CN102409255A - 表面具有绝缘性能的合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面具有绝缘性能的合金及其制备工艺，属于特殊合金制备技术领域。合金化学成分质量百分比组成为：铬10～35％、铝2～10％、硅0～0.5％、锰0.1～1.0％、钴0.2～0.5％、钒0.1～0.7％、钨0.1～0.8％、铌0.2～0.8％和镍0.1～1.2％，余量为铁和不可避免的杂质；制备工艺包括熔化、精炼、脱氧、浇注和热处理。本发明在铁-铬-铝铁素体抗氧化合金的基础上通过添加微量合金元素，经过热处理工艺后，材料中的铝在热处理过程中能在材料表面形成一层致密的氧化铝陶瓷层，该陶瓷层具有较高的电阻，合适的表面硬度和良好的耐磨能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面具有绝缘性能的合金及其制备工艺，属于特殊合金制备技术领域。
背景技术
氧化铝陶瓷和酚醛树脂由于具有良好的绝缘性，通常用作焊接中的绝缘器件。但是由于陶瓷材料脆性大，在使用环境中有冲击力时易碎和折断，由此而产生的更换时间成本在现代化的自动生产线上显得尤其昂贵，而且成型需要模具，因而对尺寸特殊的器件加工就更困难，生产周期也较长，小批量成本十分高。酚醛树脂也称电木，是除氧化铝陶瓷定位零件外的另一选择，不过其不耐高温以及抗冲击力差的缺点也会影响到使用寿命。因此，具有电绝缘性能且同时具备良好的机加工性能、耐高温和抗冲击能力强的材料显得尤其重要。
本文涉及的一种作为绝缘载体使用的铁铬铝合金。作为一种特殊的铁铬铝合金，其特点是，在铁-铬-铝铁素体抗氧化合金的基础上通过添加特殊的合金元素，制成一种具有绝缘、耐磨、韧性好、硬度、强度及抗氧化性能高的高科技材料，而且经过特殊热处理工艺后，具有表面低压绝缘的特点。材料中的铝在热处理过程中能在材料表面形成一层致密的氧化铝陶瓷层，该陶瓷层具有很高的电阻，合适的表面硬度，而添加的特殊元素使得氧化铝陶瓷层与材料的基体具有良好的附着力，而具有达到良好的耐磨能力。由于该铁铬铝绝缘耐磨抗氧化合金材料兼具抗氧化合金良好的机加工性能与和抗氧化能力和陶瓷的绝缘和耐磨能力，因而在汽车生产线中焊接机器人中的绝缘器件使用中相比陶瓷材料与电木材料都占据了绝对优势。陶瓷的硬度和绝缘性是完全没有问题的，但由于陶瓷材料脆性大，在使用环境中有冲击力时易碎和折断，由此而产生的更换时间成本在现代化的自动生产线上显得尤其昂贵。而且成型需要模具，因而对尺寸特殊的定位销加工就更困难，生产周期也较长，小批量成本十分高。酚醛树脂也称电木是除陶瓷定位零件外的另一选择，不过其不耐高温以及抗冲击力差的缺点也会影响到使用寿命。
要达到作为铁铬铝绝缘耐磨抗氧化合金，在兼备基体硬度，良好机加工性，表面绝缘，耐磨以及抗氧化的种种性能。就必须在合金冶炼工艺过程中添加一系列可以分别实现这些功能的微量合金，这些微量合金的比例、添加时间、添加温度都会影响产品最终的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面具有绝缘性能的合金，制备的合金具有绝缘、耐磨且硬度高；同时提供了其制备工艺。
所述的表面具有绝缘性能的合金，其化学成分质量百分比组成为：铬10～35％、铝2～10％、硅0～0.5％、锰0.1～1.0％、钴0.2～0.5％、钒0.1～0.7％、钨0.1～0.8％、铌0.2～0.8％和镍0.1～1.2％，余量为铁和不可避免的杂质。
所述的表面具有绝缘性能的合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)熔化：将铁、铬、铝原料，在0.1～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化，频率为2950～3050赫兹，功率为40～100千瓦；
(2)精炼：铁、铬、铝原料熔化后，在氩气5～40千帕分压保护下进行脱气精炼10～30分钟；
(3)脱氧：加入脱氧剂进行钢液脱氧2～5分钟，脱氧剂为金属硅、金属锰和金属铝；
(4)浇注：加入钴镍铌钒钨微量元素合金包进行合金化，最后在氩气5～50千帕分压保护下浇注；
(5)热处理：在空气中，将浇注好的合金于900～1300℃下，保温2～8小时，使合金表面氧化，在合金表面形成一层氧化铝电绝缘层。
步骤(5)热处理过程在马弗炉中进行。
所述的铁原料为纯度为99％以上的纯铁或铁质量含量在35％以上的铁铬合金。
所述的铬原料为纯度为99.9％以上的金属铬或铬质量含量在60％以上的铁铬合金的。
所述的铝原料为纯度为99.7％以上的纯铝。
浇铸出的合金钢锭即绝缘合金的母材，绝缘合金的母材可通过锻轧拔等工艺将母材制成所需的棒材，丝材或带材等。
各种原材料所引入的碳总量不得超过0.02％；各种原材料所引入的硫总量不得超过0.03％；各种原材料所引入的磷总量不得超过0.02％。
本发明的有益效果如下：
本发明在铁-铬-铝铁素体抗氧化合金的基础上通过添加微量合金元素，经过热处理工艺后，在合金表面形成一层致密的氧化铝陶瓷层，添加的特殊元素使得氧化铝陶瓷层与材料的基体具有良好的附着力，本发明的合金具有较高的电阻，合适的表面硬度和良好的耐磨能力且制备工艺简单易行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例和对比例所用原料中：纯铁中铁的质量含量为99.5％，纯铝中铝的质量含量为99.75％，金属铬中铬的质量含量为99.9％，金属镍中镍的质量含量为99.96％，金属钴中钴的质量含量为99.98％，金属钨中钨的质量含量为99.5％，金属钒中钒的质量含量为99％，金属铌中铌的质量含量为99.5％。作为脱氧剂使用的金属锰中锰的质量含量为99％，金属硅中硅的含量为99％，金属铝的含量为99.9％。
对比例1～2
合金化学成分质量百分比组成见表1，每个对比例原料配方中均含不可避免的杂质。
实施例1～16
合金化学成分质量百分比组成见表1，每个实施例原料配方中均含不可避免的杂质。
表1合金原料配方表
| 铁％ | 铬％ | 铝％ | 钨％ | 钒％ | 镍％ | 铌％ | 锰％ | 硅％ | 钴％ | |
| 对比例1 | 余量 | 12 | 3.5 | ＜0.1 | ＜0.1 | ＜0.05 | ＜0.05 | 0.5 | 0.11 | ＜0.1 |
| 对比例2 | 余量 | 25 | 3.5 | 0.12 | ＜0.1 | ＜0.05 | ＜0.05 | 0.48 | 0.13 | ＜0.1 |
| 实施例1 | 余量 | 18 | 3.5 | 0.18 | 0.31 | 0.2 | 0.46 | 0.12 | 0.1 | ＜0.1 |
| 实施例2 | 余量 | 12 | 3.5 | 0.51 | 0.52 | 0.32 | 0.23 | 0.14 | 0.20 | ＜0.1 |
| 实施例3 | 余量 | 27 | 6 | 0.35 | 0.35 | 0.29 | 0.45 | 0.80 | 0.21 | 0.18 |
| 实施例4 | 余量 | 27 | 4.5 | 0.42 | 0.51 | 0.46 | 0.49 | 0.34 | 0.17 | 0.3 |
| 实施例5 | 余量 | 18 | 4 | 0.29 | 0.68 | 0.75 | 0.53 | 0.12 | 0.13 | 0.34 |
| 实施例6 | 余量 | 12 | 4.5 | 0.48 | 0.5 | 0.83 | 0.54 | 0.23 | 0.13 | 0.3 |
| 实施例7 | 余量 | 35 | 3 | 0.27 | 0.65 | 0.23 | 0.45 | 0.28 | 0.06 | 0.34 |
| 实施例8 | 余量 | 12 | 4.5 | 0.44 | 0.53 | 0.28 | 0.76 | 0.31 | 0.27 | 0.3 |
| 实施例9 | 余量 | 35 | 3.5 | 0.22 | 0.62 | 0.27 | 0.58 | 0.21 | 0.16 | 0.34 |
| 实施例10 | 余量 | 27 | 7.5 | 0.21 | 0.32 | 0.27 | 0.33 | 0.09 | 0.13 | 0.34 |
| 实施例11 | 余量 | 18 | 4 | 0.2 | 0.52 | 0.39 | 0.2 | 0.65 | 0.35 | 0.34 |
| 实施例12 | 余量 | 35 | 6 | 0.21 | 0.27 | 0.85 | 0.29 | 0.78 | 0.28 | 0.41 |
| 实施例13 | 余量 | 18 | 2.5 | 0.64 | 0.35 | 0.78 | 0.76 | 0.74 | 0.29 | 0.3 |
| 实施例14 | 余量 | 12 | 4 | 0.35 | 0.61 | 0.55 | 0.49 | 0.47 | 0.34 | 0.28 |
| 实施例15 | 余量 | 27 | 6 | 0.3 | 0.46 | 0.68 | 0.27 | 0.6 | 0.35 | 0.38 |
| 实施例16 | 余量 | 35 | 7.5 | 0.24 | 0.39 | 0.27 | 0.35 | 0.13 | 0.12 | 0.44 |
按上表中的配方配置合金，并按下述步骤进行熔炼：
(1)熔化：将铁、铬、铝原料，在0.1～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化，电流频率为2950～3050赫兹，功率为40～100千瓦；
(2)精炼：铁、铬、铝原料熔化后，在氩气5～40千帕分压保护下进行脱气精炼10～30分钟；
(3)脱氧：加入脱氧剂进行钢液脱氧2～5分钟，脱氧剂为硅、锰和铝合金；
(4)浇注：加入钴镍铌钒钨微量元素合金包进行合金化，最后在氩气5～50千帕分压保护下浇注；
(5)热处理：在空气中，将浇注好的合金于900～1300℃下，保温2～8小时，使合金表面氧化，在合金表面形成一层氧化铝电绝缘层。
对比例1和对比例2在熔炼过程中不加入微量合金包，脱氧时间均为3±1分钟，频率为3000±50赫兹。实施例1～16脱氧时间均为3±1分钟，电流频率为3000±50赫兹。
经步骤(4)浇注出的合金钢锭即绝缘合金的母材。将合金母材经锻轧拔后形成直径为13毫米和长为1米的圆棒，将圆棒用数控机床加工成直径为12毫米和长为20毫米的圆柱体，对比例1的圆柱体不进行热处理，其他的圆柱体按照步骤(5)进行处理后随炉冷却，得到表面具有氧化铝电绝缘层的绝缘试样。
实施例和对比例的工艺参数见表2。
表2实施例和对比例的工艺参数表
性能测试：
采用绝缘耐压测试仪(500V交流))和万用表在室温下测试实施例和对比例的表面陶瓷层的绝缘性能，结果见表3(本表中的数据为5个取样点的平均值)
表3实施例和对比例性能数据表
| 配方编号 | 表面电阻(兆欧姆) | 绝缘电阻(兆欧姆) |
| 实施例1 | 1500 | 50 |
| 实施例2 | 2000 | 40 |
| 实施例3 | 2000 | 150 |
| 实施例4 | 2000 | 400 |
| 实施例5 | 2000 | 250 |
| 实施例6 | 1200 | 75 |
| 实施例7 | 1280 | 150 |
| 实施例8 | 1275 | 110 |
| 实施例9 | 2000 | 250 |
| 实施例10 | 2000 | 400 |
| 实施例11 | 2000 | 300 |
| 实施例12 | 2000 | 250 |
| 实施例13 | 1750 | 400 |
| 实施例14 | 2000 | 450 |
| 实施例15 | 1570 | 200 |
| 实施例16 | 2000 | 500 |
| 对比例1 | 0 | 0 |
| 对比例2 | ＜50 | 0 |
从表3中可看到没有经过热处理的对比例1和经过热处理的对比例2在500伏特交流电压下绝缘电阻均为0，而实施例1～16中经过热处理的试样不论是表面电阻还是绝缘电阻都显示其具有良好的绝缘性，合金中微量元素的加入和热处理对合金的绝缘性能起到了显著的作用。
Claims (5)
1.一种表面具有绝缘性能的合金，其特征在于化学成分质量百分比组成为：铬10～35％、铝2～10％、硅0～0.5％、锰0.1～1.0％、钴0.2～0.5％、钒0.1～0.7％、钨0.1～0.8％、铌0.2～0.8％和镍0.1～1.2％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的表面具有绝缘性能的合金的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)熔化：将铁、铬、铝原料，在0.1～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化，频率为2950～3050赫兹，功率为40～100千瓦；
(2)精炼：铁、铬、铝原料熔化后，在氩气5～40千帕分压保护下进行脱气精炼10～30分钟；
(3)脱氧：加入脱氧剂进行钢液脱氧2～5分钟，脱氧剂为金属硅、金属锰和金属铝；
(4)浇注：加入钴镍铌钒钨微量元素合金包进行合金化，最后在氩气5～50千帕分压保护下浇注；
(5)热处理：在空气中，将浇注好的合金于900～1300℃下，保温2～8小时，使合金表面氧化，在合金表面形成一层氧化铝电绝缘层。
3.根据权利要求2所述的表面具有绝缘性能的合金的制备工艺，其特征在于所述的铁原料为纯度为99％以上的纯铁或铁质量含量在35％以上的铁铬合金。
4.根据权利要求2所述的表面具有绝缘性能的合金的制备工艺，其特征在于所述的铬原料为纯度为99.9％以上的金属铬或铬质量含量在60％以上的铁铬合金。
5.根据权利要求2所述的表面具有绝缘性能的合金的制备工艺，其特征在于所述的铝原料为纯度为99.7％以上的纯铝。
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