Materialegenskapene til varmeelementet begrenser utvalget til noen få materialer. De vanligste materialene er nikkel-krom, jern-krom-aluminium-legering, molybdensilisid og silisiumkarbid. Disse materialene kan fungere ved høye temperaturer på grunn av deres evne til å motstå høytemperaturoksidasjon. Den andre gruppen består av grafitt, molybden, wolfram og tantal. Disse materialene oksideres ved høye temperaturer og brukes mest i vakuummiljøer eller ovner med oksygenfri atmosfære.
Ni-krom (Ni-Cr) legering
På grunn av sin duktilitet, høye resistivitet og oksidasjonsmotstand selv ved høye temperaturer, er denne typen et av de mest brukte varmeelementmaterialene. Den vanligste sammensetningen av nikkel-krom-legeringer er 80/20 eller 80 prosent nikkel, 20 prosent krom. Andre sammensetninger avhenger av produsenten. På grunn av sin høye duktilitet trekkes den ofte inn i en ledning når den brukes som varmeelement. En vanlig applikasjon som viser denne egenskapen er skumkuttere med varme tråder. Den maksimale oppvarmingstemperaturen for nikkel-kromtråd er omtrent 1100 til 1200 grader.
Jern-krom-aluminium (Fe-Cr-Al) legering
Den kjemiske sammensetningen av denne typen ferritisk jern-krom-aluminium-legering er typisk 20 til 24 prosent krom, 4-6 prosent aluminium og jern som marginer. Sammenlignet med nikkel-krom, er jern-krom-aluminium varmeovner fleksible og lavere i vekt. De kan også produsere høyere temperaturer enn nikkel-kromtråd, rundt 1300 til 1400 grader. På grunn av det jernbaserte metallet svinger prisen på denne legeringen mindre enn Ni-Cr, som hovedsakelig består av nikkel. Ulempen med å bruke jern-krom-aluminium-legeringer er at de har redusert styrke ved høyere temperaturer.
Jern-krom-aluminium-legeringer kan gjøres bedre ved en prosess som kalles pulvermetallurgi. I denne prosessen blir legeringsblokker omgjort til pulver og komprimert til former. Det sintres eller varmpresses (varm isostatisk pressing) i en temperaturkontrollert atmosfære for å skape en metallurgisk binding uten å smelte det pulveriserte metallet fullstendig. Dispersjoner tilsettes legeringsblandingen for å forbedre de mekaniske egenskapene til materialet, og dermed gi ytterligere styrke og seighet ved høyere temperaturer.
Molybdendisilicid (MoSi2)
Molybdendisilicid er en ildfast cermet (keramisk-metallkompositt) hovedsakelig brukt som varmeelementmateriale. På grunn av sitt høye smeltepunkt og gode korrosjonsbestandighet er dette et ideelt materiale for høytemperaturovner. Molybden silicid varmeelementer produseres gjennom en rekke energikrevende prosesser som mekanisk legering, forbrenningssyntese, slagsyntese og varm isostatisk pressing.
MoSi₂-varmere kan oppnå varmetemperaturer på opptil 1900 grader. Ulempene med å bruke molybdensilisid er dens lave seighet og høytemperaturkryping under miljøforhold. Den er sprø ved romtemperatur og må håndteres veldig forsiktig. Høyere seighet oppnås ved en sprø-seig overgangstemperatur på rundt 1,000 grad. På den annen side fører en høyere krypehastighet til at varmeelementet lett deformeres ved høye temperaturer. Den vanligste typen MoSi2-elementer er 2-håndtakshårnålsdesignet, som vanligvis er hengt opp fra ovnstaket og plassert rundt ovnsveggen. Andre former brukes ofte i kombinasjon med keramiske isolasjonsstøpere for å gi mekanisk støtte og termisk isolasjon som en integrert pakke.
Silisiumkarbid (SiC)
Dette er en keramikk produsert ved omkrystallisering eller reaksjonskombinasjon av SiC-korn ved temperaturer over 2100 grader. Silisiumkarbidvarmeelementer er porøse (typisk 8-25 prosent ), der atmosfæren inne i ovnen kan reagere gjennom et tverrsnitt av materialet. Hele varmeelementet kan gradvis oksidere, noe som fører til at motstandsegenskapene til elementet øker over tid (ofte referert til som "aldring") En variabel spenningsforsyning er ofte nødvendig for å øke spenningen til elementet over elementets levetid ved å gradvis opprettholde ønsket effekt av elementet. Denne aldring begrenser til slutt levetiden og ytelsen til varmeelementet.
Silisiumkarbid har mange egenskaper som gjør det egnet for fremstilling av varmeelementer som egner seg for ekstremt høye driftstemperaturer. Denne keramikken har ingen flytende fase. Dette betyr at elementene ikke synker eller deformeres på grunn av kryp ved noen temperatur, og det kreves ingen støtte inne i ovnen. Silisiumkarbid sublimeres direkte ved en temperatur på ca. 2700 grader. I tillegg er den kjemisk inert for de fleste prosessvæsker og har høy stivhet og lav termisk ekspansjonskoeffisient. Silisiumkarbidvarmere kan nå oppvarmingstemperaturer på omtrent 1600 til 1700 grader.
grafitt
Grafitt er et mineral som består av karbon der atomer er ordnet i en sekskantet struktur. Dette mineralet, også i sin syntetiske form, er en god leder av varme og elektrisitet. Grafitt kan generere varme ved temperaturer over 2,000 grader. Ved høye temperaturer øker motstanden betydelig. I tillegg tåler den termisk sjokk og vil ikke bli sprø selv etter raske oppvarmings- og avkjølingssykluser. Den største ulempen med å bruke grafitt er at den oksiderer lett ved temperaturer rundt 500 grader. Fortsatt bruk innenfor dette området vil til slutt føre til materialforbruk. Grafittvarmeelementer brukes ofte i vakuumovner der oksygen og andre gasser slippes ut fra varmekammeret. Mangel på oksygen forhindrer oksidasjon ikke bare av det smeltede metallet, men også av selve varmeelementet. Grafitt kan brukes til forsegling av film, laget til elektrisk varmefilm av karbonkrystall, elektrisk oppvarmingsfilm av grafen og andre filmvarmerprodukter.
