CN109680206B - 一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法，属于合金材料技术领域，该耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C≤0.03％，Si≤0.6％，Cr 21‑25％，Ni≤0.6％，Al 5‑6％，Ti≤0.6％，Mn≤0.6％，P≤0.05％，S≤0.025％，Nb 0.01‑0.1％，N 0.01‑0.03％，H≤0.0005％，Y 0.03‑0.1％，Zr 0.03‑0.1％，Fe余量；本发明具有以下优点：1、本发明提供的铁铬铝合金在1350℃下进行快速寿命试验，快速寿命值可达到80小时；2、本发明提供的铁铬铝合金不含氢，制备过程全程不携带氢，氢的存在会使得铁铬铝合金易发生脆断和开裂，本发明避免了氢的混入，也减少了去氢操作；3、本发明提供的制备方法简单易操作。

Description

一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。
背景技术
铁铬铝合金(FeCrAl)是铁素体组织的电热合金，主要牌号有：0Cr13Al4、0Cr21Al5、0Cr25Al5和0Cr27Al7Mo2等钢种，其产品广泛应用于电热原件、精密仪器、化工容器等行业。该材料是通过焦耳热的方式实现电能一热能的转换，达到对某一区域(如炉膛)或某些物品(如食品)加热的目的，现有的铁铬铝合金在高温下使用后，由于晶粒长大使其变得易脆，从而影响了这类材料在高温环境下的使用寿命。
为此，本领域亟需制备出一种能在高温环境下使用且使用寿命长的铁铬铝合金，能够解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述技术难题，本发明目的在于提供一种耐高温铁铬铝合金及其制备方法，解决如何使铁铬铝合金在高温环境下使用时，延长其使用寿命的技术问题。
本发明提供一种耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C≤0.03％，Si≤0.6％，Cr 21-25％，Ni≤0.6％，Al 5-6％，Ti≤0.6％，Mn≤0.6％，P≤0.05％，S≤0.025％，Nb 0.01-0.1％，N 0.01-0.03％，H≤0.0005％，Y 0.03-0.1％，Zr 0.03-0.1％，Fe余量。
本发明还提供一种耐高温铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为50-80min，所述出钢温度≥1650℃；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
进一步的，S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属。
进一步的，所述吹氩时间为1-2min，所述含锆金属为海绵锆和/或锆铁，所述含钇金属为金属钇和/或钇铁。
进一步的，S1中，所述冶炼设备包括电渣炉、感应炉，所述电渣炉包括三相有衬电渣炉，所述感应炉包括真空感应炉或中频感应炉。
进一步的，冶炼过程中，所述三相有衬电渣炉的冶炼炉渣及其质量比为CaO:Al2O3:CaF2＝4-5:2-3:2-3，所述冶炼炉渣的质量用量为100-120kg。
进一步的，S3中，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3:CaO:CaF2＝6-7:1-2:11-13，所述精炼炉渣的质量用量为3-5kg。
进一步的，S3中，所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为200-500g/根·电极棒。
进一步的，S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1100-1200℃，所述加热时间为90-300min，所述轧制的开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为750-850℃。
本发明中，C、Si、S、P、Ni、Ti元素，对合金冷加工性能高温下抗氧化寿命有害，所以采取低限值控制；Cr元素能够提高合金耐蚀性、电阻率和高温抗氧化性。Nb元素主要起细化晶粒，改善合金加工性能的作用。N元素能够与Nb、C形成化合物，起到细化晶粒的作用。
Zr是强碳化物形成元素，本发明铁铬铝合金中锆元素的存在，有利于降低钢中碳的危害，通过形成碳化锆或碳氮化锆，防止碳与Cr形成化合物。C和Cr化合形成化合物，容易使得晶粒边缘贫Cr影响材料耐蚀性和晶间结合强度，进而影响铁铬铝加工性能。因此，锆元素的加入，能够降低铁铬铝合金中碳的危害。同时，铁铬铝合金在高温下工作时，其表面形成的氧化膜中含有氧化锆，有利于增强氧化膜的韧性，提高氧化膜抗裂能力和耐蚀性，有利于延长铁铬铝合金的寿命。
本发明铁铬铝合金中Y的存在，能够增强铁铬铝合金高温氧化膜的致密度，能够增强氧化膜与基体的结合力，且钇元素与铁铬铝合金中的C、Cr元素能够形成复合的化合物，存在于铁铬铝晶界，有利于净化晶界，提高晶间结合力，且能够捕捉碳原子，使得铁铬铝合金能够在高温下提高抗渗碳的能力，使得铁铬铝合金在碳气氛中有更持久的工作寿命。
本发明电渣重熔所使用的精炼炉渣中配入CaO，增加了渣的碱度，渣碱度的提高，可增强电渣重熔过程中去除铁铬铝中氮化物夹杂物的能力，降低电渣重熔合金锭氮化物夹杂物，可降低合金脆断倾向；配入Y2O3，可降低电渣重熔过程中钇的氧化损失。
发明在电极棒上绑上铝丝，具有脱氧性质的铝丝在熔渣表层熔化，与空气中的氧反应生成氧化铝进入渣中，渣中不稳定氧化物通过渣层向钢中传递氧的通道在一定程度上被阻断，可减少电渣重熔过程中钇的氧化损失；持续通入氩气也是为了达到阻隔钇的氧化，从而减少电渣重熔过程中钇的氧化损失。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明通过加入Zr和Y元素，延长铁铬铝合金在高温环境下使用的寿命，达到铁铬铝合金在1350℃下进行快速寿命试验，快速寿命值可达到80小时的效果。
2、本发明提供的铁铬铝合金不含氢，制备过程全程不携带氢，氢的存在会使得铁铬铝合金易发生脆断和开裂，本发明避免了氢的混入，也减少了去氢操作。
3、本发明提供的制备方法简单易操作。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
一种耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C 0.03％，Si 0.6％，Cr 25％，Ni 0.6％，Al 6％，Ti 0.6％，Mn 0.6％，P 0.05％，S0.025％，Nb 0.1％，N 0.03％，H 0.0005％，Y 0.1％，Zr 0.1％，Fe余量。
上述耐高温铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为80min，所述出钢温度为1650℃；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属；所述吹氩时间为2min，所述含锆金属为海绵锆和/或锆铁，所述含钇金属为金属钇和/或钇铁。
S1中，所述冶炼设备为三相有衬电渣炉，冶炼过程中，所述三相有衬电渣炉的冶炼炉渣及其质量比为CaO:Al2O3:CaF2＝4:3:3，所述冶炼炉渣的质量用量为120kg。
S3中，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3:CaO:CaF2＝6:2:13，所述精炼炉渣的质量用量为5kg。
S3中，所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为500g/根·电极棒。
S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1200℃，所述加热时间为300min，所述轧制的开轧温度为1100℃，终轧温度为850℃。
实施例2
一种耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C 0.03％，Si 0.6％，Cr 25％，Ni 0.6％，Al 6％，Ti 0.6％，Mn 0.6％，P 0.05％，S0.025％，Nb 0.1％，N 0.03％，H 0.0005％，Y 0.1％，Zr 0.1％，Fe余量。
上述耐高温铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为80min，所述出钢温度为1650℃；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属；所述吹氩时间为2min，所述含锆金属为海绵锆和/或锆铁，所述含钇金属为金属钇和/或钇铁。
S1中，所述冶炼设备为三相有衬电渣炉，冶炼过程中，所述三相有衬电渣炉的冶炼炉渣及其质量比为CaO:Al2O3:CaF2＝5:2:2，所述冶炼炉渣的质量用量为100kg。
S3中，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3:CaO:CaF2＝6:2:13，所述精炼炉渣的质量用量为5kg。
S3中，所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为500g/根·电极棒。
S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1200℃，所述加热时间为300min，所述轧制的开轧温度为1100℃，终轧温度为850℃。
实施例3
一种耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C 0.02％，Si 0.3％，Cr 23％，Ni 0.6％，Al 3％，Ti 0.3％，Mn 0.3％，P 0.03％，S0.015％，Nb 0.06％，N 0.02％，H 0.0003％，Y 0.06％，Zr 0.06％，Fe余量。
上述耐高温铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为65min，所述出钢温度为1700℃；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属；所述吹氩时间为1.5min，所述含锆金属为海绵锆和/或锆铁，所述含钇金属为金属钇和/或钇铁。
S1中，所述冶炼设备为中频感应炉。
S3中，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3:CaO:CaF2＝6:2:12，所述精炼炉渣的质量用量为4kg。
S3中，所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为350g/根·电极棒。
S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1150℃，所述加热时间为200min，所述轧制的开轧温度为1060℃，终轧温度为800℃。
实施例4
一种耐高温铁铬铝合金，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C 0.01％，Si 0.1％，Cr 21％，Ni 0.1％，Al 5％，Ti 0.1％，Mn 0.1％，P 0.01％，S0.01％，Nb 0.01％，N 0.01％，H 0.0001％，Y 0.03％，Zr 0.03％，Fe余量。
上述耐高温铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为50min，所述出钢温度为1650℃；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属；所述吹氩时间为1min，所述含锆金属为海绵锆和锆铁，所述含钇金属为金属钇和钇铁。
S1中，所述冶炼设备为真空感应炉。
S3中，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3:CaO:CaF2＝7:1:11，所述精炼炉渣的质量用量为3kg。
S3中，所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为200g/根·电极棒。
S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1100℃，所述加热时间为90min，所述轧制的开轧温度为1020℃，终轧温度为750℃。
对上述实施例1～3中的铁铬铝合金进行快速寿命实验，结果如表1所示。
表1
实施例 在1350℃温度下的快速寿命值(h)
实施例1 80
实施例2 79
实施例3 78
实施例4 78
如表1所示，本发明提供的耐高温铁铬铝合金在1350℃下，其快速寿命值可达到80h。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种耐高温铁铬铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述耐高温铁铬铝合金的化学元素为：C 0.03％，Si 0.6％，Cr 25％，Ni 0.6％，Al 6％，Ti 0.6％，Mn 0.6％，P0.05％，S 0.025％，Nb 0.1％，N 0.03％，H 0.0005％，Y 0.1％，Zr 0.1％，Fe余量，所述耐高温铁铬铝合金的制备方法包括：
按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为50-80min，所述出钢温度≥1650℃；所述冶炼设备包括电渣炉、感应炉，所述电渣炉包括三相有衬电渣炉，所述感应炉包括真空感应炉或中频感应炉；冶炼过程中，所述三相有衬电渣炉的冶炼炉渣及其质量比为CaO：Al2O3：CaF2＝4-5：2-3：2-3，所述冶炼炉渣的质量用量为100-120kg；
将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3：CaO：CaF2＝6-7：1-2：11-13，所述精炼炉渣的质量用量为3-5kg；所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为200-500g/根·电极棒；
将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
2.一种如权利要求1所述的耐高温铁铬铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按所述化学元素调配钢水，冶炼所述钢水，并进行出钢操作，所述冶炼过程中采用铝粉或铝块进行脱氧；所述冶炼时间为50-80min，所述出钢温度≥1650℃；所述冶炼设备包括电渣炉、感应炉，所述电渣炉包括三相有衬电渣炉，所述感应炉包括真空感应炉或中频感应炉；冶炼过程中，所述三相有衬电渣炉的冶炼炉渣及其质量比为CaO：Al2O3：CaF2＝4-5：2-3：2-3，所述冶炼炉渣的质量用量为100-120kg；
S2、将所述出钢钢水进行浇铸，制得合金棒；
S3、以所述合金棒作为电渣重熔电极棒，通过电渣重熔提纯，获得钢锭，所述电渣重熔所使用的精炼炉渣及其质量比为：Y2O3：CaO：CaF2＝6-7：1-2：11-13，所述精炼炉渣的质量用量为3-5kg；所述电渣重熔在绝氧环境下进行，所述绝氧通过持续通入氩气排氧，或在所述电极棒上绑定铝丝脱氧达到，所述铝丝质量用量为200-500g/根·电极棒；
S4、将所述钢锭进行脱锭后，红转入加热设备中加热后，进行轧制，制得耐高温铁铬铝合金。
3.根据权利要2所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述调配钢水时，在吹氩条件下，先加入含锆金属，再采用插入法加入含钇金属。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述吹氩时间为1-2min，所述含锆金属为海绵锆和/或锆铁，所述含钇金属为金属钇和/或钇铁。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，S4中，所述加热在加热炉中进行，所述加热温度为1100-1200℃，所述加热时间为90-300min，所述轧制的开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为750-850℃。
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