寿命
エレメントの寿命は、使用される合金、エレメントの温度、エレメントの設計、周囲の雰囲気、加熱サイクル、エレメントのサポートの種類などに依存します。
抵抗加熱合金は、加熱されると表面に酸化膜が形成され、材料のさらなる酸化を減少させます。 この機能を実現するには、酸化被膜が緻密で、ガスや金属イオンの拡散に抵抗する必要があります。 また、薄く、温度変化下でも金属にしっかりと密着する必要があります。 合金元素を慎重にバランスさせることで、より長寿命で、より高い最高使用温度、そしてより優れた高温機械強度を持つ合金を実現することができます。
Kanthal® 合金の保護酸化被膜は、1,000°C (1,830°F) を超える温度で形成され、主にアルミナで構成されています。 色は薄い灰色で、低温 (1,000℃ (1,830°F) 以下) では酸化物の色は濃くなります。 アルミナ層は絶縁性に優れ、ほとんどの化合物に対して良好な耐薬品性を示します。
密着性が良好であっても、酸化被膜の剥離 (剥がれ) を完全に防ぐことはできません。 酸化被膜の損傷は、新しい酸化被膜が自然に形成されることによって修復されます。
Nikrothal® 合金上に形成される酸化物は、主に酸化クロムで構成されています。 色は暗く、電気絶縁性はアルミナより劣ります。 Nikrothal®合金の酸化被膜は、Kanthal®合金に形成される強固な酸化被膜よりもスポールしやすく、蒸発しやすい性質があります。
丸いワイヤの場合、体積と表面積の比率は直径に比例します。 実際には、ワイヤの直径が大きくなるにつれて、新しい酸化被膜を形成するために利用できる合金元素が単位表面あたりに多く存在することを意味します。 したがって、特定の温度では、太いワイヤの方が細いワイヤよりも寿命が長くなります。 同様に、ストリップ要素の場合、厚さが増すと寿命が長くなります。
抵抗合金の相対的な品質を推定するには、酸化速度と剥離の両方を考慮した試験方法を選択する必要があります。 Kanthalで使用される方法は、Bashテスト (ASTM B-76およびB-78) です。 0.7 mm (0.0276インチ) のワイヤが標準温度まで電気的に加熱され、2分ごとにオンとオフが繰り返されます。 故障までの時間が記録されます。
Kanthal® およびNikrothal® 合金のテスト結果を以下の表に示します。 表では、1,200°C (2,190°F) でのKanthal® A-1ワイヤの耐久性が100% に設定されており、他の合金の耐久性はその数値に関連付けられています。
また、数多くの実際のアプリケーションでは、Kanthal® エレメントの寿命がNiCr(Fe) ワイヤを備えたエレメントよりもはるかに長いことが示されています。
抵抗加熱合金の寿命はいくつかの要因に依存しますが、最も重要なものは次のとおりです。
- 温度
- 温度サイクル
- 汚染
- 合金組成
- 微量元素と不純物
- 線径
- 表面状態
- 雰囲気
- 機械的ストレス
- 規制の方法
これらは用途によって異なるため、期待される寿命の一般的なガイドラインを示すことは困難です。 重要な設計要素に関する推奨事項を以下に示します。
耐腐食性
腐食性物質または腐食性物質となる可能性のある物質は、抵抗加熱線の寿命を大幅に縮める可能性があります。 腐食は、手の汗、取り付けや支持材料、さまざまな汚染物質によって引き起こされる可能性があります。
蒸気
蒸気は特にワイヤの寿命に悪影響を及ぼし、Kanthal® 合金よりもNikrothal® 合金に顕著な影響を与えます。
ハロゲン
ハロゲン（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）は、比較的低温であっても、すべての高温合金を激しく攻撃します。
硫黄
硫黄を含む雰囲気も脅威となりますが、Kanthal® 合金はこれらの環境においてニッケルベースの合金よりも大幅に優れた耐久性を発揮します。 Kanthal® 合金は硫黄を含む酸化性ガス中でも特に安定していますが、亜硫酸還元性ガス中では耐用年数が短くなります。 逆に、Nikrothal® 合金は硫黄に対してより敏感です。
塩と酸化物
高濃度のアルカリ金属の塩、ホウ素化合物などは抵抗加熱合金に有害です。
金属
亜鉛、真鍮、アルミニウム、銅などの溶融金属は抵抗合金と反応する可能性があるため、これらの金属の飛散から保護する必要があります。
セラミックサポート材
加熱線と直接接触する場合は、セラミックサポートを慎重に選択する必要があります。 ワイヤーサポートに使用される耐火レンガには少なくとも45% のアルミナが含まれている必要があり、高温用途ではシリマナイトまたは高アルミナ耐火レンガが推奨されます。 遊離シリカ（未結合石英）含有量は最小限に抑え、酸化鉄（Fe2O3）含有量は可能な限り低く抑え、理想的には1% 未満に抑える必要があります。 さらに、セメントの結合剤として水ガラスを使用することは避けるべきです。
埋込化合物
アルミナ、アルミナシリケート、マグネシア、ジルコンからなるセラミックファイバーを含むほとんどの埋込化合物は、Kanthal® および Nikrothal® に適しています。 詳細については、「最大ワイヤ温度」の表を参照してください。
相対的な耐久性値 (Kanthal® および Nikrothal® 合金の%) (ASTM テスト ワイヤ 0.7 mm (0.028 IN))
|
合金 |
1,100℃ |
1,200°C |
1,300°C |
|---|---|---|---|
|
Kanthal® A-1 |
340 |
100 | 30 |
|
カンタル®AF |
465 | 120 | 30 |
|
カンタル®D |
250 | 75 | 25 |
|
Nikrothal® 80 |
120 | 25 |
– |
|
Nikrothal® TE |
130 | 25 |
– |
|
Nikrothal® 60 |
95 | 25 |
– |
|
Nikrothal® 40 |
40 | 15 |
– |
空気中で使用した場合のワイヤ径による最高ワイヤ温度
| 合金 | 直径 | |||||||
| 0.15～0.40 mm | 0.0059～0.0157インチ | 0.41～0.95mm | 0.0161～0.0374インチ | 1.0～3.0 mm | 0.039～0.18インチ | > 3.0 mm | > 0.118インチ | |
| °C | °F | °C | °F | °C | °F | °C | °F | |
| Kanthal® AF | 900～1,100 | 1,650～2,010 | 1,100～1,225 | 2,010～2,240 | 1,225～1,275 | 2,240～2,330 | 1,300 | 2,370 |
| カンタル®D | 925～1,025 | 1,700～1,880 | 1,025～1,100 | 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 | 1,000～1,050 | 1,830～1,920 | 1,100 | 2,010 |