JPH0421996B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、シーズヒータやカートリツジヒー
タ等のいわゆる金属管装電熱体の製造方法におい
て、特に、その寿命特性並びに絶縁特性の改良に
関するものである。 〔従来の技術〕 金属管装電熱体としては、いわゆるカートリツ
ジヒータとシーズヒータがある。カートリツジヒ
ータは主として穿孔した金属部に挿入して使用さ
れるインサートヒータで、セラミツクコアに形成
した保持孔に電熱線を挿通保持する内巻タイプ
と、セラミツクコアの外周に電熱線を巻装する外
巻タイプとの２種類があるが、いずれも外装金属
管に挿入した後、空隙部にマグネシア、シリカ、
アルミナ等の無機質耐熱絶縁粉末を、密実に充填
してなるものである。また一方、シーズヒータは
液体加熱、気体加熱、金属面への接触加熱などあ
らゆる加熱目的に対して広汎な用途をもつ金属管
装電熱体で、例えば第１図に示すごとく、両端部
に端子１，１を連結した電熱線２を、外装金属管
３の中心に配し、空隙部に無機質耐熱絶縁粉末４
を密実に充填した構造を有している。 いずれも外装金属管の所定位置に電熱線を配
し、空隙部に無機質耐熱絶縁粉末を密実に充填し
てなる点においては相共通する構造を有してい
る。 ところで、従来より外装金属管において特に耐
熱性が要求される場合には、素材としてステンレ
スやインコロイ（商品名）もしくはインコネル
（商品名）が用いられてきたことは周知のごとく
である。しかしながら、インコロイ（Ni：30〜
35wt％、Cr：19〜23wt％）やインコネル（Ni：
72wt％、Cr：14〜17wt％）はきわめて高価であ
り、従つて限定された用途以外には使われず、も
つぱら一般的にはステンレス鋼等が多用されてい
るのが実情であつた。 しかしながら一方、ステンレス鋼の中でも、フ
エライト系ステンレス鋼（Fe−Cr−Al）にあつ
ては、高温強度が乏しいことや475℃において脆
性を有する等フエライト系固有の欠点のため、外
装金属管としてはほとんど使用されず、オーステ
ナイト系のステンレス鋼（Fe−Cr−Ni）が多用
されてきたものである。しかしながらオーステナ
イト系ステンレス鋼にあつても、高温酸化性雰囲
気下においてはスピネル型酸化物（Cr₂O₃、
NiO）を生成して金属内部を保護するとはいうも
のの、耐スポーリング性に乏しく、また特に湿気
のある高温雰囲気下では、金属表面が選択酸化さ
れて、不均一な酸化皮膜となり、因つて、その酸
化皮膜が容易に剥離する等の問題を有していたの
である。 また他方、金属発熱体としての電熱線において
もJIS・Ｃ・2520のNCH（Ni−Cr系）とFCH（Fe
−Cr−Al系）のいわゆる電熱合金が一般に用い
られてきたところであるが、一般に前者のNCH
は550〜750℃でクロム炭化物を析出して脆くなる
外、高温酸化性雰囲気下においてスピネル型酸化
物（Cr₂O₃、NiO）を生成して金属内部を保護す
る一方で硫化性ガスにおかされ、また湿気のある
高温雰囲気下では金属表面が、選択酸化されて酸
化物が剥離することが知られている。特にスピネ
ル型酸化物の皮膜では、珪酸塩、硼酸、炭酸及び
塩化物に対しては反応・分解し、低融点化合物を
生成するもので、保護作用を失わしめる結果とな
る。また1000℃以上の高温酸化性雰囲気下での使
用の際は、スケールが電熱線表面に付着すること
によつて電熱線からの放熱を阻害し、さらにまた
局部過熱を誘発して早期断線に至るものである。
従つて、NCHは酸化の少ない、また1000℃以下
の温度条件下において使用しなければならず、従
つて自ずから用途も限られたものとならざるを得
なかつた。 また後者のFCHは、Al₂O₃の皮膜を金属表面に
生じることから、優れた耐酸化性を有するもの
の、1000℃以上で使用を繰り返すと、結晶粒が粗
大化することとなり、高温強度に欠ける難点を有
している。このため、この種電熱合金にあつて
も、電気炉用発熱体等の一部の利用に限定されざ
るを得ないものであつた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 この点、特公昭53−43498号公報に開示された
含Alオーステナイト系耐熱鋼を電熱線及び外層
金属管に利用すれば、上記の欠点につきほぼ解消
されることが判明した。すなわち主として高温使
用の際の結晶粒の成長を抑制するために、δ−フ
エライト相の析出に対し成分調整を行ない、か
つ、Alを4.5wt％超えて含有させ、800℃〜1200
℃で熱処理し、鋼表面に安定なAl₂O₃皮膜を生成
させるもので、1200℃の高温酸化性雰囲気下での
使用においても最も酸化増量の少い長寿命のもの
を得たものである。 しかしながら、実際の成形上の観点からすれ
ば、あらかじめ熱処理して、Al₂O₃皮膜を生成し
た後では表面硬度が増大し、加工性の点において
問題がある。しかも熱処理前のこの種鋼は650℃
で脆化が発生し、特に溶接や冷間加工による内部
歪を惹起させた部分においては結晶粒子の粗大化
が認められた。 そこでこの発明の目的とするところは、高温酸
化性雰囲気下においても耐酸性に優れしかも強度
のある長寿命の外装管装電熱体が得られるととも
に、その成形時に発生する残留応力や熱脆化現象
に対してはきわめて有効な除去がなされ、かつ加
工性に著しく富んだ外装管装電熱体の製造方法を
提供しようとするものである。 〔問題点を解決するための手段〕 その特徴とするところは、外装金属管の所定位
置に電熱線を配置し、空隙部に無機質耐熱絶縁粉
末を密実に充填してなる金属管装電熱体の製造方
法において、上記電熱線と外装金属管の素材とし
て４〜10wt％のAlを含有する主としてオーステ
ナイト系の耐熱鋼を用いるとともに、電熱線にま
ず、少なくとも800℃以上に高温酸化性雰囲気下
において焼きなまし処理を行い、しかる後当該電
熱線を外装金属管内に充填して、無機質耐熱絶縁
粉末を充填し、管径を減径・絞縮した後、再度上
記とほぼ同状態下において焼きなまし処理を施し
たところにある。 すなわち、電熱線及び外装金属管などの電熱材
すべてにおいて４〜10wt％のAlを含有する主と
してオーステナイト系耐熱鋼を素材として採用す
るとともに、その成形にあたつて、素材を圧縮
し、伸縮し、もしくは絞縮・減径等による各種加
工によつて発生した塑性変形にもとずく残留応力
や、電気端子に対する溶着等にもとずく内部歪あ
るいは600〜700℃の脆化の発生を除去するため
に、成形後において少なくとも800℃で焼きなま
し処理を施し、同時にAl₂O₃の皮膜を形成させた
ものである。 これによつて、この発明に係る電熱体は、抵抗
温度増加係数あるいは比抵抗値においても良好な
値が得られ、また高温時における酸化増量も著し
く低く耐酸化性に優れたものとなり、さらにま
た、飛躍的に優れた寿命値を得たものであつて、
電熱体として実用に充分供されることが認められ
た。また、問題であつた脆性の点も解消された
外、特に均質に形成された皮膜自体がAl₂O₃であ
ることから絶縁性能が従来にも増して優れたもの
となり、格別の特異的な効果を併有し得ることが
認められたものである。 なおまた、Al₂O₃皮膜の均質形成は、容易に
Al₂O₃の輻射スペクトルを有する赤外線を放射す
る性能も同時に具備され、常時、高発熱性能の電
熱体を得るものである外、従来のごとく、赤外線
放射材料を熔射などの方法を格別に採用せずに済
み、きわめて望ましい工程の削減を達成し得たも
のである。 〔実施例〕 以下、本発明の方法によつて得られた電熱線と
外装金属管について、それぞれ行なつた試験結果
を示す。 (イ) 抵抗温度増加係数及び比抵抗値 含Alオーステナイト系耐熱鋼を、外径φ1.0
mm、長さ400cmに成形し、1200℃で10時間熱処
理した後、ホイーストンブリツジを用いて20℃
及び1200℃の抵抗値を測定した。なお、ここで
用いた含Alオーステナイト系耐熱鋼の組成は、
重量％で、Ｃ：0.028、Si：0.59、Mn：0.32、
Ｐ：０：001、Ni：23.9、Cr：16.6、Al：4.93、
Fe：残部から成る。 その結果、抵抗値は、20℃で5.29Ω、1200℃
で7.47Ωであつた。 またJIS・Ｃ・2524の「金属抵抗材料の導体
抵抗及び体積抵抗率試験方法」に基づき比抵抗
ρ値を求めると、 ρ＝Ｒ／Ｌ・Ａ（μΩｍ） Ｒ：抵抗値（Ω）、Ｌ：長さ（ｍ）、Ａ：断面
積（cm²）であることから、 ρ₁₂₀₀＝146.7（μΩcm） ρ₂₀＝103.9（μΩcm） となり、発熱体として充分実用に供され得る良
好な値を得た。 なお、ρ値は、70〜200μΩcmの範囲内におさ
まることが判明した。 また抵抗温度増加係数は約1.41となり、
NCHの同係数の約1.09と比較して、ほぼ同等
の数値を得た。 (ロ) 寿命試験 JIS・Ｃ・2524「電熱線及び帯の寿命試験方
法」の法に基づき、これに近似する試験で寿
命値を求めた。 すなわち、(イ)試験で用いたものと同組成の含
Alオーステナイト系耐熱鋼をφ1.0mmの線材と
し、これをあらかじめ1200℃で10時間熱処理を
行い、しかる後、下部端子に40gfを取付けて行
なつた。 その結果本発明品の寿命値は1027回、これに
対してNCH1は500回、NCH2は350回程度であ
り、約２〜３倍の寿命が得られることが判明し
た。 (ハ) 脆性試験 非熱処理の(イ)と同材質の電熱線を、JIS・
Ｃ・2524の5.1.1(3)の条件で、通電を繰返した
ところ、48回で端子と電熱線の接続部近傍にお
いて断線した。この部分はサーモペイントによ
れば600〜700℃の範囲内と想定された。これに
対して800℃以上で焼きなまし処理した(イ)と同
材質の電熱線では、断線の発生が認められてな
いことから、実用上800℃以上で焼きなまし処
理を施す必要があることが判明した。 (ニ) 酸化増量試験 JIS・Ｃ・2520「酸化増量試験」に基づき、(イ)
と同組成のオーステナイト系耐熱鋼からなる電
熱線を、表面積５cm²以上となるようにφ1mm×
200ｍ（＝6.28cm²）とし、1200℃×10時間で焼
きなまし処理して試験した。なおこの際比較の
ため、同条件下でインコロイ800、FCH2、
SUS310Sについても行なつた。 その結果を、第１表に示す。

〔発明の効果〕

以上述べてきた様に、この発明は4.5〜10wt％
のAlを含有する主としてオーステナイト系耐熱
鋼を採用し、しかも、その製造方法において、電
熱線にまず少なくとも800℃以上の高温酸化性雰
囲気下において焼きなまし処理を行い、しかる
後、当該電熱線を外装金属管内に装填して無機質
耐熱絶縁粉末を充填し、管径を減径、絞縮した
後、再度上記とほぼ同状態下において焼きなまし
処理を施す方法を採用したことによつて、耐高温
酸化性並びに高温強度にすぐれ、しかも脆性破壊
を惹起し得ない長寿命の電熱体が得られたもので
ある。 さらにまた、抵抗温度増加係数並びに比抵抗値
においても良好な特性が得られたものであり、特
に均質に形成されたAl₂O₃の皮膜自体がきわめて
優れた絶縁性能を有していることから従来にない
特異的な絶縁効果が得られたものである。また、
この均質形成のAl₂Oの₃皮膜自体が自己通電によ
り赤外線を放射する特性を有していることから所
望の表面温度がきわめて容易に得られるものであ
つて、その用途としてはきわめて広範囲に適用し
得るものである。例えば、水、合成樹脂、有機
物、金属およびセラミツク等に対しきわめて効率
の良い加熱源となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、シーズヒータの一例を示す縦断面
図、第２図は、この発明に係るヒータと従来のヒ
ータの連続通電時間と絶縁抵抗の関係を示す特性
図、第３図は、同ヒータ及び赤外線ランプの放射
スペクトルである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外装金属管の所定位置に電熱線を配置し、空
   隙部に無機質耐熱絶縁粉末を密実に充填してなる
   金属管装電熱体の製造方法において、上記電熱線
   と外装金属管の素材として４〜10wt％のAlを含
   有する主としてオーステナイト系の耐熱鋼を用い
   るとともに、電熱線にまず、少なくとも800℃以
   上の高温酸化性雰囲気下において焼きなまし処理
   を行い、しかる後当該電熱線を外装金属管内に装
   填して無機質耐熱絶縁粉末を充填し、管径を減
   径・絞縮した後、再度上記とほぼ同状態下におい
   て焼きなまし処理を施したことを特徴とする金属
   管装電熱体の製造方法。 ２ ４〜10wt％のAlを含有する主としてオース
   テナイト系耐熱鋼が、Ｃ：0.4wt％以下、Si：
   2.0wt％以下、Mn：10wt％以下、Ni：12〜50wt
   ％、Cr：５〜30wt％含有し、その他必要に応じ
   てCo、Mo、Ｗのうちの１種または２種以上を
   5wt％以下及びTi、Zr、Nb、Td等のうちの１種
   または２種以上を2.0wt％以下含有し、残部Feよ
   り主としてなり、かつ高温酸化性雰囲気中でオー
   ステナイト相中に10wt％未満のδ−フエライト
   相が析出するように成分調整された特許請求の範
   囲第１項記載の金属管装電熱体の製造方法。