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卡博萊特蓋羅 | 避開“低溫陷阱”—論硅鉬棒和硅碳棒的溫度特性與使用禁忌

德國(guó)Retsch（萊馳） 2025-10-10 | 閱讀：585

常用于高溫區(qū)的加熱元件：硅鉬棒和硅碳棒，竟然不能在低溫區(qū)間內(nèi)使用？沒錯(cuò)，我們說的就是在各種高溫爐中擔(dān)當(dāng)加熱核心的硅鉬棒和硅碳棒。它們能輕松挑戰(zhàn)1600℃以上的極限高溫，但令人意外的是，長(zhǎng)時(shí)間在看似安全的低溫段，對(duì)它們?cè)斐傻膫赡鼙雀邷貨_擊更為致命。這種特性，并非設(shè)計(jì)缺陷，而是由其獨(dú)特的材料特性決定的。低溫下會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致元件損壞。今天，我們就來深入聊聊這個(gè)話題，揭秘硅碳棒與硅鉬棒在低溫段長(zhǎng)時(shí)間使用究竟隱藏了哪些風(fēng)險(xiǎn)。

首先介紹一下硅鉬棒（MoSi?加熱元件），不能在低溫段長(zhǎng)時(shí)間使用主要與其材料特性和氧化保護(hù)機(jī)制有關(guān)。原因如下：

01保護(hù)膜形成溫度

硅鉬棒在高溫下依靠表面形成一層致密的二氧化硅（SiO?）薄膜來抵抗氧化。
在600℃下短時(shí)間保溫不會(huì)對(duì)加熱元件造成損壞。保護(hù)膜在約1400?℃以上的溫度段可以穩(wěn)定存在。但在較低溫度（通常低于 400–700?℃，視環(huán)境而定）時(shí)，其致密性不足甚至?xí)霈F(xiàn)微裂，氧氣能直接進(jìn)入材料內(nèi)部，加速氧化與脆化。

表面氧化保護(hù)層開裂脫落

02低溫氧化與粉化現(xiàn)象

粉化現(xiàn)象是指加熱元件有黃色粉末析出。這個(gè)現(xiàn)象通常發(fā)生在450°C左右，這是由于鉬元素與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)。
在空氣或富氧環(huán)境中，當(dāng)硅鉬棒暴露在低溫段（大約 400–700?℃）時(shí)，SiO?保護(hù)層不能有效形成或被破壞，MoSi?會(huì)發(fā)生體積膨脹的低溫氧化反應(yīng)，使材料表面粉化、剝落。
這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，損傷是不可逆的，會(huì)顯著縮短壽命。

03熱應(yīng)力與脆性問題

硅鉬棒在低溫下呈脆性狀態(tài)，頻繁啟動(dòng)、冷熱沖擊易導(dǎo)致斷裂。
特別是在低溫段長(zhǎng)時(shí)間通電加熱，棒體各部分溫度分布不均，熱應(yīng)力累積更易產(chǎn)生裂紋。

所以，硅鉬棒應(yīng)盡量避免長(zhǎng)時(shí)間在低溫段運(yùn)行，通常建議快速升溫通過低溫階段，在中高溫段（如≥ 1200?℃）正常工作，以發(fā)揮其耐高溫、抗氧化的優(yōu)勢(shì)并延長(zhǎng)使用壽命。如果加熱元件電極上如有較多的粉化現(xiàn)象時(shí)必須清除掉，注意做好防護(hù)措施。

硅鉬棒安全升溫曲線（參考）

適用于常規(guī)的MoSi? 加熱元件，在空氣氣氛下使用。具體參數(shù)需結(jié)合爐型與工藝要求進(jìn)行調(diào)整。

但是硅鉬棒也不是絕對(duì)禁止在低溫段使用。有些工藝如：氧化物陶瓷排膠和燒結(jié)工藝。在樣品燒結(jié)前，必須在600℃以下進(jìn)行排膠，這個(gè)過程有時(shí)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，之后會(huì)繼續(xù)升溫至1400℃以上。加熱元件會(huì)修復(fù)在低溫段被消耗掉的二氧化硅保護(hù)層。由于加熱元件屬于消耗品，不可能無限修復(fù)保護(hù)層。硅鉬棒總的使用壽命約2000-5000個(gè)小時(shí)，或100-300個(gè)熱循環(huán)。

硅碳棒（SiC 加熱元件）和硅鉬棒在低溫段不能長(zhǎng)時(shí)間使用的原因有相似之處，如：在空氣中高溫時(shí)表面會(huì)生成致密的 SiO? 保護(hù)層，起到隔絕氧化的作用。但機(jī)理略有不同，主要原因如下：

01低溫氧化與粉化（Pesting）

在 200–800?℃ 之間，其表面會(huì)形成結(jié)構(gòu)疏松的“白色氧化物”（低密度的二氧化硅）。這個(gè) SiO? 層結(jié)構(gòu)疏松、附著力差，疏松的氧化膜無法有效阻止內(nèi)部硅（Si）的進(jìn)一步氧化和碳（C）的逸出。
SiC 在低溫區(qū)易發(fā)生氧化粉化現(xiàn)象后，顆粒界面氧化、體積膨脹，使材料表層松散剝落，電阻迅速變化甚至斷裂。

02機(jī)械強(qiáng)度變差

硅碳棒在中低溫段機(jī)械強(qiáng)度較高，但沖擊韌性差，快速冷熱變溫會(huì)在晶粒間產(chǎn)生應(yīng)力集中。
氧化層與內(nèi)部未氧化的碳化硅基體熱膨脹系數(shù)不同，結(jié)合力很弱。輕微的機(jī)械震動(dòng)，如裝卸工件、清理爐膛或熱沖擊都可能導(dǎo)致元件斷裂，非常脆弱。

03啟停循環(huán)壽命衰減

如果頻繁在低溫階段啟停，保護(hù)層反復(fù)生成/破壞，會(huì)加速壽命衰減。

使用建議

快速通過低溫段（建議加熱速率 ≥ 5～10?℃/min），避免在200–800?℃長(zhǎng)時(shí)間保溫。
穩(wěn)定運(yùn)行宜在1000?℃以上溫區(qū)，充分利用穩(wěn)定的SiO?保護(hù)層。
減少冷啟動(dòng)次數(shù)，必要時(shí)可小電流預(yù)熱縮短低溫段停留。

硅碳棒加熱元件升溫曲線圖

具體參數(shù)需結(jié)合爐型與工藝要求進(jìn)行調(diào)整。

硅碳棒還有一個(gè)區(qū)別于硅鉬棒特有的特征：硅碳棒電阻值會(huì)隨著使用年限增加而增加，這個(gè)過程稱為老化。如果長(zhǎng)期在低溫段使用，老化的過程會(huì)更快。其加熱功率會(huì)相應(yīng)地下降，表現(xiàn)為升溫慢或無法達(dá)到設(shè)定溫度。為確保設(shè)備有足夠的加熱功率，可修改控制器參數(shù)，提高輸出功率百分比值。卡博萊特使用硅碳棒加熱元件的設(shè)備，都預(yù)留了足夠的輸出功率。當(dāng)輸出功率百分比設(shè)置為 100% 時(shí)，則需要更換一組新的加熱元件。

最后總結(jié)：以下是這兩種加熱元件的溫度特性。從圖表中可以看出無論是硅鉬棒（MoSi?）還是硅碳棒（SiC）加熱元件都不適用于低溫段。低溫段的溫度范圍略有不同，為了方便記憶，我們一律建議這兩種加熱元件的最低使用溫度為800?℃以上。工作溫度低于800?℃建議使用鐵鉻鋁加熱絲的設(shè)備。