专利名称：用作电阻加热元件的含铝铁基合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作电阻加热元件的含铝铁基合金。
含铝铁基合金可以有有序的和无序的体心晶体结构。例如，具有金属间合金成分的铝化铁合金含有各种原子比的铁和铝，如Fe3Al、FeAl、FeAl2、FeAl3、和Fe2Al5。美国专利5320802、5158744、5024109、和4961903中公开了具有体心立方有序晶体结构的金属间铝化铁合金Fe3Al。这样的有序晶体结构一般含有25～40％(原子)的铝和诸如Zr、B、Mo、C、Cr、V、Nb、Si和Y这样的合金添加剂。
美国专利5238 645中公开了一种具有无序体心晶体结构的铝化铁合金，其中的合金包括8～9.5Al、≤7Cr、≤4Mo、≤0.05C、≤0.5Zr、和≤0.1Y(重量百分数)，优选为4.5～5.5Cr、1.8～2.2Mo、0.02～0.032C和0.15～0.25Zr。除了铝含量分别为8.46、12.04和15.90wt％的三种二元合金外，在美国专利5238645中提出的所有特定的合金成分中至少含5wt％Cr。此外，美国专利5238645说明这些合金元素改善强度、室温延展性、高温抗氧化性、耐水侵蚀性和抗点蚀性。美国专利5238645中未涉及电阻加热元件而且未说明耐热疲劳性、电阻率或高温抗弯性这些性能。
美国专利3026197和加拿大专利648140中提出了含3—18wt％Al、0.05—0.5wt％Zr、0.01—0.1wt％B、和任选的Cr、Ti和Mo的铁基合金。并说明了Zr和B用于晶粒细化，优选的铝含量为10—18wt％、提出了该合金具有抗氧化性和可加工性。然而，象美国专利5238645一样，美国专利3026197和加拿大专利648140未涉及电阻加热元件并且未说明耐热疲劳性、电阻率或高温抗弯性这些性能。
美国专利3676109提出了一种含3—10wt％Al、4—8wt％Cr，大约0.5wt％Cu、小于0.05wt％C、0.5—2wt％Ti和任选的Mn和B的铁基合金。美国专利3676 109提出铜改善耐锈斑性，铬避免脆化，钛提供沉淀硬化。美国专利3676109说明了该合金用于化学加工设备。在专利3676109中提出的所有具体实施例包括0.5wt％Cu和至少1wt％Cr，优选的合金含有总量至少为9wt％的Al和Cr，Al或Cr的最小量应为6wt％且Al和Cr的含量差小于6wt％。但是，象专利5238645一样，专利3676109未涉及电阻加热元件并且未说明耐热疲劳性，电阻率或高温抗弯性这些性能。
美国专利1,550,508、1,990,650、2,768,915和加拿大专利648,141中公开了用作电阻加热元件的铁基含铝合金。美国专利1,550,508中公开的合金包括20wt％Al，10wt％Mn的合金；14—15wt％Al，6—8wt％Mn的合金；或12—16wt％Al，2—10wt％Cr的合金。美国专利1,550,508中公开的所有具体实施例包括至少6wt％Cr和至少10wt％Al。美国专利1,990,650中公开的合金包括16—20wt％Al，5—10wt％Cr、≤0.05wt％C、≤0.25wt％Si、0.1—0.5wt％Ti、≤1.5wt％Mo和0.4—1.5wt％Mn，仅有的一个具体实施例包括17.5wt％Al、8.5wt％Cr、0.44wt％Mn、0.36wt％Ti、0.02wt％C和0.13wt％Si。美国专利2768915中公开的合金包括10—18wt％Al，1—5wt％Mo、Ti、Ta、V、Cb、Cr、Ni、B和W，仅有的一个具体实施例包括16wt％Al和3wt％Mo。加拿大专利648,141中公开的合金包括6—11wt％Al、3—10wt％Cr、≤4wt％Mn、≤1wt％Si、≤0.4wt％Ti、≤0.5wt％C、0.2～0.5wt％Zr和0.05—0.1wt％B，仅有一个具体实施例包括至少5wt％Cr。
美国专利5,249,586和美国专利申请07/943,504,08/118,665、08/105,346和08/224,848中公开了各种材料的电阻加热器。
美国专利4,334,923公开了一种用于催化转化器的含有≤0.05％C、0.1～2％Si、2—8％Al、0.02—1％Y、＜0.009％P、＜0.006％S和＜0.009％O的可冷轧的抗氧化铁基合金。
美国专利4,684,505公开了含有10—22％Al、2—12％Ti、2—12％Mo、0.1—1.2％Hf、≤1.5％Si、≤0.3％C、≤0.2％B、≤1.0％Ta、≤0.5％W、≤0.5％V、≤0.5％Mn、≤0.3％Co、≤0.3％Nb、和≤0.2％La的耐热铁基合金。美国专利4684505公开了一种含有16％Al、0.5％Hf、4％Mo、3％Si、4％Ti和0.2％C的特殊合金。
日本公开专利申请第53—119721号公开了一种具有良好加工性的耐磨损、高导磁性合金，该合金包括1.5—17％Al、0.2—15％Cr和总量为0.01—8％的任选添加剂，所说的添加剂包括＜4％Si、＜8％Mo、＜8％W、＜8％Ti、＜8％Ge、＜8％Cu、＜8％V、＜8％Nb、＜8％Ta、＜8％Ni、＜8％Co、＜3％Sn、＜3％Sb、＜3％Be、＜3％Hf、＜3％Zr、＜0.5％Pb和＜3％的稀土金属。除了一种含16％Al、其余为铁的合金外，日本公开专利申请第53—119721号中的所有具体实施例包括至少1％Cr；除了一种含5％Al、3％Cr，其余为铁的合金外，日本公开专利申请第53—119721号中的其余实施例包括≥10％Al。
本发明提供了一种用作电阻加热元件的铁基合金。该合金具有无序体心立方结构和改善的室温延展性、耐热氧化性、耐(热)循环疲劳性、电阻率、低温强度和高温强度、高强抗弯性。此外，合金优选具有低热扩散性。该合金组成为(以重量百分数表示)4—9.5％Al，0.5—2.0％Ti，0.5—2.0％Mo，0.1—0.8％Zr，0.01—0.5％C，其余为铁。
根据本发明的各种优选的方面，该合金可以是不含铬的，不含锰的，不含硅的或不含镍的。该合金优选具有完全无奥氏体铁素体微观结构，且不含SiC、SiN等这样的绝缘增强陶瓷颗粒。该合金可以包括≤2％Si、≤30％Ni、≤0.5％Y、≤0.1％B、≤1％Nb和≤1％Ta。优选的合金包括8.0—9.0％Al、0.75—1.5％Ti、0.75—1.5％Mo、0.15％—0.75％Zr和0.05—0.35％C的合金；8.0—9.0％Al、0.75—1.25％Ti，0.75—1.25％Mo、0.2—0.6％Zr、0.03—0.09％C和0.01—0.1％Y的合金；8.0—9.0％Al，0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.1—0.3％Zr、0.01—0.1％C、0.25—0.75％Nb、0.25—0.75％Ta和0.01—0.1％Y的合金；8.0—9.0％Al、0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.5—0.75％Zr、0.05—0.15％C和0.01—0.2％Si的合金；和8.0—9.0％Al、0.05—0.15％Si、0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.1—0.3％Zr和0.2—0.4％C的合金。
该合金可以具有如下各种性能。例如，该合金可以构成加热器、烤箱、点火器等产品的电阻加热元件，其中该合金室温下电阻率为80—300μΩ·cm，优选为90—200μΩ·cm。更可取的是当电压达到10伏，通过该合金的电流达到6安时，本合金在1秒内加热到900℃。在空气中用时3小时加热到1000℃时，该合金表现出小于4％的增重。在室温与900℃之间的整个加热循环中，本合金可以有0.05—7欧姆的电阻。用时0.5～5秒钟从室温加热到1000℃时，该合金显示出10000次循环不裂的耐热疲劳性。
关于力学性能，该合金有高的强度重量比(即高比强度)且表现出至少3％的室温延展性。例如，该合金能表现出至少14％的室温面收缩率和至少15％的室温延伸率。该合金具有至少50ksi的室温屈服强度和至少80ksi的室温抗拉强度。关于高温性能，该合金在800℃表现出至少30％的高温面收缩率，在800℃至少30％的高温延伸率，在800℃至少7ksi的高温屈服强度，在800℃至少10ksi的高温抗拉强度。
图1表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的室温性能的影响；图2表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的室温和高温性能的影响；图3表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的高温拉伸应力的影响；图4表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的断裂(蠕变)性能的影响；图5表示硅含量的变化时一种含铝和硅的铁基合金的室温拉伸性能的影响；图6表示钛含量的变化对一种含铝和钛的铁基合金的室温性能的影响；图7表示钛含量的变化对一种含钛铁基合金的蠕变断裂性能的影响。
本发明涉及改善性能的含铝铁基合金，该合金含有4～9.5％重量的铝并由一种无序体心立方晶格结构的铝的固溶体确定。本发明的合金是非奥氏体微观结构的铁素体，并含有一种或一种以上从钼、钛、碳和一种碳化物形成体(如锆、铌或钽)中选择的合金元素，其中碳化物形成体用于与碳结合在固溶体基质内形成碳化物相，以控制晶粒尺寸和沉淀硬化。
根据本发明，发现在铁铝合金中保持铝浓度在4—9.5wt％(名义上的)这一窄范围内，通过在约700℃(左右)以上的某一选定的温度(例如，700℃～1100℃)，在合适的气氛下退火，然后空冷或油淬，这样的铁基合金在保持屈服强度和最大抗拉强度、抗氧化性和耐水侵蚀性的同时，在煅造时可以加工得到预定的室温延展性，这与含铝量大于9.5wt％的铁铝合金有良好的可比性。
铝含量低于约4wt％的铁铝合金具有良好的室温延展性但是所含的铝不足以提供可接受的抗氧化性。而且在铝含量低于4wt％的合金中存在更多的铁，由于多余的铁的存在，合金的抗拉强度剧烈降低使得合金不适用于许多要求采用Fe—Al合金的应用中。另一方面，当铝含量超过9.5wt％时，Fe—Al合金内产生晶相的有序化导致脆化从而降低室温延展性。
用于形成本发明的Fe—Al合金的合金组分的浓度在这里用标称重量百分数表示。但是，这些合金中铝的标称重量基本相当于这些合金中铝的实际重量的至少约97％。例如，在优选组成的该Fe—Al合金中，如下文所述，标称为8.46wt％提供了实际为8.40wt％的铝，这大约是标称浓度的99％。
本发明的Fe—Al合金优选含有一种或一种以上选择的合金元素，以改善其强度、室温延展性、抗氧化性、耐水侵蚀性、抗点蚀性、耐热疲劳性、电阻率、高温抗弯性和抗增重性能。
当钼作为合金组分中的一种时，在高于偶然夹杂量到大约5.0％左右的有效范围内，足以促进合金的固溶硬化和促进合金暴露在高温下的抗蠕变性。钼的浓度范围可以是0.25％—4.25％而且优选是0.75—1.50％。钼添加剂超过2.0％左右时，由于这样浓度的钼的存在导致产生相对较大程度的固溶硬化而使室温延展性降低。
添加一定量的钛可提高合金的抗蠕变强度，其添加量可达3％。钛的浓度优选在大约0.75—1.25％范围内。
当在合金中使用碳和碳化物形成体时，所说的碳以大于偶然夹带杂质量到约0.75％的有效量范围存在，而所说的碳化物形成体以大于偶然夹带杂质量到约1.0％或更多的有效量存在。所说的碳和碳化物形成体的有效量均足以提供形成足够的碳化物的量以控制在提高温度时合金内的晶粒长大。碳化物还产生合金中的一定的沉淀硬化。合金中碳和碳化物形成体的浓度可以是使碳和碳化物形成体的比例达到或接近其化学计量比以便使最后的合金中基本不残留多余的碳。在合金中添加过量的象锆这样的碳化物形成体是有益的，当合金在空气中进行高温热循环时锆可以帮助形成抗剥落的氧化物。锆比铪更有效，因为锆在合金的暴露表面上形成垂直于该表面的氧化物纤维，可钉扎表面氧化物而铪形成的氧化物纤维平行于合金表面。
碳的浓度最好在大约0.03％—0.3％左右的范围内。碳化物形成体包括碳化物形成元素如锆，铌，钽和铪以及它们的混合物。碳化物形成元素最好是含一定浓度的锆，锆的浓度应足够与合金中存在的碳形成碳化物，这个量的范围是大约0.02％～0.6％。铌、钽和铪在用作碳化物形成体时的浓度应对应于锆的浓度。
除了上述的合金元素以外，在合金中使用有效量的如0.1％左右的钇是有好处的，因为已经发现钇可以把合金的抗氧化性改进到比以前已知的铁铝合金系统能得到的抗氧化性更高的水平。
根据本发明，可以添加到合金中的附加元素包括Si、Ni和B。例如，最多为2.0％的少量的Si可以改进低温强度和高温强度，但是当硅含量超过0.25wt％时，合金的室温延展性和高温延展性受到相反的影响。最多30wt％的镍的添加可通过第二相强化改善合金的强度，但是镍提高合金的成本且降低室温延展性和高温延展性因此导致特别是在高温下的加工困难。少量的硼可改进合金的延展性，硼可以与钛和(或)锆混合使用产生使晶粒细化的硼化钛和(或)硼化锆析出物。铝、硅、钛的作用如图1—7所示。
图1表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的室温性能的影响。具体地，图1表示最多含20wt％Al的铁基合金的抗拉强度、屈服强度、面压缩率、延伸率和洛氏硬度值(HRA)。
图2表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的高温性能的影响。具体地，图2表示最多含18％Al的铁基合金在室温、800°F、1000°F、1200°F、和1350°F的抗拉强度和比例极限值。
图3表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金的高温拉伸应力的影响。具体地，图3表示最多含Al 15～16wt％的铁基合金在1小时内达到1/2％延伸率的应力和在1小时内达到2％延伸率的应力。
图4表示铝含量的变化对一种含铝铁基合金对蠕变性能的影响。具体地，图4表示最多含Al 15～18％的铁基合金在100小时和1000小时内的断裂应力。
图5表示硅含量的变化对一种含Al和Si的铁基合金的室温抗拉性能的影响。具体地，图5表示含铝量为5.7wt％或9wt％、最大含硅量为2.5wt％的铁基合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率值。
图6表示钛含量的变化对一种含铝和钛的铁基合金的室温性能的影响。具体地，图6表示最大含铝量为12wt％和最大含钛量为3wt％的铁基合金的抗拉强度和延伸率值。
图7表示钛含量的变化对一种含钛铁基合金的蠕变断裂性能的影响。具体地，图7表示最大钛含量为3wt％的铁基合金在700—1350°F下的断裂应力值。
本发明的铁铝合金最好用电弧熔炼、空气感应熔炼或真空感应熔炼形成，熔炼时把粉末状和(或)块状的选定的合金组分放在氧化锆或类似物质制成的合适的坩埚中在1600℃熔融。熔融的合金最好注入具有所要求的产品形状的石墨或类似物质的模具中，或者形成一炉合金用于通过加工该合金得到合金制品。
如果需要，把待加工的合金熔体块切割成合适的尺寸，然后在大约900°—1100℃的温度范围内煅造，在750°—850℃左右的温度范围内热轧、在大约600°～700℃温度范围内温轧，和(或)在室温下冷轧使厚度减小。每个工件通过冷轧后厚度减小20—30％，然后在大约700°—1050℃，最好是800℃在空气中、惰性气体中或真空中热处理1小时。
在下列的表中列出的可煅合金试样是通过把合金组分电弧熔炼形成各种合金的铸锭的方法制备的。这些铸锭被切成0.5英寸厚的工件，工件在1000℃煅造使合金试样的厚度减小到0.25英寸(减小50％)，然后在800℃热轧进一步使合金试样的厚度减小到0.1英寸(减小60％)，然后在650℃温轧使这里所述的待试验合金试样的最终厚度为0.030英寸(减小70％)。对于抗拉试验，试样用标准长度为1/2英寸与板材轧制方向一致的0.030英寸厚板材冲压而成。
为了对根据本发明形成的合金组成互相比较并与其它铁铝合金比较，根据本发明的合金组成和用于比较的合金组成列于表1。表2列出了在表1中的选定的合金组成在低温和高温下的强度和延展性性能。
各种合金的抗弯数据列于表3。弯曲试验用各种合金试条在一端支撑或两端支撑的情况下进行。弯曲量是在试条在空气中900℃加热表中说明的时间后测得的。
各种合金的蠕变数据列于表4。蠕变试验用拉伸试验确定试样在试验温度下在10小时、100h和1000小时断裂时的应力。
表1
表2
样品的热处理A＝800℃/1hr./空冷B＝1050℃/2hr./空冷C＝1050℃/2hr.真空D＝轧制E＝815℃/1hr./油淬F＝815℃/1hr/炉冷合金1—22试验的应变速率0.2英寸/分表3
附加条件a＝在自由端挂悬锤使试样有相同重量b＝在样品上放相同长度和宽度的薄片使试样有相同重量表4
上述内容描述了本发明的原理，最佳表现和工作规范。然而，不能认为本发明受到所讨论的特定的具体内容的限制。因而，上述的具体内容与其说是限制，不如说是范例。工艺熟悉的操作者在没有背离下述的权力要求所确定的范围内，对本发明的具体内容可能会作出改变是可以理解的。
权利要求
1.一种用于电阻加热元件并具有无序的体心立方结构的铁基合金，该合金具有改进了的室温延展性、抗循环氧化性、耐热疲劳性、电阻率和高温抗弯性，合金的重量百分组成为4—9.5％Al、0.5—2.0％Ti、0.5—2％Mo、0.1—0.8％Zr、0.01—0.5％C、其余为铁。
2.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金是不含铬的、不含锰的、不含硅的和/或不含镍的。
3.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金具有非奥氏体的微观结构。
4.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金具有完全的铁素体结构。
5.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金是不含陶瓷颗粒的。
6.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金包含≤2％Si、≤30％Ni、≤0.5％Y、≤0.1％B、≤1％Nb和≤1％Ta。
7.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说合金的基本成分为8.0—9.0％Al、0.75—1.5％Ti、0.75—1.5％Mo、0.15—0.75％Zr、0.05—0.35％C、其余为Fe。
8.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的基本组成为8.0—9.0％Al、0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.2—0.6％Zr、0.03—0.09％C、0.01—0.1％Y、其余为铁。
9.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的基本组成为8.0—9.0％Al、0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.1—0.3％Zr、0.01—0.1％C、 0.25—0.75％Nb、0.25—0.75％Ta和0.01—0.1％Y、其余为铁。
10.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的基本组成为8.0—9.0％Al、0.75—1.25％Ti、0.75—1.25％Mo、0.5—0.75％Zr、0.05—0.15％C和0.1—0.2％Si，其余为铁。
11.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的基本组成为8.0—9.0％Al、0.05—0.15％Si、0.75—1.25％Mo、0.75—1.25％Ti、0.1—0.3％Zr和0.2—0.4％C、其余为铁。
12.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金构成室温电阻率为80—400μΩ·cm的电阻加热元件。
13.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金表现出至少3％的室温延展性。
14.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在电压达到10伏，通过电流达到6安时在1秒之内加热到900℃。
15.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在空气中加热到1000℃3个小时，重量增加小于4％。
16.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在室温和900℃之间经过一次热循环有0.05—7欧姆的电阻。
17.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金经过室温和900℃之间的一次热循环有80—200μΩ·cm的电阻率。
18.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金表现出至少14％的室温面收缩率。
19.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金表现出至少15％的室温延伸率。
20.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的室温屈服强度至少50ksi。
21.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金的室温抗拉强度至少80ksi。
22.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在800℃的高温面收缩率至少30％。
23.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在800℃的高温延伸率至少为30％。
24.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在800℃的高温屈服强度至少为7ksi。
25.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金在800℃的高温抗拉强度至少为10ksi。
26.如权利要求1所述的铁基合金，其中所说的合金具有每次循环从室温加热到1000℃0.5秒到5秒的条件下10000次循环不裂的耐热疲劳性。
全文摘要
本发明一般涉及用于电阻加热元件的含铝铁基合金。含铝铁基合金具有无序的体心立方结构和改善的室温延展性、电阻率、耐循环疲劳性能、高温抗氧化性、低温强度和高温强度、和(或)高温抗弯性。合金具有不含奥氏体的完全铁素体结构，包括(wt％)4-9.5％Al，0.2-2.0％Ti、0.5-2％Mo、0.1-0.8％Zr、0.01-0.5％C、其余为铁。
文档编号C22C38/00GK1132798SQ95121729
公开日1996年10月9日 申请日期1995年12月29日 优先权日1994年12月29日
发明者M·R·哈加利高尔, G·A·福莱施哈尔, S·C·迪维, V·K·希卡, A·C·利利 申请人:菲利普莫里斯生产公司