CN108950436B - 铁基非晶合金及其制备方法和在电加热材料中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁基非晶合金及其制备方法和在电加热材料中的用途，所述铁基非晶合金的组成为：FeaTibNicBdPeCfMg，其中，a、b、c、d、e、f均为原子百分数，45≤a≤70，10≤b≤25，3≤c≤20，5≤d≤15，1≤e≤6，0.5≤f≤3，1≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g＝100；所述组分M为Zr、Y、Ta、Hf中的至少一种元素。本发明提供的铁基非晶合金电加热材料具有良好的电热性能，具有低的电阻温度系数，具有低的线膨胀系数。本发明的铁基非晶合金还具有高的耐磨性、耐腐蚀性以及良好的韧性，可广泛应用于各种电加热装置中，具有重要的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明属于电加热材料领域，具体地讲是涉及一种铁基非晶合金电加热材料及其制备方法。
背景技术
随着工业技术的不断发展，各种电加热取暖器被广泛地应用在人们的日常生活中。现有常用的电加热取暖装置多是以金属丝或碳化硅为发热原件，例如小太阳取暖器、发热电缆地暖等，然而其存在着诸多缺点。采用金属丝如镍铬丝、铁铬铝丝等制成的电热体易氧化，使用寿命短；线材金属丝制成的发热电缆散热面积小，室内升温速率慢，易造成局部过热；用碳化硅制成的电热体在使用过程中电阻稳定性差，易老化。
非晶态合金与晶态合金相比其在结构上处于长程无序状态，原子排列混乱，没有晶界和晶粒，这种特殊的结构使得非晶合金具有高的耐磨性、耐腐蚀性，良好的韧性以及较高的电阻率，且非晶合金带材与线状金属丝相比具有大的比表面积，散热效率高，其主要以热辐射和热对流的形式进行热传递；另外非晶合金还可制成粉末电加热涂层，因此非晶合金非常适合应用在电加热材料领域。公开号CN1321056A的中国专利公开了一种非晶态(Fe-M)-Si-B-T-Z合金电加热材料,其中M为Co、Mn、Ni、稀土元素中的一种以上元素，T为Zr、Nb、Hf、Mo等元素中三种以下元素，Z为Cu、V中的一种或两种元素，该非晶合金主要应用在电热膜材料方面，其具有加热速率快、传热效率高的特点，然而其优选成分的合金电阻温度系数和线膨胀系数偏高，易导致加热过程中功率不稳定、电热膜易与基体脱落等问题。
综上所述，目前缺少一种价格低廉、具有优异电/热性能、良好的热稳定性以及能快速加热的电加热材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁基非晶合金及其制备方法和用途，该铁基非晶合金能够作为电加热材料，具有良好的电/热性能，并能快速加热。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铁基非晶合金，所述铁基非晶合金的组成为：FeaTibNicBdPeCfMg，其中，a、b、c、d、e、f均为原子百分数，45≤a≤70，10≤b≤25，3≤c≤20，5≤d≤15，1≤e≤6，0.5≤f≤3，1≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g＝100；所述组分M为Zr、Y、Ta、Hf中的至少一种元素。
作为优选技术方案，其中，a、b、c、d、e、f分别为50≤a≤62，15≤b≤20，8≤c≤14，8≤d≤12，2≤e≤4，1≤f≤2，2≤g≤4。
一种铁基非晶合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，按照所述铁基非晶合金的组成，将合金原料进行配料；
步骤二，将步骤一中配好的合金原料置于高真空感应熔炼炉中，抽真空后冲入保护气体，然后开启高真空感应熔炼炉将合金原料熔炼成合金液，利用磁力搅拌使钢液混合均匀，保温；
步骤三：将熔炼好的合金液倒入带有喷嘴的装置中，通过冷却得到铁基非晶合金粉末或带材。
所述步骤二中，熔炼的条件为：温度为1500～1750℃，抽真空的真空度为5×10-3～10-2Pa；保护气体为氩气，氩气压强为0.4～0.8MPa；保温时间为10～15min。
所述步骤三中，通过冷却得到铁基非晶合金粉末或带材的方法为：采用单辊旋淬法将合金液喷射至旋转的冷却辊上，制备出铁基非晶合金带材；或者通过气雾化或水雾化法制备铁基非晶合金粉末。
所述将合金液喷射至旋转的冷却辊上的条件为：合金液喷带压力为0.8～1.5MPa，冷却辊线速度为25～50m/s。
所述铁基非晶合金带材的宽度为0.5～5cm、厚度为20～40μm。
本发明的铁基非晶合金在电加热材料中的用途。将铁基非晶合金制作成带材作为电加热材料，或者将铁基非晶合金粉末制作成电加热材料的涂层。
本发明的铁基非晶合金中，Fe作为基体元素，其价格低廉，来源广泛，降低了非晶合金电加热材料的制造成本；另外Fe具有较高的电阻率，是非晶合金电加热材料具有良好电热性能的保证。添加适量的Ni不仅可以改善合金的电学性能而不恶化其非晶形成能力，Ni还可以显著提高铁基非晶合金的低温加热韧性，使得电加热材料在使用过程中不易脆化。Ti元素的添加可以增加铁基非晶合金电加热材料的屈服强度，提高其耐腐蚀性和耐磨性，延长使用寿命。B、P、C元素是非晶形成元素，在合金中与Fe形成强烈的相互作用，并且其具有小的原子半径，有助于非晶合金形成高度致密的原子配位结构，稳定过冷液相区，提高非晶形成能力，降低非晶合金的制备难度，简化工艺步骤；另外少量C的添加还可以提高合金的韧脆转变温度。Zr、Y、Ta、Hf元素具有大的原子半径，可以阻碍非晶合金中原子的移动，抑制非晶合金加热过程中的晶化行为，提高非晶合金的热稳定性。
本发明的有益效果是：
本发明采用四探针电阻率测试仪测量非晶带材的电阻率；采用电阻温度系数测试仪测量-20～200℃范围内非晶带材的平均电阻温度系数；采用热膨胀系数测定仪测量非晶带材在-20～200℃范围内的平均线膨胀系数。
测量结果表明，本发明的铁基非晶合金，具有良好的电热性能，电阻率范围为100～160μΩ·cm；具有低的电阻温度系数，-20～200℃范围内电阻温度系数为-70～-30ppm/℃；具有低的线膨胀系数，-20～200℃范围内的线膨胀系数为1×10-6～5×10-6/℃。
与现有的电加热材料相比，本发明的铁基非晶合金电加热材料的性能优点如下：
1、本发明的铁基非晶合金具有高的非晶形成能力，对生产条件要求低，制备过程简单，成品率高，成本低廉。
2、本发明的铁基非晶合金带材具有高的热稳定性和低温加热韧性，在长时间低温加热后仍然保持良好的韧性和电、热性能，具有长的使用寿命。
3、本发明的铁基非晶合金带材通电后热响应时间短，散热面积大，电热转换效率高，能使室内快速升温，节能环保。
4、本发明的铁基非晶合金带材或涂层具有合适的电阻率范围，能广泛应用在各种电加热装置中；具有低的电阻温度系数，能保证合金使用过程中的功率稳定；具有低的线膨胀系数，使得非晶涂层在加热过程中不易从基体上脱落。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
根据本发明所述铁基非晶合金电加热材料成分FeaTibNicBdPeCfMg，制备一系列非晶合金带材，其中M为Zr、Y、Ta、Hf中的一种元素，具体成分及原子百分比含量参见表1，编号1～12为实施例，编号13～16为比较例。
按表1中所列合金的成分及原子百分比含量配料，将配比好的原料置于高真空感应熔炼炉中，抽真空至5×10-3Pa，充氩气保护气至0.5MPa，然后开启熔炼电源开始熔炼，熔炼温度为1500～1600℃，待原料完全熔化为钢液后利用磁力搅拌将钢液混合均匀，保温15分钟；然后将熔炼好的钢液倒入带有喷嘴的装置中，以1.5MPa的喷带压力将钢液喷射在线速度为35m/s的旋转冷却辊上，制备出宽度为0.5～5cm，厚度为25～30μm的铁基非晶合金带材。
采用四探针电阻率测试仪测量室温下非晶带材的电阻率；利用电阻温度系数测试仪计算出-20～200℃范围内非晶带材的平均电阻温度系数；采用热膨胀系数测定仪测量非晶带材在-20～200℃范围内的平均线膨胀系数。测量结果如表1所示。
表1本实施例与比较例合金成分及性能
从表1中可以看出，根据本发明的铁基非晶合金FeaTibNicBdPeCfMg实施例，即编号1～12，其在-20～200℃范围内平均电阻温度系数为-55～-30ppm/℃，平均线膨胀系数为1×10-6～4×10-6/℃。从对比例13～16可看出，相比于现有的晶态和非晶态合金电加热材料，本发明所要求的权利范围内的铁基非晶合金的热稳定性更好，且电性能也满足使用要求。
实施例2
根据本发明所述铁基非晶合金电加热材料成分FeaTibNicBdPeCfMg，制备一系列非晶合金带材，其中M为Zr、Y、Ta、Hf中的两种或三种元素，具体成分及原子百分比含量参见表2，编号17～27为实施例。
按表2中所列合金的成分及原子百分比含量配料，将配比好的原料置于高真空感应熔炼炉中，抽真空至5×10-3Pa，充氩气保护气至0.5MPa，然后开启熔炼电源开始熔炼，熔炼温度为1550～1650℃，待原料完全熔化为钢液后利用磁力搅拌将钢液混合均匀，保温15分钟；然后将熔炼好的钢液倒入带有喷嘴的装置中，以1.5MPa的喷带压力将钢液喷射在线速度为40m/s的旋转冷却辊上，制备出宽度为0.5～5cm，厚度为20～25μm的铁基非晶合金带材。
采用四探针电阻率测试仪测量室温下非晶带材的电阻率；利用电阻温度系数测试仪计算出-20～200℃范围内非晶带材的平均电阻温度系数；采用热膨胀系数测定仪测量非晶带材在-20～200℃范围内的平均线膨胀系数。测量结果如表2所示。
表2本实施例合金成分及性能
从表2中可以看出，根据本发明的铁基非晶合金FeaTibNicBdPeCfMg实施例，即编号17～24，其在-20～200℃范围内平均电阻温度系数为-50～-30ppm/℃，平均线膨胀系数为1×10-6～3×10-6/℃。综上所述，本发明的铁基非晶合金具有良好的电、热性能。
上述实施例制备得到的铁基非晶合金带材能够作为电加热材料，或者将铁基非晶合金粉末制作成电加热材料的涂层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种铁基非晶合金电加热材料，其特征在于：所述铁基非晶合金的组成为：FeaTibNicBdPeCfMg，其中，a、b、c、d、e、f、g均为原子百分数，45≤a≤70，10≤b≤25，3≤c≤20，5≤d≤15，1≤e≤6，0.5≤f≤3，1≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g=100；所述组分M为Zr、Y、Ta、Hf中的至少一种元素；
所述铁基非晶合金电加热材料的电阻率范围为100 ~ 160 µΩ•cm；-20 ~ 200 ℃范围内电阻温度系数为-70 ~ -30 ppm/℃； -20 ~ 200 ℃范围内的线膨胀系数为1×10-6 ~ 5×10-6 /℃；
所述铁基非晶合金电加热材料由以下方法制备得到：
步骤一，按照所述铁基非晶合金的组成，将合金原料进行配料；
步骤二，将步骤一中配好的合金原料置于高真空感应熔炼炉中，抽真空后充入保护气体，然后开启高真空感应熔炼炉将合金原料熔炼成合金液，利用磁力搅拌使钢液混合均匀，保温；其中，熔炼的条件为：温度为1500 ~ 1750℃，抽真空的真空度为5×10-3 ~ 10-2 Pa；保护气体为氩气，氩气压强为0.4 ~ 0.8 MPa；保温时间为10 ~ 15 min；
步骤三：将熔炼好的合金液倒入带有喷嘴的装置中，采用单辊旋淬法将合金液喷射至旋转的冷却辊上，制备出铁基非晶合金带材；或者通过气雾化或水雾化法制备铁基非晶合金粉末；其中，所述将合金液喷射至旋转的冷却辊上的条件为：合金液喷带压力为0.8 ~1.5 MPa，冷却辊线速度为25 ~ 50 m/s；所述铁基非晶合金带材的宽度为0.5 ~ 5 cm、厚度为20 ~ 40 µm。
2.根据权利要求1所述的一种铁基非晶合金电加热材料，其特征在于：其中，a、b、c、d、e、f、g分别为50≤a≤62，15≤b≤20，8≤c≤14，8≤d≤12，2≤e≤4，1≤f≤2，2≤g≤4。
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