一种Fe-Ni-Cr-Al系电热合金及其制造方法和用途的制作方法

文档序号:8201525阅读:714来源:国知局
专利名称:一种Fe-Ni-Cr-Al系电热合金及其制造方法和用途的制作方法
技术领域
本发明涉及电热合金领域,具体涉及一种Fe-Ni-Cr-AI系电热合金。根据使用温 度和环境的不同,可适当调整本发明的Fe-Ni-Cr-AI系电热合金的成分。通过在合金中添 加其它的特种元素,获得具体的各种电热合金类型,可以满各种不同生产要求。同时本发明 也提供了上述电热合金系的制造方法和用途。
背景技术
现有的电热合金分为Ni-Cr系,Ni-Cr-Fe系和Fe_Cr_Al系三类。Ni_Cr系和 Ni-Cr-Fe系电热合金的晶体结构属面心立方,所以高、低温塑性都好,能容易生产出细丝和 薄带,制造成各种复杂的电热元件。同时,合金的焊接性能好,其制造的电热元件维修方便, 使用寿命长。然而,其弊端在于,Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系电热合金中,由于只加入了 Cr,合 金的高温抗氧化性能差,允许的最高使用温度低,例如,Ni-Cr系电热合金的最高使用温度 限制在1100°C以下;而Ni-Cr-Fe系电热合金的最高使用温度仅能达到950°C。此外,由于 Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系电热合金中加入了较多的贵重元素Ni,使得生产成本较高。因此, 上述两种电热合金系由于使用温度和生产成本的限制,很多情况下难以满足生产的要求。而作为第三种电热合金,Fe-Cr-Al系电热合金的晶体结构属于体心立方,该晶体 结构存在有“韧脆转变温度”问题,即当合金温度在转变温度以下时,会变得很脆。Fe-Cr-Al 系电热合金的“韧脆转变温度” 一般在室温以上,所以合金在室温时会变得很脆,从而给冷 加工带来困难。例如冷拔丝和绕制电元件时,需采取特殊的措施,导致成品率降低。此外, 由于Fe-Cr-Al系电热合金的高温强度低和电热元件损坏断裂后不能焊接修复,所以使用 寿命短。目前,国内外现有的电热合金,不是使用温度低、价格贵,就是工艺性差,使用寿命 短。因此,发明一种使用温度高、使用寿命长、工艺性能好、生产成本又低的电热合金系,成 为用户的急切需求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种既能在高温下(例如1300°C )使用、又使用寿命长的 电热合金系。该电热合金系为Fe-Ni-Cr-AI系电热合金,它综合了 Ni_Cr系和Ni-Cr-Fe系 电热合金的面心立方结构,工艺性能好,使用寿命长,同时又具有Fe-Cr-Al系电热合金的 Cr、Al复合合金化的优点,允许的最高使用温度高。本发明的另一目的是提供一种上述合金的丝材的制造方法,通过该方法能够获得 各种规格的冷拔丝材。本发明的再一目的是提供一种上述Fe-Ni-Cr-AI系合金的用途,该合金能够用于 制造工作温度在500°C -1350°C,优选1100°C _1350°C的各种环境下的电热元件。为了达到上述目的,本发明采用了如下的技术方案一种Fe-Ni-Cr-AI系电热合金,按重量百分含量计,该合金系的化学成分如下
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Ni 30-45 % ;Cr 15-26 % ;A1 3-6 % ;C 0. 002-0. 1 % ;B 0. 003-0. 015 % ;RE 0. 01-0. 3% ;Co 1-3% ;ff 1-5% ;Mo 1-3% ;Ti 0. 1-1. 0% ;NbO. 3-1. 0% ;Y 0. 5-1. 05 ;Fe
余量,其中RE为混合稀土,或La、Ce等纯元素。进一步地,优选的Fe-Ni-Cr-Al系电热合金含有Ni 30-36 % ;Cr 15-20% ;A1 3-5% ;C 0. 01-0. 1% ;B 0. 003-0. 010% ;RE 0. 01-0. 05%优选地,该电热合金含有Ni 31. 50 % ;Cr 16. 10 % ;A1 3. 20 % ;B 0. 005 ;RE 0. 025 ;C 0. 06 ;Fe 余量。优选地,该电热合金含有Ni 35. 25% ;Cr 19. 85% ;A1 4. 26% ;B 0. 007% ;RE 0. 027% ;C 0. 04% ;Fe 为余量。优选地,该电热合金含有Ni 42. 50% ;Cr 24. 80% ;A1 5. 50% ;B 0. 008% ;RE 0. 030% ;C 0. 03% ;Fe 为余量。进一步地,所述合金分别含有或复合含有Co 1-3% ;ff 1-5% ;Mo 1-3%。分别加 入时,优选含有Co 2% ;ff 3% ;Mo 2%。复合含有时,Co 1% ;ff 1% ;Mo 1%。进一步地,所述合金分别含有或复合含有Ti 0. 1-1. 0 % ;Nb 0. 3-1.0% ; Y0. 5-1. 0%。优选复合含有 Ti 0. 5% ;Nb 0. 5% ;Y 0. 7%。一种上述Fe-Ni-Cr-Al系电热合金的丝材的制造方法,通过在真空感应炉中按照 Fe-Ni-Cr-Al系电热合金的成分熔炼浇注成锭,然后在1200°C -900°C将合金锭热锻成棒 材,在1200°C -900°C热轧成盘材,再在室温冷拔成不同规格的丝材。优选FeNiCrAl系电 热合金在真空感应炉中冶炼并浇注成锭,然后在120(TC -90(TC下锻成40X40mm方棒,在 1200°C -900°C热轧成6 8mm盘条,最后在室温拉拔成各种规格的细丝。本发明的各种电热合金,主要用于制造工作温度在500°C 1350°C各种环境下的 电热元件,广泛用于机械、冶金、制陶、民用等领域。本发明的Fe-Ni-Cr-Al系电热合金,以Fe为基,加入适量的Ni,保证合金系属于面 心立方晶体结构,以求合金塑性高,工艺性好,再用A1和Cr复合合金化,使合金有优良的抗 氧化和抗腐蚀能力,可以在更高的使用温度使用并具有更长的使用寿命。同时,在保证合金 面心立方晶体结构下,尽可能少加M量,以降低成本。此外,为了能在更高温度下使用,需 适量加入W、Mo和Co等强化元素,以提高合金的高温强度。在某些时候,为了进一步改善工 艺性能和满足使用时的某些特殊要求,可适量加入B、RE、Ti、Nb、Y等微量元素。


下面结合 实施例对本发明做进一步描述实施例1 Fe-I合金为了代替广泛使用的NiCr系Cr20Ni80合金,而制造了低成本的合金Fe_I合金, 在真空感应炉中按照Fe-Ni-Cr-Al系电热合金(Fe_I)的成分熔炼浇注成锭,然后在1200°C 将合金锭热锻、热轧成68mm盘条。再根据需要的规格冷拔成丝材。表1实施例1的Fe-I合金的具体化学成分如下(wt. % ) 合金的抗氧化能力是电热合金的关键性指标。表2给出了 Fe-I合金和Cr20Ni80 合金,在不同温度下,经100小时大气环境下处理后,表层氧化损伤深度(氧化层和晶界氧 化层之总深度)。表2不同温度IOOh的抗氧化性能比较 由表1和表2知,本发明的Fe-I合金的抗氧化能力比用量广泛的Cr20Ni80合金使 用温度提高100°c,或在相同的温度下,寿命成倍提高。更重要的是,用50%的Fe代换Ni, 使新合金的生产成本大幅下降。所以Fe-Ni-Cr-Al系电热合金(此处为Fe-I)是一种质优 价廉的新型电热合金。实施例2Fe_II合金为了进一步提高新合金的最高使用温度,将合金中的Cr、Al、Ni等含量适当提高, 而形成电热合金Fe-II,其具体成分如表3,在真空感应炉中按照Fe-Ni-Cr-Al系电热合金 (Fe-I)的成分熔炼浇注成锭,然后在1100°C热轧成Φ8πιπι盘条,再根据需要的规格冷拔成 丝材。表3实施例2的Fe-II合金的具体化学成分(wt. % ) 表4给出了 Fe-II、Cr20Ni80和0Cr27A17Mo2三种合金,在同样处理条件下,氧化 损伤深度的比较。表4新老合金在不同温度下经100小时处理后氧化损伤深度/ μ m 由表4可知,新的电热合金Fe-II的抗氧化性能,不仅比Cr20Ni80大大提高,且比 抗氧化性能最好的FeCrAl系的0Cr27AlMo2也成倍提高。合金的力学性能不仅与合金的工艺性能密切相关,且将影响合金的最高使用温度和使用寿命,是电热合金另一关键性能指标。表5和表6分别给出了室温和高温新老电热 合金的力学性能比较。表5新老电热合金室温机械性能比较 由表5知,Fe-Ni-Cr-Al系的Fe-II合金与NiCr系Cr20Ni80合金相近的室温 塑性,所以二者有相近的冷加工性能,有利于拉拔细丝,我们已拉出Φ0. 02mm的超细丝; 有利于在室温绕制各种电热元件;有较好的焊接性能,电热元件可修复。Fe-Cr-Al系的 0Cr27A17Mo2合金的室温塑性几乎为0,因而严重影响冷加工性能和电热元件不能修复。表6新老电热合金高温机械性能比较 由表6知,无论Ni-Cr系的Cr20Ni80和Fe-Cr-Al系的0Cr27A17Mo2等老合金,一 直至1300°C都仍有很好的塑性,所以热加工温度范围很广,较易热加工。而新合金Fe-II, 当温度超过1250°C时,合金塑性显著降低,所以热加工上限温度一般不要超过1200°C。我 们在开锻温度为1200°C,停锻温度为900°C的条件下,能顺利锻造成材。从高温强度比较 而言,Cr20Ni80最好,当1300°C时仍有很高强度,但由于Cr20Ni80合金的高温抗氧化性能 差,因而其使用的最高温度限制在1100°C以下。0Cr27A17Mo2合金,从900°C至1300°C的温 度范围内强度都较低,特别是1250°C以上的温度强度降得很低。0Cr27A17Mo2合金高温虽 有较好的抗氧化性能,但强度过低,所以高温使用寿命短。新合金Cr20A15Ni35从900°C至 1250°C都有较高的强度,抗氧化性能又好,所以允许长期在1250°C以下温度下使用。但当 温度升高到1300°C以上时,强度明显下降,不再适宜使用。所以要求在1300°C以上使用的 Fe-Ni-Cr-Al合金,需要再加入强化元素,提高高温强度。实施例3Fe-III-W合金限制Fe-II合金使用温度进一步提高的是高温强度不够,所以加入某些高温强化 元素是关键。本实施例中加入高温强化元素W,使高温强度进一步提高。采用与实施例1-2 相同的制造方法。
表7实施例3的Fe-III-W合金的具体化学成分(wt. % ) 表8新老合金高温强度/MPa的比较 由表8知,当Fe-II(Cr20A15Ni35)合金中,加入适当的W后,高温强度显著提高, 并超过了目前高温强度最高的0Cr27A17Mo2电热合金。由此可见,Fe-III-W合金的最高使 用温度可达1350°C。实施例4Fe-III-Mo 合金合金中加入Mo也能显著提高高温合金的强度。合金制造方法同实施例1。 Fe-III-Mo合金的具体成分如表9所示。表9实施例4的Fe-III-Mo合金的具体化学成分(wt% ) 表IOFe-III-Mo合金的高温强度/MPa 由表10知,合金中加入Mo与加入W有相近的作用。实施例5 Fe-III-Co-W-Mo 合金合金中复合加入Co、W、Mo等强化元素,合金制造方法同实施例1。Fe-III-Co-W-Mo 合金的具体成分如表11所示表1)实施例5的Fe-III-Co-W-Mo合金的化学成分(wt% ) 表 12Fe_III-Co-W-Mo 合金的高温强度 /MPa
Co、W、Mo的共同加入,进一步提高了合金的高温强度。实施例6Fe_Y合金各种热处理炉中,经常用N2作保护气氛,为了提高合金的抗N2能力,可适当加一点 Y元素。具体合金丝材或合金锭的制造过程同实施例1。表13实施例6的Fe-Y合金的化学成分(wt % ) 表14Fe-Y合金中加入Y与不加入Y在纯N2下N化损伤深度/um 由表14知,合金中适当加入Y对抗N化损伤有一定的效果。实施例7Fe_Ti合金合金中加入Ti对抗N化也有一定的作用。具体合金丝材或合金锭的制造过程同 实施例2。表15实施例7的Fe-Ti合金的化学成分) 表16Fe_Ti合金不同温度下N化损伤深度/um 可见,Ti与Y—样,也有提高合金N化能力。实施例8Fe_IV合金在制陶炉气中含有S和Cr气氛,对电热合金有严重的腐蚀作用,所以电热合金中需含有更多的Cr和Al。表17实施例8的Fe-IV合金的化学成分) 表18各种合金在含02+S02气氛条件下的损伤深度/um 由表18可知,在含S气氛下,在Ni-Cr系合金不能用。Fe-Ni-Cr-Al系与Fe-Cr-Al 系中的高Cr高Al合金有好的抗S腐蚀性能,但仍比不含S的气氛寿命教短。此外,上述元素之间还可以相互组合形成新的实施例,其效果是能够根据上述试 验结果预见的,在此其各种元素的组合实施例不再赘述。值得注意的是,上文结合实施例对本发明的技术方案进行了详细说明,但是本领 域的技术人员容易想到,在本发明技术方案基础上,可以对本发明的技术方案进行各种变 化和修改,但都不脱离本发明所要求保护的权利要求书概括的范围。
权利要求
一种Fe Ni Cr Al系电热合金,其特征在于,按重量百分比计,Ni 30 45%;Cr 15 26%;Al 3 6%;C 0.002 0.1%;B 0.003 0.015%;RE 0.01 0.3%;Co 1 3%;W 1 5%;Mo 1 3%;Ti 0.1 1.0%;Nb 0.3 1.0%;Y0.5 1.05;Fe余量,其中RE为混合稀土或La、Ce纯元素。
2.如权利要求1所述的电热合金,其特征在于,按重量百分比计,Ni30-36% ;Cr 15-20% ;Al 3-5% ;C 0. 01-0. 1% ;B 0. 003-0. 010% ;RE 0. 01-0. 05%。
3.如权利要求2所述的电热合金,其特征在于,所述电热合金含有Ni31.50% ;Cr 16. 10% ;Al 3. 20% ;B 0. 005 ;RE 0. 025 ;C 0. 06 ;Fe 余量。
4.如权利要求2所述的电热合金,其特征在于,所述电热合金含有Ni35. 25% ;Cr 19. 85% ;Al 4. 26% ;B 0. 007% ;RE 0. 027% ;C 0. 04% ;Fe 为余量。
5.如权利要求1所述的电热合金,其特征在于,所述电热合金含有Ni42. 50% ;Cr 24. 80% ;Al 5. 50% ;B 0. 008% ;RE 0. 030% ;C 0. 03% ;Fe 为余量。
6.如权利要求1-5任一项所述的电热合金,其特征在于,所述合金分别含有或复合含 有 Co 1-3% ; W 1-5% ;Mo 1-3% ο
7.如权利要求1-5任一项所述的电热合金,其特征在于,所述合金分别含有或复合含 有 Ti 0. 1-1. 0% ;Nb 0. 3-1. 0% ;Y 0. 5-1. 0% ;
8.如权利要求7所述的电热合金,其特征在于,所述合金复合含有Ti0.5%;Nb 0.5%; Y 0. 7%。
9.一种权利要求1-8任一项所述Fe-Ni-Cr-Al系电热合金的丝材的制造方法,通过在 真空感应炉中按照Fe-Ni-Cr-Al系电热合金的成分熔炼浇注成锭,然后在1200°C -900°C将 合金锭热锻成棒材,在1200°C -900°C热轧成盘材,再在室温冷拔成不同规格的丝材。
10.一种权利要求1-8任一项所述Fe-Ni-Cr-Al系电热合金的用途,所述合金用于制造 工作温度在500°C 1350°C各种环境下的电热元件。
全文摘要
本发明公开了一种Fe-Ni-Cr-Al系电热合金。按重量百分含量计,其化学成分如下Cr 15-26%;C 0.002-0.1%;B 0.003-0.015%;RE 0.01-0.3%;Ni 30-45%;Fe余量。本发明Fe-Ni-Cr-Al电热合金通过适当调整上述成分和添加W、Mo、Co、Ti和Y等成分,发展出多种具体电热合金,以满足不同使用温度和工作环境的需求。本发明也提供了该合金的制造方法及其用途。本发明的Fe-Ni-Cr-Al系电热合金,以Fe为基,加入适量的Ni,保证合金系属于面心立方晶体结构,以求合金塑性高,工艺性好,再用Al和Cr复合合金化,使合金有优良的抗氧化和抗腐蚀能力,可以在更高的使用温度使用并具有更长的使用寿命。此外,该电热合金可适量加入B、RE、Ti、Nb、Y等微量元素,进一步改善工艺性能和满足使用时的某些特殊要求。
文档编号H05B3/12GK101892436SQ20091014285
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月19日 优先权日2009年5月19日
发明者朱耀霄 申请人:朱耀霄
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