CN116445766A - 一种镍铬合金 - Google Patents
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Abstract
一种镍铬合金，所述合金成分及其质量百分含量为：C≤0.15%、Si 0.6～1.8%、Mn≤0.6%、P≤0.01%、S≤0.01%、Cr 19～21%、Al≤0.3%、Fe≤1.2%、Ti 0.35～0.45%、Re 0.05～0.10%、B 0.005～0.010%、余量为Ni和不可避免杂质。本发明合金的力学、物理性能均优于现有的Cr20Ni80合金，成分设计上，也没有添加现有工艺“真空感应熔炼+电渣重熔”过程难以精确控制的Zr、La、Ce等易氧化、易挥发元素，工艺再现性好，可操作性强，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其是一种镍铬电热合金。
背景技术
电热合金是一种能使电能有效地转换为热能，可用作发热元件的功能性材料。按化学成分分为Ni-Cr-(Fe)系合金和Fe-Cr-Al系合金两大类。
Ni-Cr-(Fe)系合金是以镍作为基体，加入不同量的铬(和铁)组成的合金系列。与Fe-Cr-Al系合金相比，Ni-Cr-(Fe)系合金能形成稳定连续的γ固溶体，单一的奥氏体组织和极窄的凝固温度区间，确保了材料具有高度均匀和稳定的力学和物理性能，是电热合金最理想的组织结构。
目前镍铬合金主要有两个牌号：Cr20Ni80和Cr30Ni70，其中Cr20Ni80应用最为广泛，其电阻率1.05～1.10uΩ·m、熔点≥1400℃、使用温度高达900℃，且具有极低的热膨胀系数、良好的抗高温氧化性能以及优异的冷热加工性能，已成为各主要工业国家重要的电热合金材料。
然而，各国的Cr20Ni80合金性能质量差异比较大。日本、美国等工业发达国家的合金丝寿命已达8000h，俄罗斯也超过6000h，而有些国家的Cr20Ni80合金丝寿命仅为2000h左右，究其原因，最主要是合金成分设计和加工工艺方面的差异。
为优化Cr20Ni80合金的成分体系和加工工艺，科研工作者做了大量的研究工作。
公开号CN112375930A，公开了一种高电阻镍铬电热合金及其生产工艺，其最主要特点是设计加入Ca、Y、La、Ce四种微量元素提高凝固过程形核率，细化晶粒、提高合金性能，但其成分体系较复杂，公开的熔炼工艺难以保证Ca、Y等易挥发、易氧化元素的精确控制，并不可取。
公开号CN110819850A，公开了一种镍铬电热合金及其制备方法，该合金最主要特点是设计加入锆、钒、钼、稀土等元素，且采用粉末冶金工艺，得到电阻率大于1.3Ωmm2/m、工作温度达1350℃的合金，是一个比较新颖的技术方案，但其工艺较复杂，成分设计有缺陷(如含有S、N等有害元素)，也不可取。
此外，公开号CN101899593A、CN108901088A等也公开了不同成分的镍铬合金，但要么成分体系复杂、要么材料性能较差，均不可取。
因此，设计成分体系更完善、材料物理性能更优异的Cr20Ni80合金，是电热材料发展亟待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的是通过合理的成分设计，解决现有Cr20Ni80合金力学、电热性能较差等问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种镍铬合金，所述合金成分及其质量百分含量为：C≤0.15％、Si 0.6～1.8％、Mn≤0.6％、P≤0.01％、S≤0.01％、Cr 19～21％、Al≤0.3％、Fe≤1.2％、Ti 0.35～0.45％、Re 0.05～0.10％、B 0.005～0.010％、余量为Ni和不可避免杂质。
优选的，镍铬合金成分及其质量百分含量为：C 0.05～0.10％、Si 0.8～1.2％、Mn0.2～0.4％、P≤0.008％、S≤0.006％、Cr 19.5～20.5％、Al 0.15～0.20％、Fe 0.5～1.0％、Ti 0.38～0.42％、Re 0.06～0.08％、B 0.007～0.009％、余量为Ni和不可避免杂质。
进一步的，所述镍铬合金，900℃抗拉强度为140～158MPa，950℃冲击韧性为147～180J/cm2，900℃、1000h伸长1％的蠕变强度为13～16MPa，20℃延伸率≥30％，线性膨胀系数a×10-6/℃(20～1000℃)为16.48～16.71，20℃电阻率为1.18～1.20uΩ/m。
本发明各成分在合金中作用如下：
(1)合金中添加了0.05～0.1％的Re，由于Re为5d区元素，而Ni为3d区元素，Re原子半径比Ni大10％，与Ni错配度很大，加入后可有效阻碍位错运动，从而增加Ni的强度，特别是蠕变强度；同时，由于Re有20％的原子处于晶界位置，且会形成约1nm的短程有序的原子团，其较大的有序区域可抑制Cr23C6、Cr7C3等TCP相在晶界的析出，改善合金的冷热加工性能。
(2)合金中添加了0.005～0.010％的B，合金中的B以M3B2形式存在并在晶界富集，增加晶界结合力，M3B2为颗粒状或块状形式分布，阻止晶界滑移和空洞的形成，可显著提高合金的力学性能；此外，适量的B也可以净化晶界，减少有害元素在晶界的析出。
(3)合金中添加了0.35～0.45％的Ti，Ti可与C形成高熔点的TiC，在凝固时首先析出，作为非均质形核质点，增加形核率，起到细化晶粒的作用。此外，Ti、Al与Ni可形成有序相Ni3(Al，Ti)，与基体FCC相共格，但Ni3(Al，Ti)存在反向畴界面缺陷，位错在由FCC相进入Ni3(Al，Ti)需克服APB能，这就需要成对位错才能穿越Ni3(Al，Ti)，完全限制了刃型位错的运动，同时使得螺型位错被{111}面上交叉滑移锁定，阻碍了位错运动，而这种阻碍在高温下更为明显，这将能提高材料的高温强度，减少线膨胀系数。
(4)合金中添加了适量的Al，除形成Ni3(Al，Ti)外，还可改善合金的抗氧化性能。加入Al以后，氧化膜主相为Cr2O3相，次相为α-Al2O3相，α-Al2O3相可增加Cr2O3相与基体金属间的附着力，游离的Al还可在高温下消耗氧，抑制氧的渗透速率，提高了合金的抗氧化性能。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明合金的力学、物理性能均优于现有的Cr20Ni80合金，成分设计上，也没有添加现有工艺“真空感应熔炼+电渣重熔”过程难以精确控制的Zr、La、Ce等易氧化、易挥发元素，工艺再现性好，可操作性强，易于推广。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1－14
镍铬电热合金制备工序包括真空熔炼、电渣重熔、均匀化处理、锻造、热轧、固溶处理。
(1)真空冶炼：按成分配料、装炉，其中电解镍、金属铬、纯铁装入坩埚中，金属硅、电解锰、铝粒、海绵钛、金属铼、硼铁装入二次料仓；抽真空至≤5Pa给电熔化，熔清后调整真空度≤0.1Pa、温度1580～1620℃，精炼40～60min；然后停真空、充入30000Pa氩气，加入Si、Mn、Al、Ti、Re、B-Fe等合金，成分合格后调整钢水温度至1430～1460℃，浇铸成锭。
(2)电渣重熔：将真空铸锭去应力退火、打磨后进行电渣重熔，控制熔速3.5～5kg/min，熔炼期间通入氩气作为保护气体。
(3)均匀化处理：将电渣锭放入氩气保护气氛加热炉中，经2～3h先升温至650～700℃，保温1～2h，再经2～3h升温至1100～1150℃，保温时间≥10h。
(4)锻造：均匀化处理后铸锭出炉锻造，始锻温度1050～1100℃，终锻温度900～1000℃，锻压比≥20。
(5)热轧：将锻件进行热轧，开轧温度1150～1200℃，吐丝温度950～1050℃，轧后盘条置入冷床空冷。
(6)固溶处理：对盘条进行固溶处理，温度1000～1100℃，时间2～4h。
实施例1－14按照上述生产工艺进行生产，各实施例具体合金成分、合金性能分别见表1、2，同时表2也列出了市场上销售的普通Cr20Ni80钢的性能。
表1
表2
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种镍铬合金，其特征在于，所述合金成分及其质量百分含量为：C≤0.15％、Si 0.6～1.8％、Mn≤0.6％、P≤0.01％、S≤0.01％、Cr 19～21％、Al≤0.3％、Fe≤1.2％、Ti 0.35～0.45％、Re 0.05～0.10％、B 0.005～0.010％、余量为Ni和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种镍铬合金，其特征在于，所述合金成分及其质量百分含量为：C 0.05～0.10％、Si 0.8～1.2％、Mn 0.2～0.4％、P≤0.008％、S≤0.006％、Cr 19.5～20.5％、Al 0.15～0.20％、Fe 0.5～1.0％、Ti 0.38～0.42％、Re 0.06～0.08％、B 0.007～0.009％、余量为Ni和不可避免杂质。
3.根据权利要求2所述的一种镍铬合金，其特征在于，所述镍铬合金，900℃抗拉强度为140～158MPa，950℃冲击韧性为147～180J/cm2，900℃、1000h伸长1％的蠕变强度为13～16MPa，20℃延伸率≥30％，线性膨胀系数a×10-6/℃(20～1000℃)为16.48～16.71，20℃电阻率为1.18～1.20uΩ/m。
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