CN108950415B - 表面具有高温绝缘性能的合金及其制备工艺 - Google Patents

表面具有高温绝缘性能的合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于特殊合金制备技术领域，具体涉及一种表面具有高温绝缘性能的合金及其制备工艺。所述的表面具有高温绝缘性能的合金，包括如下质量比的化学成分：铬10～35％、铝2～10％、硅0.01％～0.5％、锰0.01～1.0％、锆0.01～5％、钴0.2～0.5％、钒0.01～0.7％、钛0.3～1.2％、钨0.01～0.8％、铌0.01～0.8％、镍0.01～1.2％、钼0.02～3％、钽0.01～1％、钇0.01～1％和铪0.01～1％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过添加锆、钽、钇、铪微量合金元素，制备的合金，在高温下具有较高的电阻，高温绝缘性能良好；其制备工艺，科学合理，简单易行。

Description

表面具有高温绝缘性能的合金及其制备工艺
技术领域
本发明属于特殊合金制备技术领域，具体涉及一种表面具有高温绝缘性能的合金及其制备工艺。
背景技术
随着科学技术发展，绝缘材料在电子工业、汽车制造、航空航天等领域扮演着越来越重要的角色。传统的绝缘材料有酚醛树脂、聚酰亚胺、含氟塑料以及陶瓷材料等。但是，在一些对绝缘性能有特殊需求的应用场景，比如汽车定位焊接，绝缘开关以及飞机发动机离子火焰探测器，不光是常温静态绝缘性能，关键绝缘器件还被要求在高温且承受往复机械应力的环境下呈现长期、可靠的绝缘性能。目前，一般使用金属绝缘材料，该材料在室温状态下具有优良的绝缘性能，但在温度超过200℃的环境下不绝缘，导致产品使用寿命短，成本急剧增高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种表面具有高温绝缘性能的合金，在高温下具有较高的电阻，高温绝缘性能良好；本发明同时提供其制备工艺，科学合理，简单易行。
本发明所述的表面具有高温绝缘性能的合金，包括如下质量比的化学成分：铬10～35％、铝2～10％、硅0.01％～0.5％、锰0.01～1.0％、锆0.01～5％、钴0.2～0.5％、钒0.01～0.7％、钛0.3～1.2％、钨0.01～0.8％、铌0.01～0.8％、镍0.01～1.2％、钼0.02～3％、钽0.01～1％、钇0.01～1％和铪0.01～1％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明中，各化学成分的作用如下：
铁、铬、铝合金：可在1400℃高温时，仍具有相当好的抗氧化性。
钴：改善钢的高温性能、抗氧化及耐腐蚀能力。
镍：在高温下具有防锈和耐热能力。
钼、铌：细化晶粒，有利于氧化层的形成。
钨：提高耐磨性。
锆：超高抗腐蚀能力。
钇：稀士元素，改善合金高温绝缘性能。
钽：热膨胀系数小，高温变化小，使材料稳定。
铪：是已和熔点最高的物质，约4215℃，耐高温，改善高温绝缘性能。
本发明通过加入锆、钽、钇、铪金属元素的方式，研制出了新型的高温绝缘金属材料，不但提高了室温绝缘性能，同时解决了高温不绝缘的难题。
本发明涉及一种作为高温环境下的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，制成一种具有高温绝缘性能的高科技材料，而且经过特殊热处理工艺后，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，该陶瓷层在高温下具有很高的电阻，因而在汽车生产线中焊接机器人中的绝缘器件使用中，相比一般的氧化铝陶瓷材料占据了绝对优势。
要达到作为铁铬铝高温绝缘的性能，就必须在合金冶炼工艺过程中添加锆、钽、钇、铪等微量元素，这些微量元素的比例、添加时间、添加温度都会影响产品最终的性能。
本发明所述的表面具有高温绝缘性能的合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)熔化：将铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料，在0.01～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化；
(2)精炼：铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料熔化后，进行脱气精炼5～30分钟；
(3)脱氧：加入脱氧剂进行钢液脱氧1～10分钟；脱氧剂为金属硅、金属锰和金属铝；
(4)浇注：加入锆、钽、钇、钒、铪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。
其中：
步骤(2)中，铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料熔化后，钢液温度达到1600℃，电源功率调整到80kW，进行脱气精炼5～30分钟。
步骤(3)中，精炼完成后，停电降温，钢液温度降到1500℃时，加入脱氧剂进行钢液脱氧1～10分钟。
步骤(3)中，精炼完成后，停电降温，钢液温度降到1500℃时加入脱氧剂，电源功率调至150kW，温度达到1560℃时进行钢液脱氧1～10分钟。
步骤(4)中，待钢液液面干净无气泡夹渣上浮，停电降温到1480℃，加入锆、钽、钇、钒、铪微量元素合金包进行合金化。
步骤(5)中，热处理过程在马弗炉中进行。
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0.1％；各种原材料所引入的硫总量不得超过0.05％；各种原材料所引入的磷总量不得超过0.02％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在铁-铬-铝铁素体抗氧化合金的基础上通过添加锆、钽、钇、铪微量合金元素，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，本发明的合金在高温下具有较高的电阻，具有高温绝缘性能。
2、本发明的制备工艺，科学合理，简单易行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。
对比例1～6
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
Figure BDA0001733600690000031
Figure BDA0001733600690000041
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、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料，放入镁砂坩埚内，合闭炉门、炉盖，开启真空泵，在0.01～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化；
(2)精炼：铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料熔化后，钢液温度达到1600℃，电源功率调整到80kW，进行脱气精炼5～30分钟；
(3)脱氧：精炼完成后，停电降温，钢液温度降到1500℃时加入脱氧剂，电源功率调至150kW，温度达到1560℃时进行钢液脱氧1～10分钟；脱氧剂为金属硅、金属锰和金属铝；
(4)浇注：待钢液液面干净无气泡夹渣上浮，停电降温到1480℃加入锆、钽、钇、钒、铪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1～6在熔炼过程中不加入微量合金包，脱氧时间均为3±1分钟，实施例1～16脱氧时间均为3±1分钟。
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、长为20米的圆柱体，对比例1～6以及实施例1～16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。
对比例和实施例的工艺参数见表2。
表2实施例和对比例的工艺参数表
Figure BDA0001733600690000051
Figure BDA0001733600690000061
性能测试：
采用绝缘耐压测试仪(500V交流)和万用表在高温和室温下分别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
Figure BDA0001733600690000062
从表3中可看到，没有加入锆、钽、钇、铪微量元素的对比例1～6在高温500伏特交流电压下绝缘电阻均为0，而实施例1～16中加入锆、钽、钇、铪微量元素的试样不论是高温绝缘电阻还是室温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高温绝缘性能起到了显著的作用。

Claims (5)

1.一种表面具有高温绝缘性能的合金，其特征在于：包括如下质量比的化学成分：铬10～35％、铝2～10％、硅0.01％～0.5％、锰0.01～1.0％、锆0.35～5％、钴0.2～0.5％、钒0.01～0.7％、钛0.3～1.2％、钨0.01～0.8％、铌0.01～0.8％、镍0.01～1.2％、钼0.02～3％、钽0.01～1％、钇0.26～1％和铪0.24～1％，余量为铁和不可避免的杂质；
所述的表面具有高温绝缘性能的合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)熔化：将铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料，放入镁砂坩埚内，合闭炉门、炉盖，开启真空泵，在0.01～10帕真空条件下利用电磁感应电流进行熔化；
(2)精炼：铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料熔化后，进行脱气精炼5～30分钟；
(3)脱氧：加入脱氧剂进行钢液脱氧1～10分钟；脱氧剂为金属硅、金属锰和金属铝；
(4)浇注：加入锆、钽、钇、钒、铪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。
2.根据权利要求1所述的表面具有高温绝缘性能的合金，其特征在于：步骤(2)中，铁、铬、铝、钴、钛、钨、铌、镍、钼原料熔化后，钢液温度达到1600℃，电源功率调整到80kW，进行脱气精炼5～30分钟。
3.根据权利要求1所述的表面具有高温绝缘性能的合金，其特征在于：步骤(3)中，精炼完成后，停电降温，钢液温度降到1500℃时，加入脱氧剂进行钢液脱氧1～10分钟。
4.根据权利要求3所述的表面具有高温绝缘性能的合金，其特征在于：步骤(3)中，精炼完成后，停电降温，钢液温度降到1500℃时加入脱氧剂，电源功率调至150kW，温度达到1560℃时进行钢液脱氧1～10分钟。
5.根据权利要求1所述的表面具有高温绝缘性能的合金，其特征在于：步骤(4)中，待钢液液面干净无气泡夹渣上浮，停电降温到1480℃，加入锆、钽、钇、钒、铪微量元素合金包进行合金化。
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Inventor after: Zhao Guocai

Inventor after: Ma Zhonggang

Inventor after: Wang Lei

Inventor after: Chen Wei

Inventor after: Wang Shan

Inventor after: Tian Limin

Inventor after: Li Huakun

Inventor after: Jia Chengjian

Inventor after: Yin Fengshi

Inventor before: Li Daoqian

Inventor before: Ma Zhonggang

Inventor before: Wang Lei

Inventor before: Chen Wei

Inventor before: Wang Shan

Inventor before: Tian Limin

Inventor before: Li Huakun

Inventor before: Jia Chengjian

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Alloy with high temperature insulation property on its surface and its preparation process

Effective date of registration: 20230109

Granted publication date: 20201009

Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Yiyuan county subbranch

Pledgor: SHANDONG ROITIE NEW MATERIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980030407