CN109518094A - 一种电热丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电热丝及其制备方法，包括以下重量百分比的化学成分：Cr：23.0‑28.0％、Al：10.0‑18.0％、W：1.0‑3.0％、Mn：3.0‑5.0％、Mo：0.5‑2.5％、Nb：0.1‑1.0％、Re：0.01～0.06％、B：0.002～0.006％、Zr：0.005～0.022％、Ti：0.07～0.15％，余量为Fe。通过对合金元素及用量的精确控制，并结合特定的生产工艺，提高了电热丝的高温抗变形能力，最高使用温度可达1450℃，使用寿命较长。

Description

一种电热丝及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种电热丝及其制备方法。
背景技术
电热丝被广泛应用于电加热装置中，电热丝多由铁铬铝、镍铬等合金制成，其质量的好坏是一个热处理设备的核心技术点。目前实际生活中使用的电热丝大都由普通工艺制造生产。
这种普通电热丝不仅在高温下易发生变形，而且合金内部的组织缺陷会降低使用寿命，最终导致其性能差，实用性不高。无法满足现今热处理设备的使用需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种电热丝及其制备方法，通过对合金元素及用量的精确控制，并结合特设的生产工艺，提高了电热丝的高温抗变形能力，最高使用温度可达1450℃，使用寿命较长。
本发明采取的技术方案为：
一种电热丝，包括以下重量百分比的化学成分：Cr：23.0-28.0％、Al：10.0-18.0％、W：1.0-3.0％、Mn：3.0-5.0％、Mo：0.5-2.5％、Nb：0.1-1.0％、Re：0.01～0.06％、B：0.002～0.006％、Zr：0.005～0.022％、Ti：0.07～0.15％，余量为Fe。
进一步地，所述电热丝优选为包括以下重量百分比的化学成分：Cr：24.3-26.2％、Al：13.2-16.8％、W：1.4-2.5％、Mn：3.6-4.3％、Mo：0.9-2.2％、Nb：0.3-0.7％、Re：0.02～0.05％、B：0.003～0.005％、Zr：0.009～0.018％、Ti：0.08～0.12％，余量为Fe。
本发明还提供了所述电热丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉烘干；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结；
S7：烧结毛坯进行锻锤开坯，开坯后将毛坯退火；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制后再退火，进行表面抛光；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装，这样无需在客户使用前进行预氧化处理，不会消耗电热丝内部元素，利于延长电热丝的使用寿命。
进一步地，步骤S2中，所述高温指的是温度为450～550℃。
步骤S1和S3中，高能球磨罐内还加入有体积分数65％的高速钢球，其转速设置为450r/min，球磨时间大于等于24h。
步骤S3中，石墨和粘胶分别占合金粉末重量的2～5％、10～15％。
步骤S4中，烘干的温度和时间分别为100-120℃、1.5～2h；
步骤S5中，所述高温指的是是温度为350～420℃。
步骤S6中，所述烧结的工艺为：第一步180～220℃保温2～2.5h；第二步以2～5℃/min的升温速率升温至550～580℃，保温0.5～1.5h；第三步以1.5～2.5℃/min的升温速率升温至830～860℃，保温1～2h；第四步以5～10℃/min的升温速率升温至1200～1300℃，保温4～6h；第五步空冷至室温。
步骤S7中，锻坯炉加热温度曲线为：常温下以3.5～5℃/min的升温速率升温至1100～1200℃，保温2～2.5h；开始锻温度为1100～1200℃，终锻温度900～950℃。
步骤S7和S8中，所述退火的工艺为：加热至880～950℃保温4～6h，然后缓冷出炉。
步骤S8中，轧制温度为1230～1260℃，压降量为横截面的10～15％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过在电热丝的合金配方中添加Re，提升W和Mo元素的再结晶起点，保证了电热丝在高温下具有高强度和强塑性。通过Nb和Zr的添加细化了电热丝的晶粒尺寸，进一步提高在其高温下的强度；
(2)通过烧结工控制电热丝的温升速度，以控制电热丝合金元素的活跃度，降低电热丝在使用时的内部元素消耗，延长电热丝的使用寿命；并通过高温下的两次退火工艺，细化电热丝的晶粒尺寸，消除残余应力；
(3)通过对本发明电热丝合金配方和工艺的控制，电热丝基体中存在着分布密度高、尺寸细小的纳米氧化物，因此提高了电热丝在高温下的抗蠕变能力，其使用寿命是现有电热丝寿命的十倍以上，使用温度可达1450℃，极大地提高了电热丝的使用性能；
(4)本发明提供的电热丝直径为3～5mm，可广泛用于多种加热器件中作为加热元件，如钢化玻璃炉、电加热炉、电采暖等。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种电热丝，包括如表1实施例1所示的重量百分比的化学成分。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 比较例1 比较例2
Cr 23.4 25.7 27.8 30.0 23.4
Al 10.5 15.4 17.2 19.8 10.5
W 1.2 1.8 2.3 2.5 1.2
Mn 3.2 3.8 4.6 5.2 3.2
Mo 0.6 1.1 2.2 2.5 0.6
Nb 0.3 0.6 1.0 0.8 0.3
Re 0.02 0.03 0.06 0.10 0.02
B 0.002 0.004 0.006 0.006 0.002
Zr 0.005 0.012 0.020 0.018 0.005
Ti 0.07 0.10 0.15 0.15 0.07
余量为Fe 余量为Fe 余量为Fe 余量为Fe 余量为Fe
所述电热丝的制备方法如下：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内450r/min机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内在450℃进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉100℃烘干2h；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内350℃高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结，所述烧结工艺为：180℃保温2.5h；然后以2℃/min的升温速率升温至550℃，保温1.5h；然后以1.5℃/min的升温速率升温至830℃，保温2h；最后以5℃/min的升温速率升温至1200℃，保温4h；最后空冷至室温；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，常温下以3.5℃/min的升温速率升温至1100℃，保温2.5h；开始锻温度为1100℃，终锻温度900℃，开坯后将毛坯退火，所述退火的工艺为：加热至880℃保温6h，然后缓冷出炉；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制温度为1230℃，压降量为横截面的10％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
实施例2
一种电热丝，包括如表1实施例2所示的重量百分比的化学成分。
所述电热丝的制备方法如下：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内450r/min机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内在500℃进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉110℃烘干1.5h；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内420℃高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结，所述烧结工艺为：200℃保温2.2h；然后以3℃/min的升温速率升温至565℃，保温1.0h；然后以2.0℃/min的升温速率升温至845℃，保温1.5h；最后以8℃/min的升温速率升温至1250℃，保温5h；最后空冷至室温；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，常温下以4.0℃/min的升温速率升温至1150℃，保温2.2h；开始锻温度为1150℃，终锻温度930℃，开坯后将毛坯退火，所述退火的工艺为：加热至920℃保温5h，然后缓冷出炉；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制温度为1245℃，压降量为横截面的12％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
实施例3
一种电热丝，包括如表1实施例3所示的重量百分比的化学成分。
所述电热丝的制备方法如下：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内450r/min机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内在550℃进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉120℃烘干1.5h；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内420℃高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结，所述烧结工艺为：220℃保温2h；然后以5℃/min的升温速率升温至580℃，保温0.5h；然后以2.5℃/min的升温速率升温至860℃，保温1；最后以10℃/min的升温速率升温至1300℃，保温4h；最后空冷至室温；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，常温下以5℃/min的升温速率升温至1200℃，保温2h；开始锻温度为1200℃，终锻温度950℃，开坯后将毛坯退火，所述退火的工艺为：加热至950℃保温4h，然后缓冷出炉；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制温度为1260℃，压降量为横截面的15％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
比较例1
一种电热丝，包括如表1实施例2所示的重量百分比的化学成分。
所述电热丝的制备方法如下：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内450r/min机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内在550℃进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉120℃烘干1.5h；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内420℃高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结，所述烧结工艺为：250℃保温2h；然后以2℃/min的升温速率升温至500℃，保温1.5h；然后以5.0℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h；最后以5℃/min的升温速率升温至1100℃，保温4h；最后空冷至室温；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，常温下以3℃/min的升温速率升温至1000℃，保温2h；开始锻温度为1000℃，终锻温度900℃，开坯后将毛坯退火，所述退火的工艺为：加热至1000℃保温4h，然后缓冷出炉；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制温度为1260℃，压降量为横截面的10％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
比较例2
一种电热丝，包括如表1比较例2所示的重量百分比的化学成分。
所述电热丝的制备方法如下：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内450r/min机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内在550℃进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉120℃烘干1.5h；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内350℃高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结，所述烧结工艺为：第一步180℃保温2.5h；然后以10℃/min的升温速率升温至520℃，保温1.0h；第二步以1.0℃/min的升温速率升温至820℃，保温1h；第三步以5℃/min的升温速率升温至1150℃，保温6h；第四步空冷至室温；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，常温下以3.5℃/min的升温速率升温至1150℃，保温2h；开始锻温度为1150℃，终锻温度800℃，开坯后将毛坯退火，所述退火的工艺为：加热至880℃保温6h，然后缓冷出炉；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制温度为1260℃，压降量为横截面的10％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
测试以上各实施例和比较例得到的电热丝在850℃高温下的性能及在1450℃的使用寿命，结果参见表2。
表2
实施例1 实施例2 实施例3 比较例1 比较例2
抗拉强度/MPa 736 748 741 689 712
屈服强度/MPa 614 634 621 598 606
断后伸长率/％ 46 50 49 41 43
电阻率μΩ·m 1.46 1.38 1.40 1.05 1.02
最高使用温度/℃ 1450 1450 1450 1200 1200
使用寿命/h 32560 34257 30187 23152 26180
上述参照实施例对一种电热丝及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电热丝，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：Cr：23.0-28.0％、Al：10.0-18.0％、W：1.0-3.0％、Mn：3.0-5.0％、Mo：0.5-2.5％、Nb：0.1-1.0％、Re：0.01～0.06％、B：0.002～0.006％、Zr：0.005～0.022％、Ti：0.07～0.15％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的电热丝，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：Cr：24.3-26.2％、Al：13.2-16.8％、W：1.4-2.5％、Mn：3.6-4.3％、Mo：0.9-2.2％、Nb：0.3-0.7％、Re：0.02～0.05％、B：0.003～0.005％、Zr：0.009～0.018％、Ti：0.08～0.12％，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的电热丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将配方量的合金粉末倒入高能球磨罐内机械混合均匀；
S2：混合均匀后的合金粉出罐，进入真空炉内进行高温氨气还原；
S3：将还原后的粉末装入高能球磨罐内加石墨和粘胶，球磨24小时；
S4：将磨好的粉料过筛去杂质，进入真空炉烘干；
S5：烘干后的粉末冷却后静压成型，成型毛坯进真空室内高温脱胶除碳；
S6：脱胶毛坯送入真空烧结炉内烧结；
S7：烧结毛坯进行锻锤上开坯，开坯后将毛坯退火；
S8：将退火后的毛坯进行轧制成电热丝，轧制后再退火，进行表面抛光；
S9：对抛光后的电热丝表面进行预氧化热处理，处理后盘圈成型包装。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述高温指的是温度为450～550℃。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1和S3中，高能球磨罐内还加入有体积分数65％的高速钢球，其转速设置为450r/min，球磨时间大于等于24h。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，石墨和粘胶分别占合金粉末重量的2～5％、10～15％。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，烘干的温度和时间分别为100-120℃、1.5～2h；步骤S5中，所述高温指的是是温度为350～420℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述烧结的工艺为：第一步180～220℃保温2～2.5h；第二步以2～5℃/min的升温速率升温至550～580℃，保温0.5～1.5h；第三步以1.5～2.5℃/min的升温速率升温至830～860℃，保温1～2h；第四步以5～10℃/min的升温速率升温至1200～1300℃，保温4～6h；第五步空冷至室温。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S7和S8中，所述退火的工艺为：加热至880～950℃保温4～6h，然后缓冷出炉。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S8中，轧制温度为1230～1260℃，压降量为横截面的10～15％，表面抛光后送入NH3炉内光亮退火。
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