СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1996 года по МПК H05B3/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к получению плазменным напылением резистивных электронагревательных элементов, например, для электрорадиаторов, электроконвекторов, утюгов, электроплит и т.п.

Известен способ получения резистивных электронагревательных элементов путем плазменного напыления на теплопроводящее основание изолирующего слоя с последующим формированием резистивного слоя из смеси тугоплавкого диэлектрического и токопроводящего материала через маску (см. РСТ, кл. H 05 B 3/10, 3\68, межд. заявка N 86/06241 "Нагревательный элемент"). В качестве тугоплавкого диэлектрического материала используют порошок на основе оксида алюминия, а в качестве токопроводящего материала порошок сплава никеля и хрома. Соотношение тугоплавкого диэлектрического материала и токопроводящего материала составляет 1:1.

В данном способе использование в качестве токопроводящего элемента сплава никеля и хрома сужает область применения нагревательных элементов, во-первых, из-за ограничения рабочей температуры (до 1000^oC), а во-вторых, из-за небольшого диапазона изменения удельного сопротивления.

Известен также способ получения резистивного электронагревательного элемента (см. Г. Д. Коваленко, А.П. Зомбжицкий и др. "Особенности плазменного напыления электронагревательных покрытий с диэлектрическим наполнителем". Физика и химия обработки материалов. N 4. 1980. С. 86-89) путем плазменного напыления на теплопроводящую подложку смеси порошков, включающей диэлектрическую и токопроводящую компоненты, причем в качестве диэлектрической компоненты используют оксид в количества 45-55% а токопровод компонента состоит из сплава, включающего Ni и Cr.

Удельное сопротивление получаемого резистивного элемента изменяется в пределах ρ (4^oC8)•10^-2 Ом•см, причем значение удельного тепловыделения не превышает q 2,8 Вт/см². Отрицательной стороной данного способа получения резистивного элемента является ограниченность области применения из-за малого диапазона изменения r и невысокого значения q.

Изобретение решает задачу создания электронагревательного резистивного элемента с широким диапазоном применения от электрорадиатора до электропечи с высокой надежностью за счет создания резистивного слоя, обладающего широким диапазоном удельного сопротивления и удельного тепловыделения.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления резистивного нагревательного элемента, при котором плазменным напылением наносят на теплопроводную подложку смесь из порошков токопроводящей компоненты, содержащей сплав никеля и хрома и диэлектрической компоненты, в качестве которой используют оксид алюминия, токопроводящая компонента дополнительно содержит Mo, W, Co, Al, Ti и в качестве токопроводящей компоненты используют сплав, содержащий, мас.

Ni 37,7^oC76,6
Cr 8,5^oC20
Mo 3,0^oC11,5
W 4,3^oC7,0
Co 5,0^oC16,6
Al 1,6^oC4,9
Ti 1,-0^oC2,9,
а диэлектрическую и токопроводящую компоненты в смеси порошков берут в мас.

диэлектрические 70-92
токопроводящие 8-30
Такой способ получения резистивного электронагревательного элемента позволяет создавать резистивный элемент с широким диапазоном изменения удельного сопротивления r 2^oC6•10^-3 Ом•см и удельного тепловыделения q 0,1^oC6 Вт/см², что расширяет диапазон использования электронагревательных элементов и повышает их надежность работы.

В резистивных электронагревательных элементах, получаемых плазменным напылением на подложку смеси порошков, включающей диэлектрическую и токопроводящую компоненты, частицы металла располагаются с немногочисленными контактами между собой. Диэлектрическая компонента выполняет как роль защиты от окисления, так и полезного наполнителя, а также уменьшает теплоотвод от металлических частиц, что способствует из свариваемости между собой.

Сопротивление резистивного слоя, содержащего диэлектрическую и проводящую компоненты, определяется числом контактов металлических частиц и величиной контактного сопротивления, зависящего от материала проводящей компоненты. Увеличение содержания в смеси проводящей компоненты приводит к возрастанию числа контактов и, следовательно, к снижению удельного сопротивления напыленного слоя, в то время как повышение содержания диэлектрической компоненты приводит к улучшению свариваемости металлических частиц и уменьшению контактного сопротивления.

Предлагаемый сплав на основе Ni и Cr позволяет обеспечивать хорошую свариваемость отдельных металлических частиц, что приводит к расширению интервала возможных значений удельного тепловыделения резистивных покрытий и повышению надежности работы. При содержании проводящей компоненты меньше 8% слишком мало число контактов металлических частиц, удельное сопротивление высокое, и при малых токах (<100 мА) в местах контактов выделяется большое количество тепла из-за наличия большой плотности тока, что приводит к разрушению этого контакта и выходу из строя резистивного слоя. Малое содержание проводящей компоненты (<8%) приводит также к значительному (более 50%) разбросу величины удельного сопротивления резистивного покрытия. При содержании проводящей компоненты в смеси более 30% число контактов металлических частиц велико, удельное сопротивление низкое и для получения требуемой величины сопротивление резистивного слоя требуется слишком большая его длина. Для большинства электронагревателей (утюгов, электроплиток и т.п.) это технически сделать невозможно.

Величина удельного тепловыделения резистивного слоя зависит от термостойкости токопроводящей компоненты. Жаростойкость сплава, содержащего Ni и Cr, повышается путем ввода в него легирующих добавок Co, Al, Mo, W и Ti. Наиболее сильно на жаростойкость влияет добавка Al. Введение в сплав 2,5-3,5% Al сопровождается резким повышением жаростойкости, особенно в области температур 1200^oC и выше.

Повышение жаростойкости проводящей компоненты способствует возрастанию надежности работы нагревательного элемента.

Способ осуществляют следующим образом:
1) Получают сплав металлов, содержащий, мас.

Ni 37,6-76,6
Cr 8,5-20
Mo 3,0-11,5
W 4,3-7,0
Co 5,0-16,6
Al 1,6-4,9
Ti 1,0-2,9
2) Получают из указанного сплава порошок токопроводящей компоненты дисперсностью 40^oC100 мкм. В качестве диэлектрической компоненты используют порошок оксида алюминия дисперсностью 40^oC100 мкм.

3) Готовят смесь порошков диэлектрической и токопроводящей компонент в количестве, мас.

диэлектрическая компонента 70-92
токопроводящая компонента 8-30
4) Наносят через маску на теплопроводную подложку плазменным напылением из приготовленной смеси порошков резистивный слой толщиной 150^oC300 мкм. Если теплопроводная подложка при рабочей температуре проводит электрический ток, то на нее предварительно наносят изоляционный слой. Для получения изделия из резистивного элемента после достижения требуемой величины сопротивления резистивного слоя плазменным напылением наносят электроды, а при необходимости и покровный электроизоляционный слой.

Пример 1. На теплопроводную металлическую подложку плазменным напылением наносят изоляционный слой из оксида алюминия толщиной приблизительно 300 мкм, затем через маску напыляют резистивный слой толщиной 200 мкм из смеси порошков, включающий 92% мас. Al₂O₃ (диэлектрическая компонента) и 8% мас. токопроводящей компоненты сплава, включающего, мас.

Ni 76,6
Cr 8,5
Mo 3,0
W 4,3
Co 5,0
Al 1,6
Ti 1,0
Далее напыляют электроды. При напряжении электропитания 220 В полученный резистивный элемент имеет величину удельного тепловыделения равную 0,15 Вт/см² (удельное электросопротивление r 2 Ом•см), что позволяет использовать его для создания электрорадиаторов. Так, например, электрорадиатор размером 400 х 600 мм имеет электрическую мощность 360 Вт, а его рабочая температура составляет 80-90^oC, время выхода на рабочий режим 60-90 сек.

Пример 2. На теплопроводную металлическую подложку плазменным напылением наносят электроизоляционный слой из оксида алюминия толщиной приблизительно 300 мкм, затем через маску напыляют резистивный слой толщиной 150 мкм из смеси порошков, включающей 88% мас. Al₂O₃ (диэлектрическая компонента) и 12% мас. токопроводящей компоненты сплава, включающего, мас.

Ni 60,5
Cr 14,0
Mo 5,5
W 5,0
Co 10,0
Al 3,0
Ti 2,0
Далее наносят электроды.

Полученный резистивный электронагреватель имеет резистивный элемент с удельным сопротивлением r 6•10^-2 Ом•см и удельным тепловыделением равным 2-3 Вт/см², что позволяет использовать его для создания электроконвекторов. Так, например, электроконвектор мощностью 500 Вт при напряжении питания 220 В имеет 10 резистивных элементов размером 50 х 50 мм. Время выхода на рабочий режим 40-60 сек.

Пример 3. На теплопроводную керамическую подложку плазменным через маску наносят резистивный слой толщиной 250 мкм из смеси порошков, включающий 70% мас. Al₂O₃ (диэлектрическая компонента) и 30% мас. токопроводящей компоненты сплава, включающего, мас.

Ni 39,1
Cr 20
Mo 11,5
W 7,0
Co 16,0
Al 3,5
Ti 2,9
Далее наносят токовыводы, сверху покровный слой из оксида алюминия толщиной 200-250 мкм.

В полученном резистивном электронагревателе резистивный элемент имеет удельное сопротивление r 6•10^-3 Ом>195>см и удельное тепловыделение равное 4-6 Вт/см², что позволяет использовать его для создания утюгов, электроплиток и печей.

Пример 4. На теплопроводную металлическую подложку плазменным напылением наносят изоляционный слой из оксида алюминия толщиной приблизительно 300 мкм, затем через маску напыляют резистивный слой толщиной 200-250 мкм из смеси порошков, включающей 92% мас. Al₂O₃ (диэлектрическая компонента) и 8% мас. токопроводящей компоненты сплава, включающего, мас.

Ni 37,7
Cr 20
Mo 11,5
W 7,0
Co 16,0
Al 4,9
Ti 2,9
Полученный резистивный элемент имеет удельное сопротивление r 2 Ом•см и удельное тепловыделение, равное приблизительно 0,1 Вт/см², что позволяет его использовать в качестве калорифера, так как при удельном тепловыделении, составляющем приблизительно 0,1 Вт/см², температура калорифера будет на 40^oС выше, чем температура окружающей среды.

Пример 5. На теплопроводную керамическую подложку плазменным напылением через маску наносят резистивный слой толщиной 200 мкм из смеси порошков, включающей 70% мас. Al₂O₃ (диэлектрическая компонента) и 30% мас. токопроводящей компоненты сплава, включающего, мас.

Ni 76,6
Cr 8,5
Mo 3,0
W 4,3
Co 5,0
Al 1,6
Ti 1,0
Далее наносят токовыводы и сверху покровный слой из оксида алюминия толщиной 60-100 мкм.

Полученный резистивный элемент имеет удельное сопротивление r 6•10^-3 Ом•см и удельное тепловыделение, равное 1-2 Вт/см², что позволяет его использовать для изготовления электронагревателей.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к резистивным нагревателям. Способ изготовления резистивного нагревательного элемента плазменным напылением наносят на теплопроводную подложку смесь из порошков токопроводящей компоненты. Эта компонента содержит сплав Ni, Сr, Mo, W, Сo, Al, Тi и диэлектрическую компоненту, в качестве которой используют Al₂O₃ компоненты в виде сплава взяты в следующих мас.%: Ni 37,7-76,6, Сr 8,5-20, Mo 3,0-11,5, W 4,3-7,0, Сo 5,0-16,0, Al 1,6-4,9, Тi 1,0-2,9. При этом диэлектрическая и токопроводящие компоненты в смеси порошков взяты в мас.% диэлектрические - 70-92, токопроводящие 8-30. Способ обеспечивает повышение надежности нагревателя.

Способ изготовления резистивного нагревательного элемента, при котором плазменным напылением наносят на теплопроводную подложку смесь из порошков токопроводящей компоненты, содержащей сплав никеля и хрома, и диэлектрической компоненты, в качестве которой используют оксид алюминия, отличающийся тем, что токопроводящая компонента дополнительно содержит Mo, W, Co, Al, Ti и в качестве токопроводящей компоненты используют сплав, содержащий, мас. Ni 37,7 76,6; Cr 8,5 20,0; Mo 3,0 11,5; W 4,3 7,0; Co 5 16; Al 1,6 4,9; Ti 1,0-2,9, а диэлектрическую и токопроводящую компоненты в смеси порошков берут в следующих количествах, мас.

Диэлектрические 70 92
Токопроводящие 8 30