CN103325435A - 用于热电偶补偿导线的合金材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于热电偶补偿导线的合金材料及制备方法，该材料包括正极材料和负极材料，其中，正极材料为纯度≥99.95%的纯铜；负极材料由Cu和Ni组成，各物质重量之和为100%，其各物质的重量百分百为：Cu：98.0%～98.2%；Ni：1.8%～2.0%。该补偿导线具有热电性能稳定，补偿热电势精度高，补偿温度范围大（0～200℃）、组织成分均匀，力学性能好，价格便宜等优点。

Description

用于热电偶补偿导线的合金材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种用于W5Re-W20Re热电偶补偿导线的合金材料及制备方法。
背景技术
补偿导线是在一定温度范围内，具有与所匹配热电偶热电势相同标称值的一种导线，其作用是将热电偶的参考端延长到远离热源或环境温度较恒定的地方，以补偿他们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。
W5Re-W20Re热电偶主要应用于石油化工、冶金冶炼、航空航天等高温或超高温测温领域，其热电势分度值比W3Re-W25Re和W5Re-W26Re高，应用日益广泛，尤其是在航空、航天等发动机尾焰超高温测温领域。
目前国内钨铼热电偶材料补偿导线主要是补偿W3Re-W25Re和W5Re-W26Re热电偶，不能对W5Re-W20Re热电偶进行有效补偿（例如在100℃时，如果选用W3Re-W25Re补偿导线补偿W5Re-W20Re热电偶，温度偏低约-14℃；如果选用W5Re-W26Re补偿导线补偿W5Re-W20Re热电偶，温度偏高约8℃）。国外生产的钨铼热电偶补偿导线材料主要采用镍基合金，添加W、Cr等合金元素，由于其组成的化学元素多达四种以上，在制备过程中，不易控制其各成分均匀分配，因此有热电势允差较大，热电性能波动性大的缺点。另外，由于采用镍基合金，使其生产成本高、加工难度大。目前有关W5Re-W20Re热电偶用补偿导线也没有任何的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于热电偶补偿导线的合金材料及制备方法，该补偿导线具有热电性能稳定，补偿热电势精度高，补偿温度范围大（0～200℃）、组织成分均匀，力学性能好，价格便宜等优点。
本发明的技术方案是：
用于热电偶补偿导线的合金材料，该材料包括用于正极材料和用于负极材料，其中，
正极材料为纯度≥99.95%的纯铜；
负极材料由Cu和Ni组成，各物质重量之和为100%，其各物质的重量百分百为：
Cu         98.0%～98.2%；
Ni：       1.8%～2.0%。
所述负极材料较好的技术方案是，各物质的的重量百分百为：
Cu         98.1%；
Ni：       1.9%。
用于热电偶补偿导线的合金材料的制备方法，配料：按照上述的配比取正极所用纯铜；按照上述的配比取铜和镍；
热电偶用补偿导线合金的正极和负极材料，均按照以下方法制备：
（1）取上述正极或负极材料，熔炼：
反复抽真空，抽真空过程中往熔炼炉内充氩气，最后保持熔炼炉内氩气压强为0.08～0.1MPa，熔炼温度1150～1200℃，精炼时间10～15min；
（2）浇注：
200～300℃下预热石墨模具和石墨漏斗20～30min，将石墨漏斗放置在石墨模具上浇注，浇注温度：1100～1150℃，浇注时间30s～60s；
（3）锻打：
取出凝固的材料700～800℃预热20～30min，锻打成方条，700～800℃下，退火20～30min；
（4）轧制、拉丝：
经退火出了后的材料轧制、拉丝，拉丝的变形量为15～30%，得到丝材；
（5）热处理：
丝材退火处理，退火的温度600～800℃，时间为20～40min，得到热电偶用补偿导线合金的正极或负极材料。
上述步骤（4）所述的材料为φ4mm～φ0.5mm。
本发明正极材料采用纯铜替代镍基多元合金，降低了生产成本和加工难度，避免了因添加合金元素不均匀而导致的热电势分散等问题，热电势重复性好，提高了正极丝材的热电均匀性和测温精度。本发明负极材料采用铜-镍二元合金替代镍基多元合金，降低生产成本至少50%，添加单一的镍元素，使合金成分的均匀性较易控制，热电势重复性好，提高了丝材的热电均匀性和测温精度。
本专利所述的W5Re-W20Re热电偶材料用补偿导线合金采用铜和铜基合金，通过真空熔炼、浇注、锻打、轧制、拉拔、热处理等工艺技术，制备出热电性能稳定，热电势精度高，补偿温度范围大（0～200℃），满足W5Re-W20Re热电偶材料用补偿导线的要求。
正极材料采用纯铜替代镍基多元合金，降低了生产成本和加工难度，避免了添加合金元素不均匀而导致的热电势分散等问题，热电势重复性好，提高了正极丝材的热电均匀性和测温精度。负极材料采用铜-镍二元合金替代镍基多元合金，降低生产成本至少50%，添加单一的镍，合金成分的均匀性较易控制，热电势重复性好，提高了本发明所述热电偶用补偿导线合金材料的热电均匀性和测温精度。
本发明制备的补偿导线合金材料作为W5Re-W20Re（A型）热电偶材料用补偿导线。
积极效果
（1）本发明制备的W5Re-W20Re热电偶材料用补偿导线合金采用正极为纯铜，负极为铜镍合金，其加工性能好，生产成本低，价格较国外镍基合金的补偿导线合金便宜至少50%。
（2）申请日以前未见有关W5Re-W20Re热电偶材料用补偿导线合金的相关报道。
（3）采用本发明的材料、配方和制备方法制备的W5Re-W20Re热电偶材料用补偿导线合金（铜-铜镍），纯铜或铜镍的成分及其均匀性容易控制，丝材的热电均匀性好，热电势允差小（≤±48μV），热电势重复性好，热电性能稳定，补偿精度高，补偿温度范围较大（0～200℃），如图1所示。
本发明所述纯铜的含铜≥99.95%，电解镍中含镍为≥99.95%，电解铜中含铜为≥99.95%，均为市售产品。
附图说明
图1为补偿导线合金热电势与温度的关系。
具体实施方式
补偿导线合金的制备工艺流程为：配料→熔炼→浇注→锻打→轧制→拉拔→热处理→性能测试、分度标定。
热电偶用补偿导线合金材料的制备反复如下：
（1）配料：正极为纯铜，负极按上述重量百分比采用电解铜和电解镍配制而成；
（2）熔炼：先抽真空，当压强为0.01～0.03MPa时，停止抽真空，然后往熔炼炉中冲氩气，当压强为0.08～0.1MPa时，再抽真空，反复2～3次，最后保持熔炼炉内氩气压强0.08～0.1MPa，熔炼温度1150～1200℃，精炼时间10～15min，此方法有效减少了铜的挥发，利于合金成分的有效控制；
（3）浇注：在200～300℃预热石墨模具和石墨漏斗20～30min，浇注时把石墨漏斗放置在石墨模具上，保证熔液从石墨模具中间浇注，提高铸锭质量，浇注温度：1100～1150℃，浇注时间30s～60s；
（4）锻打：对样品进行预热，工艺700～800℃×20～30min，锻打成10mm×10mm的方条后，在700～800℃×20～30min；
（5）轧制：采用方辊轧机，将10mm×10mm的方条轧为4mm×4mm的丝材；
（6）拉丝：加工范围：φ4mm～φ0.5mm，加工变形量控制在15～30%之间；
（7）热处理：丝材退火温度600～800℃×20～40min，得到产品；
（8）性能测试：对补偿导线合金进行理化性能、力学性能、热电性能测试，性能满足W5Re-W20Re（A型）热电偶材料用补偿导线要求的，即为合格产品。
实施例1
热电偶用补偿导线合金材料正极的制作：
称量2000.0克电解铜（含铜≥99.95%），在真空感应熔炼炉中熔炼，真空度≤1.5×10-2Pa，精炼时间10min后，浇注到石墨模具中，接着放置于马弗炉中于700℃保温20min，然后锻打成10mm×10mm的方条，接着退火，退火温度700℃保温20min，然后在方辊轧机上轧制成4mm×4mm的方材，再经过链式拉拔、转盘拉拔，最后拉拔至Φ0.5mm，然后在600℃退火40min，最后进行力学性能和热电性能测试，测试结果为：Cu退火态的抗拉强度为≥200MPa，在100℃采用同名级测试头尾电势分散性≤±10μν，连续不均匀性≤±10μν（如表1-1、1-2所示）。
表1-1 Φ0.5mm铜丝连续取样在100℃时的相对热电势
Figure 628285DEST_PATH_IMAGE001
表1-2 Φ0.5mm铜丝间断取样在100℃时的相对热电势
Figure 132079DEST_PATH_IMAGE002
实施例2 
用于热电偶补偿导线合金材料负极的制作，以及将其与实施例1正极配对成Cu-Cu1.8Ni热电偶的热电势测试：
称量1964.0克电解铜（含铜≥99.95%）和36.0克电解镍（含镍≥99.95%），在真空感应熔炼炉中熔炼，真空度≤1.5×10-2Pa，精炼时间15min后，浇注到石墨模具中，接着放置于马弗炉中于700℃保温30min，然后锻打成10mm×10mm的方条，接着退火，退火温度700℃保温30min，然后在方辊轧机上轧制成4mm×4mm的方材，再经过链式拉拔、转盘拉拔，最好拉拔至Φ0.5mm，然后在600℃退火30min，进行力学性能和热电性能测试，测试结果为：Cu1.80Ni退火态的抗拉强度为≥240MPa，在100℃采用同名级测试头尾电势分散性≤±10μν，连续不均匀性≤±10μν（如表2-1，2-2所示），与实施例1制备的φ0.5mmCu配对成Cu-Cu1.8Ni热电偶后在0～200℃的测温允差≤|-48|μV，测试结果如表2-3所示。
表2-1 Φ0.5mmCu1.8Ni丝连续取样在100℃时的相对热电势
Figure 433747DEST_PATH_IMAGE003
表2-2 Φ0.5mmCu1.8Ni丝间断取样在100℃时的相对热电势
表2-3 φ0.5mm Cu-Cu1.8Ni热电偶在0～200℃的热电势
Figure 119123DEST_PATH_IMAGE005
实施例3 
用于热电偶补偿导线合金材料负极的制作，以及将其与实施例1正极配对成Cu-Cu1.9Ni热电偶的热电势测试：
称量1962.0克电解铜（含铜≥99.95%）和38.0克电解镍（含镍≥99.95%），在真空感应熔炼炉中熔炼，真空度≤1.5×10-2Pa，精炼时间15min后，浇注到石墨模具中，接着放置于马弗炉中于800℃保温20min，然后锻打成10mm×10mm的方条，接着退火，退火温度800℃保温20min，然后在方辊轧机上轧制成4mm×4mm的方材，再经过链式拉拔、转盘拉拔，最好拉拔至Φ0.5mm，然后在800℃退火20min，进行力学性能和热电性能测试，测试结果为：Cu1.9Ni退火态的抗拉强度为≥240MPa，在100℃采用同名级测试头尾电势分散性≤±10μν，连续不均匀性≤±10μν（如表3-1、3-2所示），与实施例1制备的φ0.5mmCu配对成Cu-Cu1.9Ni热电偶后在0~200℃的测温允差≤|±19|μV，测试结果如表3-3所示。
表3-1 Φ0.5mmCu1.9Ni丝连续取样在100℃时的相对热电势
Figure 488925DEST_PATH_IMAGE006
表3-2 Φ0.5mmCu1.9Ni丝间断取样在100℃时的相对热电势
Figure 314274DEST_PATH_IMAGE007
表3-3 φ0.5mm Cu-Cu1.9Ni热电偶在0~200℃的热电势
Figure 111328DEST_PATH_IMAGE008
实施例4 
用于热电偶补偿导线合金材料负极的制作，以及将其与实施例1正极配对成Cu-Cu2.0Ni热电偶的热电势测试：
称量1960.0克电解铜（含铜≥99.95%）和40.0克电解镍（含镍≥99.95%），在真空感应熔炼炉中熔炼，真空度≤1.5×10-2Pa，精炼时间15min后，浇注到石墨模具中，接着放置于马弗炉中于800℃保温30min，然后锻打成10mm×10mm的方条。退火，退火温度800℃保温30min，然后在方辊轧机上轧制成4mm×4mm的方材，再经过链式拉拔、转盘拉拔，最好拉拔至Φ0.5mm，然后在800℃退火30min，进行力学性能和热电性能测试，测试结果为：Cu1.9Ni退火态的抗拉强度为≥230MPa，在100℃采用同名级测试头尾电势分散性≤±10μν，连续不均匀性≤±10μν（如表4-1、4-2），与实施例1制备的φ0.5mmCu配对成Cu-Cu2.0Ni热电偶后在0～200℃的测温允差≤|48|μV，测试结果如表4-3所示。
表4-1 Φ0.5mmCu2.0Ni丝连续取样在100℃时的相对热电势
Figure 720164DEST_PATH_IMAGE009
表4-2 Φ0.5mmCu2.0Ni丝间断取样在100℃时的相对热电势
Figure 831340DEST_PATH_IMAGE010
表4-3 φ0.5mm Cu-Cu2.0Ni热电偶在0～200℃的热电势
Figure 842021DEST_PATH_IMAGE011
    结论：本发明所述热电偶用补偿导线制备的热电偶，热电势允差小（≤±48μV），热电势重复性好，热电性能稳定，补偿精度高，补偿温度范围较大（0～200℃）。

Claims (4)

1.一种用于热电偶补偿导线的合金材料，其特征在于：该材料包括用于正极材料和用于负极材料，其中，
用于正极材料为纯度≥99.95%的纯铜；
用于负极材料由Cu和Ni组成，各物质重量之和为100%，其各物质的重量百分百为：
Cu：       98.0%～98.2%；
Ni：       1.8%～2.0%。
2.根据权利要求1所述的用于热电偶补偿导线的合金材料，其特征在于：所述用于负极材料中各物质的的重量百分百为：
Cu：       98.1%；
Ni：       1.9%。
3.一种用于热电偶补偿导线的合金材料的制备方法，其特征在于，
配料：按照权利要求1所述的配比取正极所用纯铜；按照权利要求1或2所述的配比取铜和镍；
用于热电偶补偿导线合金的正极和负极材料，均按照以下方法制备：
（1）取上述正极或负极材料，熔炼：
反复抽真空，抽真空过程中往熔炼炉内充氩气，在保持熔炼炉内氩气压强为0.08~0.1MPa，熔炼温度1150~1200℃下，精炼时间10~15min；
（2）浇注：
200~300℃下预热石墨模具和石墨漏斗20~30min，将石墨漏斗放置在石墨模具上浇注，浇注温度：1100~1150℃，浇注时间30s~60s；
（3）锻打：
取出凝固的材料700~800℃预热20~30min，锻打成方条，700～800℃下，退火20～30min；
（4）轧制、拉丝：
经退火出了后的材料轧制、拉丝，拉丝的变形量为15～30%，得到丝材；
（5）热处理：
丝材退火处理，退火的温度600～800℃，时间为20～40min. 得到热电偶用补偿导线合金的正极或负极材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（4）所述的材料为φ4mm～φ0.5mm。
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