CN105039858A - 具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料及其制备方法 - Google Patents

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倪高金
肖学山
刘青欢
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Abstract

本发明公开了一种具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料及其制备方法，该电热合金材料具有如下的成分及质量百分比（%）：C≤0.06，Cr：19.5-23.5，Al：5.5-6.5，N≤0.03，Si≤0.5，Mn≤0.5，P≤0.03，S≤0.03，Zr：0.05-0.25，Y：0.01-0.2，Co：0.5-2.5，余量为Fe和不可避免的杂质；采用真空感应熔炼工艺方法，熔炼后浇铸成型，经热锻、热轧、再结晶热处理、冷轧和冷拔最终制得。该电热合金材料不仅克服了现有Fe-Cr-Al合金的高温晶粒异常长大行为，改善了抗氧化性，而且热强性也得到了提高，抗高温腐蚀能力增强，具有优异的综合性能。

Description

具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属钢铁合金材料技术领域，具体涉及一种电热合金材料及其制备方法。
背景技术
Fe-Cr-Al电热合金是我国应用最广泛的电热合金，它具有良好的耐热性、抗高温氧化性，电阻率系数较大，电阻温度系数小，功率稳定，使用温度高，价格低廉。几十年来，我国利用自身资源，发展建立了以Fe-Cr-Al为主的电热合金体系，使我国成为世界主要电热合金生产国之一，并且成为Fe-Cr-Al合金的最大生产国。Fe-Cr-Al电热合金是一种以铁为基，含13-27wt.%Cr，3.5-7wt.%Al，基体组织具有体心立方结构的单相合金。常用的Fe-Cr-Al合金标准产品有0Cr25Al5、0Cr21Al6、0Cr13Al6Mo2和0Cr27Al7Mo2等，这些产品被广泛用于制造各种中、高温电阻炉的加热元件。
目前，瑞典KANTHAL公司生产出型号为KanthalA-1的Fe-Cr-Al合金使用温度高达1400°C，使用寿命长且具有非常高的电阻率和优异的高温抗氧化性能，但是晶粒长大显著，长时间使用，易变性，伸长量过大造成短路等严重后果，且异常粗大的晶粒容易造成电热丝的脆断。而我国生产的如0Cr27Al7Mo2正常使用温度在1200-1300°C，和国外同类产品相比还有一定的差距。Fe-Cr-Al电热合金用于制造加热炉的电炉丝时，存在的主要问题是高温氧化严重，容易局部熔断，使用寿命太短。如果用Ni-Cr合金取代Fe-Cr-Al合金，则使用温度偏低，无法达到要求；如果用难熔金属或非金属电热体取代Fe-Cr-Al合金，价格又太昂贵。因此，工业电炉的发展迫切需要开发新的Fe-Cr-Al电热合金，阻碍晶粒异常长大，提高其高温强度、抗氧化性及使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料及其制备方法，该成分范围内的电热合金主要用在工作温度在1000-1300°C的粉末冶金烧结炉、高温热处理炉等的电热元件。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料，其具有如下的成分及质量百分比（%）：C≤0.06，Cr：19.5-23.5，Al：5.5-6.5，N≤0.03，Si≤0.5，Mn≤0.5，P≤0.03，S≤0.03，Zr：0.05-0.25，Y：0.01-0.2，Co：0.5-2.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
其具有如下的成分及质量百分比（%）：0.025＜C≤0.06，Cr：21.6-23.5，Al：5.5-6.5，N≤0.03，Si≤0.5，0.21＜Mn≤0.5，P≤0.03，S≤0.03，Zr：0.05-0.09，Y：0.01-0.2，Co：0.5-2.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的制备方法，采用真空感应熔炼工艺方法，熔炼后浇铸成型，经热锻、热轧、再结晶热处理、冷轧和冷拔最终制得所需不同直径的电热合金材料。该成分范围内的钢在冷轧和冷拔后，1150°C等温处理720小时以后晶粒长大尺寸低于400μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重低于10mg/cm2。
Al以纯Al的形式加入，Zr以纯Zr的形式加入，Co以纯Co的形式加入，Cr通过微碳铬铁的形式加入，Y以Fe-Y中间合金的形式加入。
再结晶热处理：950-1050°C保温5分钟，空冷。
本发明的机理如下所述：加入适当的Co元素可以细化晶粒，钉扎晶界，抑制晶粒长大，从而减缓Fe-Cr-Al电热合金高温晶粒粗化的速度，延长高温使用寿命；同时还可以促进保护性氧化膜的形成，显著降低合金的等温氧化增重，提高氧化膜在等温条件下的抗剥落性，改善合金在苛刻服役条件下的抗氧化性能。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明通过添加合金元素来提高抗晶粒长大性能、抗高温氧化性、高温使用寿命及抗发热体的脆化能力。本发明不仅克服了现有Fe-Cr-Al合金的高温晶粒异常长大行为，改善了抗氧化性，而且热强性也得到了提高，抗高温腐蚀能力增强，具有优异的综合性能。添加一定的Co元素可以减少Fe-Cr-Al合金中铝元素消耗的速度，提高寿命。本发明成分范围内的电热合金材料在冷轧和冷拔后，1150°C等温处理720小时以后晶粒长大尺寸低于400μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重低于10mg/cm2。研究元素合金化，特别是用Co元素改善Fe-Cr-Al电热合金的高温性能具有很强的现实意义和广阔的应用前景。
附图说明
图1为具体实施方式中前三种实施例的电热合金在1150°C等温处理720小时晶粒尺寸图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
本实施例中，采用具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的成分及质量百分比如下：
Cr20.22%
Al5.93%
Co1.11%
Zr0.13%
稀土Y0.008%
Mn0.07%
Si0.08%
C0.018%
N0.0132%
S0.0051%
P0.005%
Fe余量
采用真空感应熔炼工艺方法，经综合计量计算和配料熔炼后，浇铸成型，再经热锻、热轧、再结晶热处理（1000°C保温5分钟，空冷）、冷轧和冷拔最终制得含Co合金元素的具有优异阻碍晶粒长大性能的电热合金材料，且1150°C等温处理720小时以后晶粒长大后尺寸平均约为303.7μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重约为3.26mg/cm2。
实施例2：
本实施例中，采用具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的成分及重量百分比如下：
Cr21.00%
Al5.56%
Co2.0%
Zr0.15%
稀土Y0.014%
Mn0.09%
Si0.07%
C0.020%
N0.0123%
S0.0022%
P0.008%
Fe余量
采用真空感应熔炼工艺方法，经综合计量计算和配料熔炼后，浇铸成型，再经热锻、热轧、再结晶热处理（1000°C保温5分钟，空冷）、冷轧和冷拔最终制得含Co的具有优异阻碍晶粒长大性能的电热合金材料，且1150°C等温处理720小时以后晶粒长大后尺寸平均约为368.9μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重约为6.49mg/cm2。
实施例3：
本实施例中电热合金材料不包含Co元素，电热合金材料的成分及重量百分比如下：
Cr21.85%
Al5.97%
Zr0.11%
稀土Y0.013%
Mn0.08%
Si0.09%
C0.023%
N0.0241%
S0.0034%
P0.009%
Fe余量
采用真空感应熔炼工艺方法，经综合计量计算和配料熔炼后，浇铸成型，再经热锻、热轧、再结晶热处理（1000°C保温5分钟，空冷）、冷轧和冷拔最终制得不含Co合金元素的电热合金材料，且1150°C等温处理720小时以后晶粒长大后尺寸平均约为387.2μm。
参见图1所示，不含Co元素的电热合金在1150°C等温处理720小时后晶粒平均尺寸高于实施例1和实施例2含适量Co合金元素电热合金的晶粒尺寸。
实施例4：
本实施例中，采用具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的成分及质量百分比如下：
Cr22.12%
Al6.43%
Co0.52%
Zr0.09%
稀土Y0.008%
Mn0.22%
Si0.08%
C0.026%
N0.0132%
S0.0051%
P0.005%
Fe余量
采用真空感应熔炼工艺方法，经综合计量计算和配料熔炼后，浇铸成型，再经热锻、热轧、再结晶热处理（1000°C保温5分钟，空冷）、冷轧和冷拔最终制得含Co合金元素的具有优异阻碍晶粒长大性能的电热合金材料，且1150°C等温处理720小时以后晶粒长大后尺寸平均约为324.9μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重约为5.18mg/cm2。
实施例5：
本实施例中，采用具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的成分及质量百分比如下：
Cr23.42%
Al6.16%
Co2.46%
Zr0.06%
稀土Y0.008%
Mn0.36%
Si0.08%
C0.051%
N0.0132%
S0.0051%
P0.005%
Fe余量
采用真空感应熔炼工艺方法，经综合计量计算和配料熔炼后，浇铸成型，再经热锻、热轧、再结晶热处理（1000°C保温5分钟，空冷）、冷轧和冷拔最终制得含Co合金元素的具有优异阻碍晶粒长大性能的电热合金材料，且1150°C等温处理720小时以后晶粒长大后尺寸平均约为348.7μm，同时其在1300°C等温氧化360小时氧化增重约为4.69mg/cm2。
本发明含适量Co合金元素具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料在1150°C等温处理720小时阻碍晶粒长大性能均优于不含Co元素的电热合金材料。该类在1150°C等温处理720小时可以用作工作温度在1000-1300°C的烧结炉、热处理炉等的电热元件。
实施例只是为了便于理解本发明的技术方案，并不构成对本发明保护范围的限制，凡是未脱离本发明技术方案的内容或依据本发明的技术实质对以上方案所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料，其特征在于：其具有如下的成分及质量百分比（%）：C≤0.06，Cr：19.5-23.5，Al：5.5-6.5，N≤0.03，Si≤0.5，Mn≤0.5，P≤0.03，S≤0.03，Zr：0.05-0.25，Y：0.01-0.2，Co：0.5-2.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料，其特征在于：其具有如下的成分及质量百分比（%）：0.025＜C≤0.06，Cr：21.6-23.5，Al：5.5-6.5，N≤0.03，Si≤0.5，0.21＜Mn≤0.5，P≤0.03，S≤0.03，Zr：0.05-0.09，Y：0.01-0.2，Co：0.5-2.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的制备方法，其特征在于：采用真空感应熔炼工艺方法，熔炼后浇铸成型，经热锻、热轧、再结晶热处理、冷轧和冷拔最终制得所需不同直径的电热合金材料。
4.根据权利要求3所述具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的制备方法，其特征在于：Al以纯Al的形式加入，Zr以纯Zr的形式加入，Co以纯Co的形式加入，Cr通过微碳铬铁的形式加入，Y以Fe-Y中间合金的形式加入。
5.根据权利要求3或4所述具有优异抗高温晶粒长大行为的电热合金材料的制备方法，其特征在于：再结晶热处理：950-1050°C保温5分钟，空冷。
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