CN113122778A - 一种高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料领域，公开了一种高洁净低脆性Fe‑Cr‑Al‑Y‑La合金材料及其制备方法。通过真空感应熔炼炉工艺，采用金属铬、电解铝、电解高纯铁和高纯稀土金属制备高洁净低脆性Fe‑Cr‑Al‑Y‑La合金材料。本发明生产的Fe‑Cr‑Al‑Y‑La合金材料，通过选择高纯原料控制合金材料中杂质元素含量，提高合金材料的洁净度，并通过添加稀土金属钇和稀土金属镧改善合金材料的脆性，提升合金材料的抗高温氧化性能和综合力学性能。该材料适用于摩托车、汽车、柴油车尾气净化器催化剂载体或电热合金器件领域。

Description

一种高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，一种高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料及其制备方法，用于制备摩托车、汽车、柴油车尾气净化器催化剂载体或电热合金器件。
背景技术
Fe-Cr-Al合金材料是我国应用最广泛的金属电热元件材料，Fe-Cr-Al合金材料具有电阻率高、电阻温度系数小、使用温度高、价格低廉等优点，是工业电炉、家用电器、远红外装置中理想的发热材料。而且Fe-Cr-Al涂层具有优良的抗高温氧化及抗硫酸盐腐蚀性能口，越来越受到广泛重视。
摩托车、汽车、柴油车尾气净化器用载体主要为蜂窝陶瓷载体和金属载体。陶瓷载体材料的热稳定性好，热膨胀系数小，但存在热容量大、热导率低、机械强度低等缺点。金属载体具有以下优点：热容小，热导率高，不仅可以提高摩托车、汽车、柴油车冷启动时催化剂的加热速率，改善冷启动时尾气净化效果，还可以改善载体内部温度分布均匀性，避免陶瓷载体传热慢导致的局部过热而损坏；金属载体容易与金属外壳焊接，净化器安装容易；金属载体热膨胀特性与净化器金属外壳热膨胀特性类似，可降低载体内部热应力；开孔率大，可显著降低摩托车、汽车、柴油车排气阻力，明显改善摩托车、汽车、柴油车动力性能；抗振性能好；比表面积大，可显著提高尾气净化效果。采用金属载体是摩托车、汽车、柴油车尾气净化的一个重要发展方向。
Fe-Cr-Al合金材料的主要优点是在高温下具有良好的抗氧化性，高温下合金表面生成的A12O3保护膜致密、坚固、不具挥发性，氧化膜于1100℃～1200℃下仍有很高的稳定性。研究证明，向Fe-Cr-Al合金中添加微量稀土Ce、La和Nb、Ti等元素，可以显著提高合金的抗氧化性、工作温度和使用寿命。但Fe-Cr-Al合金材料的高温强度稍差，高温工作中晶粒易粗化，在应力作用下，合金易脆断。
同时Fe-Cr-Al合金材料Al含量高和稀土的应用，FeCrAl合金箔材生产难度很大。我国摩托车、汽车、柴油车尾气净化器生产所需的高温FeCrAl合金箔材大部分从日本和德国进口，严重制约了我国汽车尾气净化器的研发和生产，妨碍了大气治理的进度。随着国内外环保标准的提高，抗高温耐腐蚀高温合金将在摩托车、汽车、柴油车尾气净化器中得到广泛采用，是具有良好应用前景的新型环保材料，也是我国环保亟需的材料。
发明内容
本发明提供了高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料及其制备方法，具有优异的抗高温氧化性能和力学性能，可用作摩托车、汽车、柴油车尾气净化器催化剂载体或电热合金器件。
所述高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料成分及质量百分比：Cr：19～21wt％，Al：3.8～4.3wt％，Y：0.3～0.4wt％，La：0.06～0.12wt％，C≤0.002wt％，N≤0.003wt％，S≤0.003wt％，P≤00.002wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料的制备方法，采用真空感应电炉熔炼工艺，具体步骤如下：
(1)原料预处理：在熔炼前，将金属铬、电解铝和电解高纯铁放入干燥箱内干燥；
(2)熔化：在坩埚内进行装料，冶炼坩埚选用电熔镁砂坩埚，加入干燥后的金属铬、电解高纯铁；装料完成后抽真空，抽真空至熔炼炉内真空度为6.67×10-2Pa以下，充入保护气体，使真空度保持在600～800Pa，然后升温至1600～1650℃进行熔炼，当炉料全部熔化，保温3～5min以保证合金熔化均匀；
(3)加入电解铝、稀土金属：
加入电解铝并通过搅拌使得铝在钢中分布均匀；加入稀土金属Y和稀土金属La并进行搅拌1～2min，稀土金属中稀土元素重量百分比含量≥99.5％；调整钢液温度至1640±10℃，准备出钢；
(4)出钢与浇注：在氩气下进行浇注，浇注完毕后停止供电，准备破真空；
(5)破真空：在真空环境下冷却10～15min后破真空；
(6)热锻：钢锭在1050℃保温30min后开始锻造，终锻温度为750℃。
步骤(1)中，干燥温度为100～150℃。
步骤(2)中，保护性气体为氩气，纯度为99.99％。
步骤(4)中，所述氩气纯度为99.99％。
随着摩托车、汽车、柴油车制造技术迅猛发展，对摩托车、汽车、柴油车尾气净化器催化剂载体材料质量要求不断更高。添加稀土钇和稀土镧等活性元素可以显著提高Fe-Cr-Al合金材料高温使用寿命，从生产成本及制备难度综合考虑，本发明通过真空感应熔炼炉工艺，采用金属铬、电解铝、电解高纯铁和高纯稀土制备高洁净低脆性Fe-Cr-Al合金材料，该合金具有优异抗高温氧化性能和综合力学性能，可用于摩托车、汽车、柴油车尾气净化器催化剂载体材料或其他电热合金器件。
本发明的有益效果为：
本发明制备的合金材料，具有较低的成本和优异的综合性能。相比传统Fe-Cr-Al合金，本发明制备的合金材料洁净度高，杂质元素含量稀少，同时稀土Y和稀土La元素的加入显著改善了Fe-Cr-Al合金的脆性，提高合金的抗高温氧化性能和综合力学性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料成分：Cr：19～21wt％，Al：3.8～4.3wt％，Y：0.3～0.4wt％，La：0.06～0.12wt％，C≤0.002wt％，N≤0.003wt％，S≤0.003wt％，P≤0.002wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)采用真空感应电炉熔炼工艺，具体步骤如下：
1)原料预处理：在熔炼前，将金属铬、电解铝和电解高纯铁放入干燥箱内干燥；
2)熔化：在坩埚内进行装料，冶炼坩埚选用电熔镁砂坩埚，加入干燥后的金属铬、电解高纯铁；装料完成后抽真空，抽真空至熔炼炉内真空度为6.67×10-2Pa以下，充入保护气体，使真空度保持在600Pa，然后升温至1650℃进行熔炼，当炉料全部熔化，保温5min以保证合金熔化均匀；
3)加入电解铝、稀土金属：加入电解铝并通过搅拌使得铝在钢中分布均匀；加入稀土金属Y和稀土金属La并进行搅拌2min，稀土金属中稀土元素重量百分比含量≥99.5％；调整钢液温度至1650℃，准备出钢；
4)出钢与浇注：在高纯氩气下进行浇注，浇注完毕后停止供电，准备破真空；
5)破真空：在真空环境下冷却15min后破真空；
6)热锻：钢锭在1050℃保温30min后开锻，终锻温度为750℃。
方法同上，制备实施例1～4各组分及其重量百分比用量详见表1。
表1制备实施例化学成分，％
Figure BDA0003000434400000041
制备实施例1～4合金的室温力学性能详见表2。
表2合金的室温力学性能(热处理工艺：800℃1h，水冷)
Figure BDA0003000434400000042
制备实施例1～4合金在1000℃时高温氧化性能实验结果详见表3。
表3 1000℃时合金高温氧化性能(单位面积累计增重，mg/cm2)
Figure BDA0003000434400000043

Claims (8)

1.一种高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料，其特征在于，各成分及质量百分比：Cr：19～21wt％，Al：3.8～4.3wt％，Y：0.3～0.4wt％，La：0.06～0.12wt％，C≤0.002wt％，N≤0.003wt％，S≤0.003wt％，P≤00.002wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料的制备方法，其特征在于，采用真空感应电炉熔炼工艺，具体步骤如下：
(1)原料预处理：在熔炼前，将金属铬、电解铝和电解高纯铁放入干燥箱内干燥；
(2)熔化：在坩埚内进行装料，冶炼坩埚选用电熔镁砂坩埚，加入干燥后的金属铬、电解高纯铁；装料完成后抽真空，抽真空至熔炼炉内真空度为6.67×10-2Pa以下，充入保护气体，使真空度保持在600～800Pa，然后升温至1600～1650℃进行熔炼，当炉料全部熔化，保温3～5min以保证合金溶化均匀；
(3)加入电解铝、稀土金属：
加入电解铝并通过搅拌使得铝在钢中分布均匀；加入稀土金属Y和稀土金属La并进行搅拌1～2min，调整钢液温度至1640±10℃，准备出钢；
(4)出钢与浇注：在氩气下进行浇注，浇注完毕后停止供电，准备破真空；
(5)破真空：在真空环境下冷却10～15min后破真空；
(6)热锻：钢锭在一定温度下保温一段时间后开始锻造。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，干燥温度为100～150℃。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，保护性气体为氩气，纯度为99.99％。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，稀土金属Y和稀土金属La中，稀土元素的重量百分比含量均≥99.5％。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述氩气纯度为99.99％。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，钢锭在1050℃保温30min后开始锻造，终锻温度为750℃。
8.将权利要求1所述的高洁净低脆性Fe-Cr-Al-Y-La合金材料用于制备摩托车、汽车、柴油车净化器催化剂载体或电热合金器件的用途。
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