Le proprietà del materiale dell'elemento riscaldante restringono la selezione a pochi materiali. I materiali più comuni sono la lega di nichel-cromo, ferro-cromo-alluminio, siliciuro di molibdeno e carburo di silicio. Questi materiali possono lavorare a temperature elevate grazie alla loro capacità di resistere all'ossidazione ad alta temperatura. L'altro gruppo è costituito da grafite, molibdeno, tungsteno e tantalio. Questi materiali vengono ossidati ad alte temperature e sono per lo più utilizzati in ambienti sottovuoto o forni con atmosfere prive di ossigeno.
Lega Ni-cromo (Ni-Cr).
Grazie alla sua duttilità, elevata resistività e resistenza all'ossidazione anche ad alte temperature, questo tipo è uno dei materiali per elementi riscaldanti più utilizzati. La composizione più comune delle leghe nichel-cromo è 80/20 o 80 percento di nichel, 20 percento di cromo. Altre composizioni dipendono dal produttore. A causa della sua elevata duttilità, viene spesso inserito in un filo quando viene utilizzato come elemento riscaldante. Un'applicazione comune che presenta questa proprietà sono le taglierine per schiuma a filo caldo. La temperatura massima di riscaldamento del filo di nichel-cromo è di circa 1.100-1.200 gradi.
Lega ferro-cromo-alluminio (Fe-Cr-Al).
La composizione chimica di questo tipo di lega ferritica ferro-cromo-alluminio è tipicamente dal 20 al 24 percento di cromo, 4-6 percento di alluminio e ferro come margine. Rispetto al nichel-cromo, i riscaldatori in ferro-cromo-alluminio sono flessibili e di peso inferiore. Possono anche produrre temperature più elevate rispetto al filo di nichel-cromo, da circa 1.300 a 1.400 gradi. A causa del suo metallo a base di ferro, il prezzo di questa lega oscilla meno rispetto al Ni-Cr, che è composto principalmente da nichel. Lo svantaggio dell'utilizzo di leghe ferro-cromo-alluminio è che hanno una resistenza ridotta a temperature più elevate.
Le leghe ferro-cromo-alluminio possono essere migliorate con un processo chiamato metallurgia delle polveri. In questo processo, i lingotti di lega vengono trasformati in polvere e compressi in stampi. Viene quindi sinterizzato o pressato a caldo (pressatura isostatica a caldo) in un'atmosfera a temperatura controllata per creare un legame metallurgico senza fondere completamente il metallo in polvere. Le dispersioni vengono aggiunte alla miscela di leghe per migliorare le proprietà meccaniche del materiale, conferendo così ulteriore resistenza e tenacità a temperature più elevate.
Disiliciuro di molibdeno (MoSi2)
Il disiliciuro di molibdeno è un cermet refrattario (composito ceramica-metallo) utilizzato principalmente come materiale per elementi riscaldanti. Grazie al suo elevato punto di fusione e alla buona resistenza alla corrosione, questo è un materiale ideale per forni ad alta temperatura. Gli elementi riscaldanti in siliciuro di molibdeno sono prodotti attraverso una varietà di processi ad alta intensità energetica come lega meccanica, sintesi di combustione, sintesi per impatto e pressatura isostatica a caldo.
I riscaldatori MoSi₂ possono raggiungere temperature di riscaldamento fino a 1.900 gradi. Gli svantaggi dell'utilizzo del siliciuro di molibdeno sono la sua bassa tenacità e lo scorrimento ad alta temperatura in condizioni ambientali. È fragile a temperatura ambiente e deve essere maneggiato con molta attenzione. Una maggiore tenacità si ottiene a una temperatura di transizione fragile-duro di circa 1,000 grado . D'altra parte, una maggiore velocità di scorrimento fa sì che l'elemento riscaldante si deformi facilmente alle alte temperature. Il tipo più comune di elemento MoSi2 è il 2-design a forcina con manico, che di solito è sospeso dal tetto del forno e posizionato attorno alla parete del forno. Altre forme sono spesso utilizzate in combinazione con stampi isolanti in ceramica per fornire supporto meccanico e isolamento termico come pacchetto integrato.
Carburo di silicio (SiC)
Questa è una ceramica prodotta dalla combinazione di ricristallizzazione o reazione di grani di SiC a temperature superiori a 2.100 gradi. Gli elementi riscaldanti in carburo di silicio sono porosi (tipicamente 8-25 percento), in cui l'atmosfera all'interno del forno può reagire attraverso una sezione trasversale del materiale. L'intero elemento riscaldante può ossidarsi gradualmente, il che fa aumentare le caratteristiche di resistenza dell'elemento nel tempo (spesso indicato come "invecchiamento") Spesso è necessaria un'alimentazione a tensione variabile per aumentare la tensione dell'elemento durante la vita dell'elemento di mantenendo gradualmente la potenza desiderata dell'elemento. Questo invecchiamento alla fine limita la durata e le prestazioni dell'elemento riscaldante.
Il carburo di silicio ha molte proprietà che lo rendono adatto alla realizzazione di elementi riscaldanti adatti a temperature di esercizio estremamente elevate. Questa ceramica non ha fase liquida. Ciò significa che gli elementi non si abbassano o si deformano a causa dello scorrimento a qualsiasi temperatura e non è necessario alcun supporto all'interno del forno. Il carburo di silicio viene sublimato direttamente ad una temperatura di circa 2.700 gradi. Inoltre, è chimicamente inerte alla maggior parte dei fluidi di processo e presenta un'elevata rigidità e un basso coefficiente di dilatazione termica. I riscaldatori in carburo di silicio possono raggiungere temperature di riscaldamento di circa 1.600-1.700 gradi.
grafite
La grafite è un minerale composto da carbonio in cui gli atomi sono disposti in una struttura esagonale. Questo minerale, anche nella sua forma sintetica, è un buon conduttore di calore ed elettricità. La grafite può generare calore a temperature superiori a 2,000 gradi . Alle alte temperature, la sua resistenza aumenta notevolmente. Inoltre, resiste agli shock termici e non diventa fragile anche dopo rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Il principale svantaggio dell'utilizzo della grafite è che si ossida facilmente a temperature intorno ai 500 gradi. L'uso continuato all'interno di questo intervallo porterà infine al consumo di materiale. Gli elementi riscaldanti in grafite sono spesso utilizzati nei forni a vuoto dove l'ossigeno e altri gas vengono scaricati dalla camera di riscaldamento. La mancanza di ossigeno impedisce l'ossidazione non solo del metallo fuso, ma anche dell'elemento riscaldante stesso. La grafite può essere utilizzata per sigillare la pellicola, trasformata in pellicola di riscaldamento elettrico a cristalli di carbonio, pellicola di riscaldamento elettrico in grafene e altri prodotti di riscaldamento a pellicola.
