Kategorien: Widerstandsmaterial , Heizmaterialien

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Betriebsdauer
Korrosionsbeständigkeit

Betriebsdauer

Die Lebensdauer des Elements hängt ab von: der verwendeten Legierung, der Elementtemperatur, dem Elementdesign, der Umgebungsatmosphäre, dem Heizzyklus, der Art der Elementträger und weiteren Faktoren.

Widerstandsheizlegierungen bilden beim Erhitzen eine Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, die eine weitere Oxidation des Materials verringert. Um diese Funktion zu erfüllen, muss die Oxidschicht dicht sein und der Diffusion von Gasen sowie Metallionen widerstehen. Außerdem muss es dünn sein und bei Temperaturschwankungen gut am Metall haften. Durch sorgfältiges Ausbalancieren der Legierungselemente können Legierungen mit längerer Lebensdauer, höheren maximalen Betriebstemperaturen und verbesserter mechanischer Festigkeit bei hohen Temperaturen erreicht werden.

Die schützende Oxidschicht auf Kanthal®-Legierungen, die bei Temperaturen über 1.000 °C (1.830 °F) entsteht, besteht hauptsächlich aus Aluminiumoxid. Die Farbe ist hellgrau, während bei niedrigeren Temperaturen (unter 1.000 °C oder 1.830 °F) die Oxidfarbe dunkler wird. Die Aluminiumoxidschicht verfügt über hervorragende Isoliereigenschaften und eine gute chemische Beständigkeit gegenüber den meisten Verbindungen.

Auch bei guter Haftung lässt sich ein gewisses Abplatzen (Abblättern) der Oxidschicht nicht vermeiden. Beschädigungen der Oxidschicht werden durch die spontane Neubildung der Oxidschicht repariert.

Das auf Nikrothal®-Legierungen gebildete Oxid besteht hauptsächlich aus Chromoxid. Die Farbe ist dunkel und die elektrischen Isoliereigenschaften sind denen von Aluminiumoxid unterlegen. Die Oxidschicht auf Nikrothal®-Legierungen platzt und verdampft leichter als die dichtere Oxidschicht, die sich auf Kanthal®-Legierungen bildet.

Bei einem runden Draht ist das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche proportional zum Durchmesser. In der Praxis bedeutet dies, dass mit zunehmendem Drahtdurchmesser mehr Legierungselement pro Oberflächeneinheit zur Bildung eines neuen Oxids zur Verfügung steht. Daher haben dickere Drähte bei einer bestimmten Temperatur eine längere Lebensdauer als dünnere Drähte. Entsprechend führt bei Bandelementen eine erhöhte Dicke zu längerer Lebensdauer.

Um die relative Qualität einer Widerstandslegierung einzuschätzen, muss eine Testmethode gewählt werden, die sowohl die Oxidationsrate als auch das Abplatzen berücksichtigt. Die bei Kanthal verwendete Methode ist der Bash-Test (ASTM B-76 und B-78). Ein Draht der Stärke 0,7 mm wird elektrisch auf eine standardisierte Temperatur erhitzt und in einem Zyklus von zwei Minuten ein- und ausgeschaltet. Die Zeit bis zum Ausfall wird aufgezeichnet.

Die Ergebnisse solcher Tests sind in der folgenden Tabelle für Kanthal®- und Nikrothal®-Legierungen aufgeführt. In der Tabelle ist die Langlebigkeit von Kanthal® A-1-Draht bei 1200 °C mit 100 % angegeben. Die Langlebigkeit der anderen Legierungen steht zu diesem Wert im Verhältnis.

Zahlreiche praktische Anwendungen zeigen zudem eine deutlich längere Lebensdauer von Kanthal®-Elementen als von mit NiCr(Fe)-Draht bestückten Elementen.

Die Lebensdauer der Widerstandsheizlegierung hängt von mehreren Faktoren ab. Zu den wichtigsten zählen:

  • Temperatur
  • Temperaturzyklen
  • Kontamination
  • Legierungszusammensetzung
  • Spurenelemente und Verunreinigungen
  • Drahtdurchmesser
  • Oberflächenbeschaffenheit
  • Atmosphäre
  • Mechanische Beanspruchung
  • Regelungsmethode

Da diese für jede Anwendung einzigartig sind, ist es schwierig, allgemeine Leitlinien für die Lebenserwartungen zu geben. Nachfolgend finden Sie Empfehlungen zu einigen wichtigen Designfaktoren.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosive oder potenziell korrosive Substanzen können die Lebensdauer von Heizwiderstandsdrähten erheblich verkürzen. Korrosion kann durch schwitzende Hände, Montage- oder Trägermaterialien oder verschiedene Verunreinigungen verursacht werden.

Dampf

Dampf wirkt sich besonders nachteilig auf die Drahtlebensdauer aus. Dabei ist die Wirkung auf Nikrothal®-Legierungen stärker ausgeprägt als die auf Kanthal®-Legierungen.

Halogene

Halogene (Fluor, Chlor, Brom und Jod) greifen alle Hochtemperaturlegierungen aggressiv an, selbst bei relativ niedrigen Temperaturen.

Schwefel

Auch schwefelhaltige Atmosphären stellen eine Gefahr dar. Kanthal®-Legierungen weisen in diesen Umgebungen jedoch eine wesentlich bessere Langlebigkeit auf als Legierungen auf Nickelbasis. Kanthal®-Legierungen sind besonders stabil in oxidierenden schwefelhaltigen Gasen. Ihre Standzeit verringert sich jedoch in reduzierenden schwefelhaltigen Gasen. Umgekehrt sind Nikrothal®-Legierungen empfindlicher gegenüber Schwefel.

Salze und Oxide

Die Salze von Alkalimetallen, Borverbindungen und weiteren sind in hohen Konzentrationen für Heizwiderstandslegierungen schädlich.

Metalle

Geschmolzene Metalle wie Zink, Messing, Aluminium und Kupfer können mit Widerstandslegierungen reagieren, sodass ein Schutz vor Spritzern dieser Metalle erforderlich ist.

Keramisches Trägermaterial

Bei direktem Kontakt mit Heizdrähten sollte der Keramikträger sorgfältig ausgewählt werden. Als Drahtträger verwendete Schamottsteine müssen mindestens 45 % Aluminiumoxid enthalten. Bei Hochtemperaturanwendungen werden Schamottsteine aus Sillimanit oder Steine mit einem hohem Gehalt an Aluminiumoxid empfohlen. Der Gehalt an freier Kieselsäure (ungebundener Quarz) sollte minimiert und der Gehalt an Eisenoxid (Fe2O3) so gering wie möglich gehalten werden, idealerweise unter 1 %. Zudem sollte auf Wasserglas als Bindemittel im Zement verzichtet werden.

Einbettmassen

Die meisten Einbettmassen, einschließlich Keramikfasern, sind für Kanthal® und Nikrothal® geeignet, sofern sie aus Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumoxid oder Zirkon bestehen. Detaillierte Informationen finden Sie in der Tabelle „Maximale Drahttemperaturen“.

Relative Haltbarkeitswerte in % Kanthal®- und Nikrothal®-Legierungen (ASTM-Prüfdraht 0,7 mm (0,028 IN))

Legierung

1.100 °C
(2.010 °F)

1.200 °C 
(2.190 °F)

1.300 °C 
(2.370 °F)

Kanthal® A-1

340

 100 30

Kanthal® AF

 465 120 30

Kanthal® D

 250 75 25

Nikrothal® 80

 120 25

–

Nikrothal® TE

 130 25

–

Nikrothal® 60

 95 25

–

Nikrothal® 40

 40 15

–

Maximale Drahttemperaturen als Funktion des Drahtdurchmessers bei Betrieb an der Luft

Legierung       Durchmesser        
  0,15 – 0,40 mm 0,0059 – 0,0157 in 0,41 – 0,95 mm 0,0161 – 0,0374 in 1,0 – 3,0 mm 0,039 – 0,18 in >3,0 mm >0,118 in
  °C °F °C °F °C °F °C °F
Kanthal® AF 900 bis 1100 1650 bis 2010 1.100 – 1.225 2.010 – 2.240 1.225 – 1.275 2.240 – 2.330 1.300 2370
Kanthal® D 925 bis 1025 1700 bis 1880 1025 bis 1100 1.880 – 2.010 1.100 – 1.200 2.010 – 2.190 1.300 2.370
Nikrothal® 80 925 – 1.000 1.700 – 1.830 1.000 – 1.075 1.830 – 1.970 1.075 – 1.150 1.970 – 2.100 1.200 2.190
Nikrothal® TE 925 – 1.000 1.700 – 1.830 1.000 – 1.075 1.830 – 1.970 1.075 – 1.150 1.970 – 2.100 1.200 2.190
Nikrothal® 60 900 – 950 1.650 – 1.740 950 – 1.000 1.740 – 1.830 1.000 – 1.075 1.830 – 1.970 1.150 2.100
Nikrothal® 40 900 – 950 1.650 – 1.740 950 – 1.000 1.740 – 1.830 1000 bis 1050 1830 bis 1920 1100 2010