Die Materialeigenschaften des Heizelements schränken die Auswahl auf wenige Materialien ein. Die gebräuchlichsten Materialien sind Nickel-Chrom, Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen, Molybdänsilizid und Siliziumkarbid. Diese Materialien können aufgrund ihrer Fähigkeit, Hochtemperaturoxidation zu widerstehen, bei hohen Temperaturen arbeiten. Die andere Gruppe besteht aus Graphit, Molybdän, Wolfram und Tantal. Diese Materialien werden bei hohen Temperaturen oxidiert und werden meist in Vakuumumgebungen oder Öfen mit sauerstofffreier Atmosphäre verwendet.
Ni-Chrom (Ni-Cr)-Legierung
Aufgrund seiner Duktilität, seines hohen spezifischen Widerstands und seiner Oxidationsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen ist dieser Typ eines der am häufigsten verwendeten Materialien für Heizelemente. Die häufigste Zusammensetzung von Nickel-Chrom-Legierungen ist 80/20 oder 80 Prozent Nickel, 20 Prozent Chrom. Andere Zusammensetzungen hängen vom Hersteller ab. Aufgrund seiner hohen Duktilität wird es bei der Verwendung als Heizelement oft zu einem Draht gezogen. Eine übliche Anwendung, die diese Eigenschaft aufweist, sind Heißdraht-Schaumschneider. Die maximale Erwärmungstemperatur von Nickel-Chrom-Drähten beträgt etwa 1.100 bis 1.200 Grad.
Eisen-Chrom-Aluminium (Fe-Cr-Al) Legierung
Die chemische Zusammensetzung dieser Art von ferritischer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung beträgt typischerweise 20 bis 24 % Chrom, 4-6 % Aluminium und Eisen als Ränder. Im Vergleich zu Nickel-Chrom sind Eisen-Chrom-Aluminium-Heizungen flexibel und haben ein geringeres Gewicht. Sie können auch höhere Temperaturen erzeugen als Nickel-Chrom-Drähte, etwa 1.300 bis 1.400 Grad. Aufgrund des auf Eisen basierenden Metalls schwankt der Preis dieser Legierung weniger als Ni-Cr, das hauptsächlich aus Nickel besteht. Der Nachteil der Verwendung von Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen besteht darin, dass sie bei höheren Temperaturen eine verringerte Festigkeit aufweisen.
Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen können durch einen Prozess namens Pulvermetallurgie besser gemacht werden. Bei diesem Verfahren werden Legierungsbarren zu Pulver verarbeitet und zu Formen gepresst. Anschließend wird es in einer temperaturkontrollierten Atmosphäre gesintert oder heißgepresst (heißisostatisches Pressen), um eine metallurgische Verbindung herzustellen, ohne das pulverisierte Metall vollständig zu schmelzen. Der Legierungsmischung werden Dispersionen zugesetzt, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern und dadurch zusätzliche Festigkeit und Zähigkeit bei höheren Temperaturen zu verleihen.
Molybdändisilizid (MoSi2)
Molybdändisilizid ist ein feuerfestes Cermet (Keramik-Metall-Verbundwerkstoff), das hauptsächlich als Heizelementmaterial verwendet wird. Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes und seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist dies ein idealer Werkstoff für Hochtemperaturöfen. Molybdänsilizid-Heizelemente werden durch eine Vielzahl energieintensiver Prozesse wie mechanisches Legieren, Verbrennungssynthese, Schlagsynthese und heißisostatisches Pressen hergestellt.
MoSi₂-Heizer können Heiztemperaturen bis zu 1.900 Grad erreichen. Die Nachteile der Verwendung von Molybdänsilicid sind seine geringe Zähigkeit und das Hochtemperaturkriechen unter Umgebungsbedingungen. Es ist bei Raumtemperatur spröde und muss sehr vorsichtig behandelt werden. Eine höhere Zähigkeit wird bei einer spröd-zähen Übergangstemperatur von etwa 1,000 Grad erreicht. Andererseits führt eine höhere Kriechrate dazu, dass sich das Heizelement bei hohen Temperaturen leicht verformt. Die gebräuchlichste Art von MoSi2-Element ist das 2-Griff-Haarnadel-Design, das normalerweise an der Ofendecke aufgehängt und um die Ofenwand herum angeordnet ist. Andere Formen werden häufig in Kombination mit keramischen Isolationsformteilen verwendet, um als integriertes Paket mechanische Unterstützung und thermische Isolierung bereitzustellen.
Siliziumkarbid (SiC)
Dies ist eine Keramik, die durch Rekristallisation oder Reaktionskombination von SiC-Körnern bei Temperaturen über 2.100 Grad hergestellt wird. Siliziumkarbid-Heizelemente sind porös (typischerweise 8-25 Prozent), in denen die Atmosphäre im Inneren des Ofens durch einen Querschnitt des Materials reagieren kann. Das gesamte Heizelement kann allmählich oxidieren, was dazu führt, dass die Widerstandseigenschaften des Elements mit der Zeit zunehmen (häufig als „Alterung“ bezeichnet). Eine variable Spannungsversorgung ist oft erforderlich, um die Spannung des Elements über die Lebensdauer des Elements zu erhöhen allmähliches Aufrechterhalten der gewünschten Ausgangsleistung des Elements. Diese Alterung begrenzt letztendlich die Lebensdauer und Leistung des Heizelements.
Siliziumkarbid hat viele Eigenschaften, die es für die Herstellung von Heizelementen geeignet machen, die für extrem hohe Betriebstemperaturen geeignet sind. Diese Keramik hat keine flüssige Phase. Das bedeutet, dass die Elemente bei keiner Temperatur durchhängen oder sich durch Kriechen verformen, und es ist keine Abstützung im Inneren des Ofens erforderlich. Siliziumkarbid wird direkt bei einer Temperatur von etwa 2.700 Grad sublimiert. Darüber hinaus ist es gegenüber den meisten Prozessflüssigkeiten chemisch inert und hat eine hohe Steifigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Heizgeräte aus Siliziumkarbid können Heiztemperaturen von etwa 1.600 bis 1.700 Grad erreichen.
Graphit
Graphit ist ein Mineral aus Kohlenstoff, in dem Atome in einer hexagonalen Struktur angeordnet sind. Dieses Mineral, auch in seiner synthetischen Form, ist ein guter Wärme- und Stromleiter. Graphit kann bei Temperaturen über 2,000 Grad Wärme erzeugen. Bei hohen Temperaturen steigt sein Widerstand deutlich an. Darüber hinaus hält es Temperaturschocks stand und wird auch nach schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen nicht spröde. Der Hauptnachteil der Verwendung von Graphit ist, dass es bei Temperaturen um 500 Grad leicht oxidiert. Eine fortgesetzte Verwendung innerhalb dieses Bereichs führt schließlich zu einem Materialverbrauch. Graphitheizelemente werden oft in Vakuumöfen verwendet, wo Sauerstoff und andere Gase aus der Heizkammer abgeführt werden. Sauerstoffmangel verhindert nicht nur die Oxidation des geschmolzenen Metalls, sondern auch des Heizelements selbst. Graphit kann zum Versiegeln von Folien verwendet werden, die zu elektrischen Heizfolien aus Kohlenstoffkristallen, elektrischen Heizfolien aus Graphen und anderen Folienheizungsprodukten verarbeitet werden.
