CN112522545B - 镍铬高电阻电热合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍铬高电阻电热合金，属于冶金领域。所述镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C≤0.08％，Si0.75‑1.60％，Al≤0.50％，Cr20.0‑23.0％，Mn0.05‑0.10％，Fe≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.015％，Ti0.10‑0.30％，Co0.20‑0.45％，Zr0.05‑0.18％，余量为Ni及不可避免杂质；本发明镍铬高电阻电热合金，其线性膨胀系数a×10‑6/℃(20‑1000℃)：17.25‑17.43，电阻率1.12‑1.15uΩ.m，延伸率≥25％，可有效解决现有Cr20Ni80电阻电热合金物理性能较差，现有技术改善Cr20Ni80电阻电热合金物理性能成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种合金材料，具体涉及一种新型镍铬高电阻电热合金。
背景技术
高电阻电热合金是一种利用材料的电阻产生焦耳热使电能转换为热能的功能性电热工程合金材料，按照化学成分主要分为Ni-Cr系、Ni-Cr-Fe系和Fe-Cr-Al系合金三大类，广泛用于冶金、机械、石化、电气、建筑、家电等领域的电热元件。其中具有奥氏体组织的Cr20Ni80电热合金，因其具有均匀稳定的电阻率、很高的熔点、很高的使用温度，较小的热膨胀系数，以及在高温条件下具有良好的抗氧化性能、良好的加工和焊接性能等诸多优点，现已成为每个国家电热合金中的一个重要牌号。
近些年来Fe-Cr-Al系电热合金的研究已经接近于完善，但在一些苛刻的条件下选用的电热合金，比如在高温条件、振动条件下却只能选择Ni-Cr系电热合金。镍和铬元素都是重要的战略物资，在我国，Cr20Ni80电热合金的用量较大，几乎占到了电热合金总产量的8％。用于电热元件制作时，Cr20Ni80电热合金材料除了具有高而稳定的电阻率外，对电阻温度系数、热膨胀系数、抗氧化性能、高温强度等均有较高的要求，从而提高电热合金的使用寿命。
文献表明(胡春霞,王晓军,王传玉,夏天东.国内Cr20Ni80电热合金组织及性能对比研究[J].金属功能材料,2010,17(03):42-46.)，与进口产品相比，国外Cr20Ni80产品的质量和寿命均优于国内产品。国产Cr20Ni80合金丝的寿命为2000h，而进口合金丝可达到7000h。因此，为了节省我国镍、铬资源，保护生态环境，对Cr20Ni80电热合金的成分设计、加工工艺、热处理工艺等，还需要不断优化和改进。
公开号CN101899593A，公开日2010年12月1日的专利，在Cr20Ni80牌号金属合金中添加了金属Zr和稀土材料镧、钇和铈等稀土元素，Zr与空气接触形成氧化Zr保护层，其表面的抗氧化性能得到大大提高，发热均匀，使得其合金钢的最高使用温度可达1300℃，其表面负荷可达到5W/cm2，进一步提高了其耐用性、抗腐蚀性和抗氧化性能。但稀土金属属于不可再生的国家重要稀缺战略资源，用于大规模工业生产会导致成本较高。因此，寻找更节约和高效的方法，为我国电热合金材料的发展服务，是目前研究的重点。
公开号CN108901088A，公开日2018年11月27日的专利，通过对镍铬合金成分配比调整，提高了其高温抗氧化性，并且具有较高的电阻率。其Cr20Ni80合金线性膨胀系数a×10-6/℃(20-1000℃)：18.0，电阻率1.09±0.05uΩ.m，延伸率≥20％。随着科技的高速发展，达到国家标准的合金物化性能已经不能满足我国发展的需要，因此在如何改进合金成分设计、提高工艺及合金物理性能等方面仍需继续努力。
现有牌号的Cr20Ni80电阻合金使用温度低，在1200℃高温条件下抗拉强度及屈服强度不理想，且材料热物理性能略差。现有牌号的Cr20Ni80电阻合金温度级别、表面抗氧化性能、在高温下的强度、加工性能等都有待进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有Cr20Ni80电阻电热合金物理性能较差，现有技术改善Cr20Ni80电阻电热合金物理性能成本较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C≤0.08％，Si 0.75-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-23.0％，Mn 0.05-0.10％，Fe≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.015％，Ti 0.10-0.30％，Co 0.20-0.45％，Zr 0.05-0.18％，余量为Ni及不可避免杂质。
进一步的是，上述镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C 0.02-0.03％，Si 1.25-1.45％，Al 0.4-0.5％，Cr 20.5-21.5％，Mn 0.07-0.10％，Fe 0.3-0.7％，P≤0.010％，S≤0.005％，Ti 0.10-0.28％，Co 0.20-0.45％，Zr 0.10-0.18％，余量为Ni及不可避免杂质。
上述镍铬高电阻电热合金，其线性膨胀系数a×10-6/℃(20-1000℃)：17.25-17.43，电阻率1.12-1.15uΩ.m，延伸率≥25％。
本发明的有益效果是：提供镍铬高电阻电热合金，通过Ti与Zr的复合添加，可以细化晶粒，提高合金电阻率；Ti与N、O极其容易结合形成TiN和TiO2，但TiN容易导致合金中形成较多的非金属夹杂物，导致皮下多孔缺陷，因此添加Zr可以促进合金在氧化时Ti的选择性氧化，使更多的Ti在电热合金表面形成TiO2，提高合金材料表面氧化膜的致密性，由此提高合金在高温条件下抗氧化性能；但Ti和Zr的含量过高会导致合金中夹杂物增多，影响合金韧性，因此，Ti含量按质量百分比应该控制在0.30％以内，Zr含量按质量百分比应该控制在0.2％以内。
通过Ti与Co的复合添加，能够显著提高合金的高温力学性能和抗氧化性能；同时Co还能提高合金的电阻率，降低合金的电阻温度系数；但合金中Co含量过高容易析出硬而脆的金属间化合物，恶化合金锻造性能，导致合金锻造开裂，此外Co价格昂贵会提高合金生产成本，因此，Co含量按质量百分比应控制在0.20-0.45％为宜。
本发明提供的镍铬高电阻电热合金，其线性膨胀系数a×10-6/℃(20-1000℃)：17.25-17.43，电阻率1.12-1.15uΩ.m，延伸率≥25％，具有电阻率高、均匀性好、膨胀系数小且具有良好的高温尺寸稳定性的优点，且生产成本低。与现有技术相比，通过对镍铬高电阻电热合金中添加Ti、Zr及Co元素，调整合金成分，使产品具有较高的电阻率、良好的表面抗氧化性能及耐蚀性能，温度级别高，且在高温下具有较高的强度，具有良好的可加工性，能够广泛运用于化工、冶金、机械制造等行业发热元器件。
具体实施方式
本发明的技术方案，具体可以按照以下方式实施：
镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C≤0.08％，Si 0.75-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-23.0％，Mn 0.05-0.10％，Fe≤1.0％，P≤0.020％，S≤0.015％，Ti0.10-0.30％，Co 0.20-0.45％，Zr 0.05-0.18％，余量为Ni及不可避免杂质。
为控制成本，并进一步提高性能，本发明技术方案可优选为，镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C 0.02-0.03％，Si 1.25-1.45％，Al 0.4-0.5％，Cr20.5-21.5％，Mn 0.07-0.10％，Fe 0.3-0.7％，P≤0.010％，S≤0.005％，Ti 0.10-0.28％，Co 0.20-0.45％，Zr 0.10-0.18％，余量为Ni及不可避免杂质。
上述镍铬高电阻电热合金，可以通过以下步骤制备：
a.配料：根据镍铬高电阻电热合金的化学成分进行配料，其中Ni、Cr、Mn、Fe、Si、Al、Ti、Co、Zr应选取主纯度含量＞99％的纯金属材料作为原料；
b.冶炼：将步骤a配好的料放入真空感应炉冶炼，真空浇注，合金化前熔池温度为1440-1470℃，真空浇注温度为1500-1540℃，浇注后真空冷却时间大于1h；
c.电渣重熔：将步骤b得到的浇筑产物进行电渣重熔，熔炼电压为45-50V，熔炼电流为2500-3000A；
d.锻造：将步骤c得到的电渣重熔产物进行锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度≥850℃；
e.热轧盘条：将步骤d得到的锻后物进行热轧盘条，热轧温度为900-1150℃，开轧温度为1150℃，终轧温度≥900℃；
f.退火：退火温度为1050℃，然后酸洗。
下面通过实际的例子对本发明的技术方案和效果做进一步的说明，但并不因此将本发明保护范围限定在实施例之中。
实施例
实施例1
根据镍铬高电阻电热合金的化学成分进行配料，然后通过冶炼、电渣重熔、锻造、热轧盘条、退火酸洗的工艺工序得到产品：镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C 0.026％，Si 1.40％，Mn 0.09％，P 0.005％，S 0.002％，Al 0.46％，Fe 0.65％，Cr21.15％，Ti 0.27％，Co 0.23％，Zr 0.10％，余量为Ni及不可避免杂质。
经测试，元件最高使用温度为1200℃，熔点1400℃，密度：8.17g/cm3，电阻率(23℃)：1.15uΩ.m，延伸率≥25％，线胀系数a×10-6/℃(20-1000℃)：17.25，显微组织为奥氏体并且为非磁性。
实施例2
根据镍铬高电阻电热合金的化学成分进行配料，然后通过冶炼、电渣重熔、锻造、热轧盘条、退火酸洗的工艺工序得到成品：镍铬高电阻电热合金，其化学成分按质量百分比为：C 0.024％，Si 1.29％，Mn 0.10％，P 0.007％，S 0.002％，Al 0.45％，Fe 0.32％，Cr20.70％，Ti 0.11％，Co 0.43％，Zr 0.17％，余量为Ni及不可避免杂质。
经测试元件最高使用温度为1200℃，熔点1400℃，密度：8.18g/cm3，电阻率(23℃)：1.13uΩ.m，延伸率≥25％，线胀系数a×10-6/℃(20-1000℃)：17.43，显微组织为奥氏体并且为非磁性。
Claims (2)
1. 镍铬高电阻电热合金，其特征在于，其化学成分按质量百分比为：C 0.02-0.03%，Si1.25-1.45%，Al 0.4-0.5%，Cr 20.5-21.5%，Mn 0.07-0.10%，Fe 0.3-0.7%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ti 0.10-0.28%，Co 0.20-0.45%，Zr 0.10-0.18%，余量为Ni及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的镍铬高电阻电热合金，其特征在于：其20-1000℃的线性膨胀系数a×10-6/℃为17.25-17.43，电阻率1.12-1.15uΩ.m，延伸率≥25%。
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