규화몰리브덴히터의 발열체(BODY)와 피막작용
히터BODY의 생성
이것은 특히 규화몰리브덴으로 이루어진 히터의 BODY와 겉 표면 피막작용과 관련된 내용이다. 규화몰리브덴 MoSi₂는 주로 전기 저항 히터BODY를 만드는데 이상적인 성분으로 널리 알려져 있다.
하지만. 과거엔, 전기 용광로 등에 쓰이는 전기히터의 BODY는 규칙에 의하여, 상업적으로 잘 알려진 실리콘탄화물과 니켈탄화물의 접합체를 BODY로 사용하였다. 실리콘탄화물 BODY의 최대 발열온도는 1400℃이고, 낮은 저항률은 운전에 요구되는 높은 온도를 만들기 위한 큰 전류를 제공하기가 힘들기 때문에 이것의 저항률은 2000 ~ 5000μΩ/㎝(마이크로 옴 센티미터)로 만들어 진다.
실내온도에서 약 22μΩ/㎝의 상대적으로 낮은 전기 저항률로 인하여, 과거에는 규화 몰리브덴을 히터의 BODY로 사용할 방법을 찾지 못하였다. 규화 몰리브덴 접합체는 매우 부서지기 쉬운데다가, 규화몰리브덴의 저항률을 높이기 위하여 산화알루미늄, 산화지르코늄과 같은 산화물 용액과 높은 온도에서 작용하는 토륨 산화물, 알루미늄 산화물, 베릴륨 산화물, 실리콘 산화물 같이 잘 녹는 산화물 등을 첨가하였지만, 이러한 추가물이 규화 몰리브덴을 더 약하게 만들었다.
현재 흑연 봉이나 규화 몰리브덴의 표면층이 액화되고 흑연BODY 표면층과 결합되어 녹는점이 2450도 이고 공기 중에서 산화되는 온도가 1900도 이상인 물질의 전기발열체의 개발이 기본이다.
앞서 말한 것과 다른 물질의 발명은 다음 예시에서 쉽게 이해 될 수 있다. 순수한 규화 몰리브덴BODY(MoSi₂)는 1880℃에서 녹고, MoSi₂ 분말야금에서 쉽게 녹일 수 있다. 규화 몰리브덴의 높은 안정성과 1700~1800℃의 산화 대기에서도 버티는 좋은 저항성 때문에 MoSi₂발열체가 약 1700℃에서 견딜 수 있는 저항히터를 개발시도를 했었다. 하지만 MoSi₂는 실내온도 22μΩ/㎝의 전기 저항률과, 히터BODY가 매우 얇은 튜브나 리본 띠 같은 횡단면으로 되어 있는 것 때문에 높은 온도를 얻기 위한 큰 전류를 흘리는 저항(율)을 만들기가 어렵기 때문에 전기 히터 BODY로 사용하기엔 비현실적 이였다. 아울러, MoSi₂소결물질은 매우 깨지기 쉽고 실리콘 탄화물의 히터BODY 역시 깨지기 쉬워 적합하지 않다.
히터몸체 피막(Coating)의 성질
흑연 봉 히터개발이나 규화몰리브덴 표면층 피막물질의 개발, 흑연막대에 규화몰리브덴의 표면층이 액화되어 흑연BODY표면층과 결합되어 생긴 물질의 녹는점이 2450℃ 이고, 공기 중 에서 산화되는 온도가 1700℃ 이상인 물질로 코팅되는 특성에 대한 새로운 발열체 개발이 현재기본이 되었다. 규화몰리브덴(MoSi₂)는 BODY코팅의 또는 흑연과 so-coating BODY물질의 봉 형태로 적용된다.
이 단계에서 규화 몰리브덴은 히터몸체에 코팅이 되거나 흑연 같은 물질의 막대 형식으로 적용되었고, so-coating 몸체는 몰리브덴의 녹는점인 1880℃ 이상의 불활성기체에서 가열되었다. 규화몰리브덴분말은 현탁액과 섞어서 막대에 뿌려지거나 미세분말로 막대의 표면에 뿌려진다. 규화몰리브덴 보다 녹는점이 높은 아르곤의 so-coating BODY는 2250℃ 이상의 불활성기체 내에서 가열된다. 규화몰리브덴으로 코팅된 흑연막대가 2200℃ 정도의 불활성기체에서 가열될 때, 액화규화몰리브덴은 2450℃ 이상에서 분해되고 산화된 후 흑연막대에 인접한 층에 결합된다. 이로서, 2200℃이상의 온도에서 산화되지 않는 Mo-Si₂중 카바이드를 얻을 수 있다. 결합된 Mo-Si 2중 카바이드는 규화몰리브덴의 22μΩ/㎝보다 큰 300~500μΩ/㎝의 저항률을 가진다. 2중(Double) 카바이드 물질은 0℃ 이상일 때, 1200℃ 에서 1900℃ 까지 아주 이상적인 특징을 갖으며 그이상일 때 녹는다. 이 발명의 2중 카바이드 코팅의 두께는 흑연막대의 적용에 따른 규화몰리브덴(MoSi₂) 코팅 층 두께의 조절로 쉽게 형성된다. 그리고 이런 형성은 산화구간 1700~1900에서 흑연막대의 층의 부식이나 약화되는 것을 막기 위하여 연속적으로 산화가 일어나 단단히 밀집되며 부착된 코팅은 2중 카바이드 코팅 층으로 쉽게 만들어 진다.
2중 카바이드 코팅으로 준비된 흑연막대의 양쪽 끝은 코팅되지 않아도 된다. 왜냐하면 이 양쪽 끝은 주로 수랭식 구리 전극으로 덮여 낮은 온도로 결합되어 있어 흑연이 산화가 되지 않기 때문이다. 따라서 이미 수랭식으로 물에 꽂혀 있는 흑연막대는 노출된 부위만 Mo-Si 2중 카바이드로 코팅이 되어 있다. 다시 말해서 노출된 흑연막대는 규화몰리브덴 층으로 코팅이 되어 있고, 흑연막대를 통하여 전류를 흘리므로 규화몰리브덴의 녹는점 이상인 2200~2300℃의 온도로 가열 가능한 전류를 흘릴 수 있다. 아르곤 또는 다른 가스의 공급이 유지 되는 동안 2중 카바이드 구조가 흑연막대 표면에 위에 형성된다.
2중 카바이드 코팅은 쉽게 형성되므로. 균일한 두께의 코팅을 위해서는 액화 규화몰리브덴이 녹은 상태로 가열단계에서 막대주변을 충분히 채울 수 있도록 해 주어야 한다. 이 단계에서 몇 번의 반복을 통해서 규화 몰리브덴을 흑연막대 위에 코팅하여 성공하였고 강력한 부식방지와 녹는점이 2400C 인 Mo-Si 2중 카바이드 층의 합성물로 흑연막대의 외부를 변형하는 처리를 하였다. 그렇게 됨으로써 겉의 막은 안의 흑연막대를 보호하게 되었고, 1700℃에서 2200℃ 사이에서도 부식을 방지할 수 있게 된다.
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