本文綜述電阻式加熱真空熱處理爐中常用的金屬和非金屬加熱元件所用的材料特性，以及各種材料的優缺點、適用場合、常用加熱元件的結構形式等。分析了金屬及非金屬加熱元件損耗、損壞的主要原因，給出延長加熱元件的使用壽命、減小加熱元件損耗的措施。最后為真空電阻式熱處理爐用加熱元件設計提出若干參考建議。

　　真空熱處理技術的崛起和迅猛發展，一方面源于工業技術發展的需要，另一方面是由于真空熱處理具有其他熱處理不可比擬的一系列突出優點：防止被處理的工件表面氧化、脫碳并有還原除銹作用，省去表面磨削加工工序，從而節約原材料的消耗，節省加工時間；真空脫氣作用，使材料表面純度提高，提高材料的疲勞強度、塑性和韌性，提高耐腐蝕性；脫脂作用，除去殘留油脂，提高產品質量；處理工件無氫脆危險，防止鈦和難熔金屬表面脆化；淬火變形小；與可控氣氛爐相比，不需優質可燃氣體氣源，蓄熱損失小，熱效率高，節省能源，可實現快速升溫和快速降溫；真空熱處理工藝的穩定性和重復性好；操作安全，自動化程度高，工作環境好，無污染無公害。真空技術網(http://m.203scouts.com/)認為缺點和不足在于：某些合金和元素在真空中蒸發較大，需充入惰性氣體加熱保護。

1、真空熱處理爐加熱元件材料

　　由于真空熱處理爐內處于真空狀態，因此，加熱元件以熱輻射形式向工件傳遞熱量，此外，加熱元件的揮發速度高于普通電爐。在設計真空熱處理爐中加熱元件的材料時需要考慮：選用電阻率較高的材料；較小的電阻溫度系數；足夠的高溫機械強度；較小的熱膨脹系數；不與爐內保護氣氛及爐襯等發生化學反應；耐熱性；易加工性等。此外，還需根據真空熱處理爐的溫度、結構、工藝要求、經濟性等具體因素綜合考量后選擇加熱元件材料。

　　真空熱處理爐中的加熱元件根據材料不同可分為金屬和非金屬兩種。金屬加熱元件所用材料有：鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉬、鎢、鉭等；非金屬加熱元件有：碳化硅、二氧化鉬、石墨等。真空電阻爐內常用電熱材料類型及特性如表1 所示。

表1 真空電阻爐內常用電熱材料類型及特性

　　1.1、金屬材料加熱元件

　　鎳鉻、鎳鉻鐵合金具有較高而穩定的電阻率，耐腐蝕及表面抗氧化性能好，在高溫下有較好的強度，抗振動、變形性能好，有良好的加工性能和可焊性，廣泛用于工業電爐，冶金、家用電器，機械制造，發熱元件和電阻變阻器等材料。鐵鉻鋁合金是一種高電阻合金材料，具有電阻率高、電阻溫度系數小、耐高溫壽命長、重量輕、價格便宜、表面熱負荷較鎳鉻合金高等優點，在大氣條件下比鎳鉻合金使用壽命長，尤其適合在含有硫和硫化合物氣氛中使用，是工業電爐，家用電器、紅外線加熱裝置中理想的發熱材料。以上兩種合金在空氣中的最高使用溫度在1100~1300℃，考慮到金屬蒸發影響，在真空中的最高使用溫度應略有降低。

　　為了延長鐵鉻鋁合金在真空中的使用壽命，可先將由鐵鉻鋁合金制成的加熱元件在空氣中加熱到1000~1050℃，保持7~8 h，使其表面產生一層氧化膜。對用鎳鉻合金制成的加熱器雖然沒有保護的氧化薄膜，但在真空中仍然可以使用到1130~1170℃，而且具有良好的耐熱性與耐腐蝕性。

　　以上兩類合金材料一般適用于真空熱處理爐額定溫度低于1000℃的情況下。對于額定溫度高于1000℃甚至更高的真空熱處理爐，加熱元件則應選取難熔金屬或非金屬材料。難熔金屬材料包括鎢、鉬、鉭、鈮、鉑等，其中前三種材料較為常見。

　　額定溫度在1000℃ ~1600℃( 少數可達1700℃)的真空爐，加熱元件材料可選擇鉬絲或鉬片作為發熱體；溫度低于2200℃情況下，可選用難熔金屬鉭作為加熱元件材料，鉭的加工性能優于鉬，可以焊接，加工時邊角料可以回收，但是不可在氫氣氣氛下使用，但是鉭金屬很昂貴，一般只在特殊情況下用作加熱元件材料；鎢是使用溫度最高的難熔金屬，最高溫度可達2 400～2500 ℃，但由于鎢片耐沖擊力差，質地很脆，加工時易產生裂紋，因而成品率很低。

　　1.2、非金屬材料加熱元件

　　碳化硅材料的使用溫度高，能夠在空氣中使用， 材料價格低， 在空氣中的使用溫度可達1400℃，但在真空中元件間的電阻一致性差，易老化，新老元件不易匹配，需配調壓器，并且，材料質脆，易斷裂，且存在連接麻煩等問題，所以真空爐中很少使用。

　　二硅化鉬材料的使用溫度高，能夠在空氣中使用，在空氣中最高使用溫度可達1700℃，并且價格低廉，使用時需要配變壓器，但考慮到材料在室溫下脆，在1300℃變軟，并且隨著真空度的提高，元件的最高使用溫度會隨之下降，故在真空爐中也很少采用。

　　石墨是最常見的真空熱處理爐的非金屬加熱元件材料，具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊、高溫機械強度好、加工性能好、價格低廉、線膨脹系數接近零、電阻溫度系數小、容易得到高溫、熔點高等優點，在真空熱處理爐中得到廣泛應用。

　　此外，使用石墨加熱元件，可以使爐內氣氛中含有低濃度的碳與殘余氣體中的氧氣和水蒸氣分子發生反應，產生凈化效果，并能與已氧化的金屬發生還原反應，起到一定的除銹作用。

2、真空熱處理爐加熱元件結構形式

　　加熱元件的結構形式直接影響真空熱處理爐的效率及使用壽命，因此，真空技術網(http://m.203scouts.com/)認為合理選擇加熱體的結構形式也是真空熱處理爐設計的關鍵問題之一。根據結構形式不同可分為片狀、板狀如圖1、帶狀如圖2、絲狀、鼠籠棒狀、網狀、棒狀如圖3等。

圖1 石墨板材

圖2 鎳鉻帶材

　　為了避免鎳鉻合金加熱元件在真空中放電，一般采用低電壓，同時不能用螺旋狀電熱絲結構，因為螺旋結構間距較小，容易產生放電和熱變形引起短路。高熔點金屬鉬、鉭、鎢以線、帶、板狀做加熱器，它的結構形式很多，但總的一般希望盡量減少與耐火材料、絕緣材料的接觸，以免發生化學反應，降低加熱器的壽命。常用鎢絲制成鼠籠(三相或單相)狀發熱體，為了提高鎢絲的輻射面，充分發揮鎢絲材料的特性，可將單根鎢絲繞制成鎢絲網，再組成筒狀的加熱器，近年來，一些生產廠家研制出鎢絲筐發熱體，真空技術網(http://m.203scouts.com/)認為它具有耐高溫、抗變性、使用壽命長等優點。

圖3 石墨棒材

　　石墨由于加工性能良好，它可以制成板、管、棒、筒、布、帶等形狀，因此石墨加熱器的結構型式更是多種多樣的。對于用石墨管、棒、筒制成的加熱器大部分用石墨聯接塊聯接，在結構上應考慮安裝、維修方便，目前大部分采用研配的方式。對用石墨布或石墨帶制成的加熱器可以用石墨夾板或石墨楔塊加以固定。對于用石墨板制成的加熱器的聯接方式更加簡單，可將石墨板通過鉬螺桿與水冷電極直接聯接起來。

3、真空熱處理爐加熱元件損耗、損壞分析

　　由高熔點金屬制成的加熱元件會隨著真空度和溫度的升高而蒸發加劇，如鉬在1800℃、鉭在2200℃、鎢在2400℃以上使用時，蒸發更為劇烈。石墨的熔點很高為3700℃，但其在真空中使用溫度超過2400℃時也會迅速蒸發，為了抑制加熱元件在真空中的蒸發，可在爐內通入一定壓力的惰性氣體或高純氮氣。用高熔點金屬鉬、鎢、鉭制成的加熱元件，在氧化和滲碳氣氛中都會發生反應，因此不能在上述氣氛中使用。鉬在氧化性氣氛中會生成極易升華的氧化鉬，在滲碳性氣氛中會生成高電阻率的碳化物，甚至造成電熱元件斷裂。

　　石墨材料作為加熱元件在較低溫度使用時，其蒸發損失很小，損壞多由于材料性能、應力損壞、氧化速度、機械電氣故障引起的損壞。石墨材料的材質對加熱元件有較大影響，如果選擇顆粒過粗，材質不均勻的石墨材料做加熱元件，局部缺陷會導致局部電阻過大，產生局部過熱，導致使用壽命下降，甚至會燒斷加熱器；石墨加熱器工作時產生的熱應力會對其產生損壞。石墨在低溫時導熱性能良好，在高溫時就下降為低溫時的幾分之一，造成石墨加熱元件表面和心部的溫度差，使斷面伸長不一，產生熱應力，損壞加熱元件；石墨加熱器的氧化生成物容易散逸，不會形成致密氧化膜保護層，從而使氧化連續進行，如果爐內密封不好或惰性氣體純度不夠會加劇石墨加熱元件的氧化；爐內工件材料揮發凝結使石墨加熱元件與絕緣件連電短路也會損壞石墨加熱元件；當石墨加熱元件與其它金屬零件相互連接時，由于線膨脹系數差別大造成應力，使石墨件受擠壓或拉伸，加快石墨加熱元件斷裂；此外石墨件加工、安裝質量對石墨加熱元件的使用壽命也有十分顯著的影響，石墨件接觸面光滑程度不夠會使接觸電阻過大，燒壞石墨加熱元件，安裝時過松會出現由于接觸不良而產生的拉弧，從而燒壞加熱器和接頭，過緊則會由于石墨材料的塑性差而使其受力損壞。

4、結論

　　在設計真空爐加熱元件時，要綜合考量加熱元件材料特性以及工藝過程中材料受到的影響：

　　①真空爐的工作溫度是否會使加熱元件材料產生劇烈蒸發，是否會使其產生強度上的變化，這種變化對加熱元件的影響是有利的還是不利的；

　　②工作氣氛是否在真空爐溫度變化范圍內與加熱元件產生反應，如果發生反應，反應生成物對整個工藝過程及設備各部件有哪些影響；

　　③加熱材料的結構和安裝形式是否會加劇加熱元件的損耗；

　　④加熱元件的材料是否是難以得到的稀有資源，是否容易加工成理想的結構形式等。

　　最后，選擇性價比最優的材料，以最合適的結構形式，安裝到特定工藝過程的真空熱處理設備上，以延長加熱元件的使用壽命，既滿足工藝要求，又達到節約資源的目的。