CN108866434A - 新型耐酸耐热电热合金0Cr21Al4ZrTi及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi，其元素组成及重量百分比含量为：C：≤0.04%；Si：0.15~0.3%；Mn≤0.50%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.0~22.00%；Ti≤0.80%；AL：≤4.5%；Zr：≤0.8%；Ni：≤0.40%；余量为Fe。本发明还提出所述电热合金0Cr21Al4ZrTi的制备方法。本发明的电热合金0Cr21Al4ZrTi，改变了原有电热合金的原材料，材料的塑性好、高温持久强度高且使用寿命长；制备时锻造采用电炉加热，升温速率和保温时间得到有效控制，钢锭红送避免钢锭冷却过程形成的缩孔和结晶组织改变。所述的电热合金0Cr21Al4ZrTi具有与铁铬铝系电热合金一样的高温强度、抗氧化性能，更适用于高温耐酸环境中，可用于石化行业高温耐热耐酸发热件。
Description
技术领域
本发明涉及电热合金材料技术领域，特别涉及一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi及其制备方法。
背景技术
电热合金是将电能转化为热能的功能性材料，它的最高使用温度可达1400℃，在冶金、机械、石化、电气、建筑、军工、家电等领域中用于制造各种电热元件。目前电热合金材料己成为一种重要的工程合金材料，在国民经济中占有重要的地位。国外生产电热合金数量较大的国家有瑞典、俄罗斯、德国、美国和日本。有些国家由于镍资源比较丰富其电热合金中镍-铬合金的比例占50%-90%。
我国于20世纪50年代初期开始生产镍-铬-铁电热合金产品。当时采用感应炉冶炼工艺。进入20世纪60年代，随着工业生产的发展对电热合金的需求量不断增长。经过近四十年的不断发展与完善，目前已建立了具有我国特点的电热合金体系,现在可以生产镍-铬、镍-铬-铁、铁-铬-铝全部牌号的电热合金线材、带材和扁丝。随着科学技术研究的发展和人们生活水平的不断提高，各领域对高电阻电热合金需求不断增加。
目前的电热合金主要分为两大类，镍铬系电热合金和铁铬铝系电热合金，这两大系电热合金分别由于组织不同有着不同的优缺点：铁铬铝系电热合金为单相铁素体组织，其优点是能使用于超高温1100℃以上的环境、具有更高的电阻率、抗氧化性好。铁铬铝系抗氧化主要依赖于表面生成的AL2O3，能够强烈耐空气的热腐蚀，但是在酸性环境及其容易溶解，这样就破坏了基体结构。为了得到跟铁铬铝系电热合金一样的能够耐1100℃以上并在酸性环境使用，需要在原有铁铬铝合金基础上通过成分的调整和制备工艺的精确控制得到具有耐高温和耐酸的电热合金材料。
发明内容
针对目前电热合金应用中的需求，本发明的目的是为了改善电热合金的抗酸性，提供了一种新型高电阻耐酸耐热电热合金0Cr21Al4ZrTi及其制备方法，制得的0Cr21Al4ZrTi合金材料具有优良抗氧化性能、耐热酸性、高温强度好、高的使用寿命等优良性能。
为达到本发明的目的，本发明的一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi，其元素组成及重量百分比含量为：C：≤0.04%；Si：0.15~0.3%；Mn≤0.50%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.0~22.00%；Ti≤0.80%；AL：≤4.5%；Zr：≤0.8%；Ni：≤0.40%；余量为Fe。
优选的，所述的电热合金0Cr21Al4ZrTi的元素组成及重量百分比含量为：C：0.03%~0.04%； Si：0.2~0.3%；Mn：0.30~0.50；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.5~21.80%；Ti：0.30~0.80%；AL：3.5~4.5%；Zr：0.3~0.8%；Ni：≤0.40%；余量为Fe。
再优选的，所述的电热合金0Cr21Al4ZrTi中还包括0.10~0.40%的稀土元素。
根据本发明的另一目的，本发明还提出所述的新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi的制备工艺，其包括如下步骤：
按设计成分配料，Cr、Al、Zr、Ti、Fe采用纯金属原料；
真空感应炉冶炼，精炼温度：1520--1560℃；精炼时间：大于30分钟，出钢温度1580--1620℃；
电渣重熔，重熔后钢锭红送；
锻造，开锻温度1200℃，终锻温度≥1000℃；
超声检测；
热轧，热轧温度：1190℃；终轧温度≥980℃，形成所需的合金棒料。
本发明的新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi所设计成分的原理与作用作进一步说明如下：
（1）碳的作用：碳在铁铬铝系电热合金的常温溶解量≤0.04，多余碳形成碳化物或碳氮化物沿晶界析出引起塑性降低；
（2）铬的作用：高合金高温抗氧化性能的关键元素，也影响电热的电气特性。合金在高温形成的保护氧化膜主要由Cr2O3组成。以Cr2O3为主的氧化膜较致密，附着性也较强，可以保证合金在高温下长期使用，当Cr含量20%~23%时合金具有最低的温度系数，本发明控制Cr20%~22%。
（3）硅的作用：硅在高温氧化后生产SiO2，分布在氧化膜与基体金属的界面处，可以阻止氧渗入，降低合金的氧化速度。硅和稀土元素同时存在时，硅提高抗氧化性能的作用更加显著。提高抗氧化膜的致密性，本产品要求加入少量的Si，控制在0.1%-0.3%；
（4）锰和铁的作用：锰和铁会降低合金的抗氧化性能，增加氧化速度。合金中含量应严格控制分别限定在Mn0.6%；本合金中由于采用全新料生产，控制Mn含量0.30-0.5%。
（5）镍的作用：镍是面心立方晶格，即奥氏体晶格，其熔点较高，塑性好，韧性好，室温较硬，高温有一定强度，它在空气中不易氧化，化学性质稳定，仅易溶于硝酸。少量镍能够改善加工性能，本发明控制Ni≤0.40%。
（6）稀土元素的作用：稀土是强还原性元素，在合金中加入稀土元素可能显著提高合金的抗氧化性能。在电弧过渡过程中具有保护和净化熔滴的作用，稀土与硫有很大的亲和力，在溶池中不仅具有脱氧作用，还具有明显脱硫改善硫化物夹杂的尺寸、形态和分布作用，稀土元素可降合金中氧、氢含量当合金中加入0.10~0.40%稀土合金，比如镧铈混合稀土，其含量为：La镧35%、Ce铈65%；稀土合金加入时以块状加入。
（7）铝的作用：铝是提高抗氧化性能的关键因素，并能显著提高电阻率。
（8）S、 P：是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量%,S≤0.015%, P≤0.020%；
（9）Ti的作用：能够钉扎N形成TiN防止氮在晶界处析出，并且促进形成Zr2O薄膜而减缓AL2O3的形成。
（10）Zr的作用：形成陶瓷特性的Zr2O薄膜，防止材料的高温氧化和酸性腐蚀；另外，当Ti和Zr超出0.8%时可锻性及其恶劣，锻造炸头严重，探伤后合格率较低。
本发明的电热合金0Cr21Al4ZrTi，改变了原有电热合金的原材料，全部采用全新料冶炼，配入纯金属Cr、Al、Zr、Ti、Fe进行冶炼，控制合金中P、S以及低熔点元素含量；增加了Zr、Ti、稀土元素含量，降低C和Si含量可增加材料塑性、减少脆性相形成提高寿命，增加Zr和稀土元素能够提高材料高温持久强度和使用寿命；并且Zr是形成陶瓷氧化膜的主要元素，Ti能防止AL2O3的形成而促进Zr2O的形成；采用真空感应炉直接熔炼法，钢成分均匀性好、钢液纯净，合金脱气充分，P、S、Pb、Hg低熔点物质少，钢锭质量好；锻造采用电炉加热，升温速率和保温时间得到有效控制，钢锭要红送避免钢锭冷却过程形成的缩孔和结晶组织改变。
本发明的电热合金0Cr21Al4ZrTi经加工制成的耐热钢棒,具有与铁铬铝系电热合金一样的高温强度、抗氧化性能，适应高温耐酸环境，主要应用于特殊用途比如石化行业高温耐热耐酸发热件。
附图说明
无。
具体实施方式
结合具体实施例对本发明的特征和优点详述如下。
实施例1：
C：0.04%；Si：0.25%；Mn：0.4%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.5%；Ti：0.4%；AL：4.0%；Zr：0.3%；Ni：0.3%；余量为Fe。
实施例2：
C：0.03%；Si：0.3%；Mn：0.4%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.8%；Ti：0.7%；AL：4.0%；Zr：0.3%；Ni：0.35%；余量为Fe。
实施例3：
C：0.02%；Si：0.2%；Mn：0.5%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：21%；Ti：0.3%；AL：3.5%；Zr：0.4%；Ni：0.4%；余量为Fe。
实施例4：
C：0.025%；Si：0.25%；Mn：0.35%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：21%；Ti：0.6%；AL：3.5%；Zr：0.5%；Ni：0.35%；余量为Fe。
实施例5：
C：0.03%；Si：0.2%；Mn：0.25%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：21.5%；Ti：0.5%；AL：3.5%；Zr：0.5%；Ni：0.25%；余量为Fe。
实施例6：
C：0.02%；Si：0.15%；Mn：0.3%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：21.5%；Ti：0.7%；AL：2.5%；Zr：0.6%；Ni：0.28%；余量为Fe。
实施例7：
C：0.02%；Si：0.18%；Mn：0.25%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：22%；Ti：0.7%；AL：2.8%；Zr：0.4%；Ni：0.25%；余量为Fe。
实施例8：
C：0.02%；Si：0.15%；Mn：0.2%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：21.5%；Ti：0.7%；AL：2.5%；Zr：0.8%；Ni0.25%；余量为Fe。
将上述的实施例的按设计成分配料，Cr、Al、Zr、Ti、Fe采用纯金属原料，投入真空感应炉冶炼，精炼温度：1520--1560℃；精炼时间：大于30分钟，出钢温度1580--1620℃；然后进行电渣重熔，钢锭红送；坯料锻造，开锻温度1200℃，终锻温度≥1000℃；超声检测后进行热轧，热轧温度：1190℃；终轧温度≥980℃，制得0Cr21Al4ZrTi棒材。
本发明的电热合金的制备方法采用全金属料真空冶炼工艺，提升了钢水的纯净度；直接红送工艺，减少捂砂流转时间缩短交期，并避免缓冷过程造成凝固过程的组织转变对后续加工产生的不力影响，确保材料锻造性能。
将制得的棒料经过1200-1250℃，保温2小时-4小时自然空冷后测试氧化皮膜厚度，结果如下表1：
通过以上的实施例及皮膜厚度检测，本发明所设计的新材料具有在高温（1200℃）酸性环境中的使用特性。
本发明的电热合金0Cr21Al4ZrTi，优化了电热合金的原材料组成并严格控制元素的含量和配比，全部采用全新料冶炼，提高材料塑性并减少脆性相形成提高使用寿命，促进Zr2O的形成，使合金的抗酸腐蚀能力强；采用真空感应炉直接熔炼法，钢成分均匀性好、钢液纯净，合金脱气充分，钢锭质量好；锻造采用电炉加热，升温速率和保温时间得到有效控制，钢锭红送避免钢锭冷却过程形成的缩孔和结晶组织改变。本发明的电热合金可以运用于特殊石化行业，与现有电热合金材料相比，具有在以往电器特性的基础上在高温酸性环境中的耐酸性，解决了电热合金在酸性环境使用的问题。
本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。
Claims (4)
1.一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi，其特征在于，所述电热合金0Cr21Al4ZrTi的元素组成及重量百分比含量为：C：≤0.04%；Si：0.15~0.3%；Mn≤0.50%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.0~22.00%；Ti≤0.80%；AL：≤4.5%；Zr：≤0.8%；Ni：≤0.40%；余量为Fe。
2.如权利要求1所述的一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi，其特征在于，所述的电热合金0Cr21Al4ZrTi的元素组成及重量百分比含量为：C： 0.03%~0.04%； Si：0.2~0.3%；Mn：0.30~0.50；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Cr：20.5~21.80%；Ti：0.30~0.80%；AL：3.5~4.5%；Zr：0.3~0.8%；Ni：≤0.40%；余量为Fe。
3.如权利要求1或2所述的一种新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi，其特征在于，所述的电热合金0Cr21Al4ZrTi中还包括0.10~0.40%的稀土元素。
4.一种制备如权利要求1-3任一项所述的新型耐热耐酸电热合金0Cr21Al4ZrTi的制备工艺，其特征在于，所述的制备工艺包括如下步骤：
按设计成分配料，Cr、Al、Zr、Ti、Fe采用纯金属原料；
真空感应炉冶炼，精炼温度：1520--1560℃；精炼时间：大于30分钟，出钢温度1580--1620℃；
电渣重熔，重熔后钢锭红送；
锻造，开锻温度1200℃，终锻温度≥1000℃；
超声检测；
热轧，热轧温度：1190℃；终轧温度≥980℃，形成所需的合金棒料。
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