)、含La2O3(0.3%、0.6%或1.1%)的钼镧(MoLa)合金、含0.5%钛和0.08%锆的钛锆钼(TZM)合金等难熔金属是冶金工艺的“最佳选择”，能够生产出光亮洁净的部件。

这些敏感的工艺包括了采用间歇式和连续式炉进行的扩散接合、铝钎焊、去应力退火、脱气和清洗、真空和气体保护钎焊以及烧结和金属喷射成型等。

超合金是专为热处理工艺而定制的难熔金属材料，其中包括了钛、Rene-80镍基超合金、哈氏合金和钨等不同类型。用难熔金属制成的发热元件必须达到AMS一级炉的标准(温度均匀性+/-5°F)。

相比之下，在温度高于1,°C–1,°C时不建议使用石墨发热元件。石墨发热体在1,°C以下的最大加热速度为45°F/分，而使用石墨发热体的加热炉在AMS中被划分为二级炉。

钼镧(MoLa)合金

含有0.3%(重量比)、0.6%或1.1%La2O3的钼镧合金是一种氧化物弥散强化(ODS)钼，钼基体中含有极其细小的三氧化二镧颗粒。这一组合使钼镧材料具备了优异的性能，表现出极佳的抗再结晶和抗高温翘曲能力。

钼镧合金的微观结构在温度高达2,°C时保持稳定。对于像发热元件这样的炉用部件，这种合金是额定工作温度在1,°C–1,°C范围内的加热炉的最佳选择(发热体的温度远高于炉温设定点)。发热元件的大致温度可按下面的公式计算。

其中：

Te是发热元件的温度，°F

Tf是炉温设定点，°F

Rfs是表面辐射，瓦/平方英寸

Em是发射率

难熔金属的表面辐射(瓦/平方厘米)随温度线性增大(比如在1,°C–2,°C之间从3.86增大到.7)。

在工程计算中，辐射值(Rfs)通常被取为1°C时3.86瓦/平方厘米，1,°C时8.7瓦/平方厘米，1,°C时18.6瓦/平方厘米，1,°C时30.3瓦/平方厘米。

钼、钼合金和钨(未氧化)的平均发射率和电阻率指标分别在表3和图4中给出。

图4.难熔金属的电阻率

含镧0.6%的钼镧合金是“指标最好”的类型，具有最佳的综合性能水平。镧含量低(0.3%)的钼镧合金在1,°C–1,°C温度下的性能与纯钼相当。

镧含量高的钼镧合金所具有的优点，比如出色的蠕变强度，只有在材料用于高温之前经过再结晶才能发挥出来。从1,°C开始，1,小时蠕变应力从大约26千磅/平方英寸减小到1,°C的大约1.45千磅/平方英寸。

钛锆钼(TZM)合金

TZM是一种成熟的钼合金(含有0.50%钛和0.08%锆，其余为钼)，采用粉末冶金或真空电弧熔炼工艺制造。它在需要高强度和高抗蠕变性的高温应用中表现相当出色。

TZM在高温下使用时不会软化或弱化。对于像发热元件这样的高温应用，如果工艺允许钛和锆的成分存在的话，TZM就是额定工作温度在1,°C–1,°C范围内的加热炉的理想材料。从1,°C开始，1,小时蠕变应力从大约3千磅/平方英寸减小到1,°C的大约0.5千磅/平方英寸。1,°C时的1,小时蠕变应力约为4.4千磅/平方英寸。

结论

已有的钼和钨的机械性能数据对于正确地选择发热元件的材质和类型至关重要。

本项研究得到了一些重要的结论，其中最重要的一条是，采用难熔金属进行复杂加热系统的设计有足够的技术数据可供使用。

技术人员将会发现，介绍的每种材料都有各自的特点，使其适合于不同的具体应用。

钼和钨的热膨胀系数低，导热系数大(图5)，对各种环境条件的适应性好，弹性模量大，这意味着难熔金属能够在冶金炉上大量使用，是精密热处理用发热元件的理想材料。

图5.难熔金属和石墨的导热系数对比

发热元件也可以用各种类型的非难熔金属制成。发热元件的形状经常受到以前的专利方案(尤其是发热元件的连接方式)的制约，而不是因为技术上的局限性。

技术人员在使用非难熔金属设计发热元件时一定要非常小心。难熔金属则没有这样的限制，这是它们最重要的优点之一。为了作出客观的讨论和分析，有必要对热处理炉发热元件使用的难熔和非难熔金属的最重要性能指标进行对比。

欲了解更多资料，请联系：GregMatula，工程硕士，H.C.Starck产品制造部应用工程师，TungstenRoad,Euclid,OH美国；+/；传真：+；电子邮箱：grzegorz.matula