專利名稱：：韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬功能材料，具體地說，涉及一種具有優(yōu)良韌性的鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金。
背景技術(shù)：
：近來年稀有金屬鎳的價(jià)格飛漲，使奧氏體不銹鋼價(jià)格翻番，鎳基奧氏體不銹鋼的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響，而鐵素體、馬體系不銹鋼使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，高鉻(25-31%)鐵素體不銹鋼，不僅有優(yōu)良的耐蝕性能，且極好的耐應(yīng)力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐孔蝕能力，可代替昂貴的鎳基和鈦等高級耐蝕合金材料。高鉻鐵素體不銹鋼的耐蝕性雖優(yōu)良，但嚴(yán)重的脆性阻礙其被廣泛選用。含鋁的高鉻鐵素體合金，又稱鐵鉻鋁合金，是大量應(yīng)用的電爐絲材料。其比鎳鉻電爐絲使用溫度高30(TC,但由于脆性嚴(yán)重影響使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國年電熱合金產(chǎn)量約萬噸，次于瑞典居世界第二位。其中，鎳鉻合金僅占8%左右。鐵鉻鋁合金占90%以上，而瑞典、美國、日本、俄羅斯等國均以鎳鉻合金為主。鐵鉻鋁電熱合金比鎳鉻合金有一系列優(yōu)點(diǎn)，如允許使用溫度高、電阻率高、易于熱冷加工等，但它有致命的弱點(diǎn)，即脆，特別是高溫使用后變脆。其不僅限制了使用范圍，也嚴(yán)重地縮短了使用壽命。所以，如能開發(fā)出輛性的，或至少高溫用后不嚴(yán)重變脆的鐵鉻鋁電熱合金絲將有重大意義?，F(xiàn)有的鐵鉻鋁電爐絲的含碳量較高，在高溫使用后，隨爐冷卻過程中，M23C6的析出是不可避免的，特別當(dāng)爐絲在高溫長期使用后，晶粒長得很粗大，晶界數(shù)量相對減少，在整個(gè)晶界上布滿了網(wǎng)狀M23C6，變脆程度更加嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其具有優(yōu)異耐蝕性能，還具有良好的韌性，應(yīng)用于電爐絲材料，其比鎳鉻電爐絲成本低、使用溫度高30(TC,其使用壽命長。本發(fā)明提供的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為C《0.01,N《0.05，Si《0.1,Mn《0.08，Cr21.5-31,Al《3.0-6.0，P《0.030,S《0.030,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。所述的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其含C的質(zhì)量百分比為(X0.005,其含N的質(zhì)量百分比為N《0.025。所述的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其含C的質(zhì)量百分比為C《0.001，其含N的質(zhì)量百分比為N《0.005。所述的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，它還含Mo或Nb,其質(zhì)量百分比為1.4-2.6。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是降碳、氮，保證必要的鉻、鋁含量，以確保其耐腐蝕性能和韌性；以穩(wěn)定組織和改善性能；進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，并逐步優(yōu)化成分。影響鐵鉻鋁電熱合金輛性的因素1、韌脆轉(zhuǎn)變溫度鐵鉻鋁電熱合金在較高溫度時(shí)，韌性很好；當(dāng)溫度降至某一溫度以下時(shí)，韌性突然降得很低、很脆。該臨界溫度被稱為軔脆轉(zhuǎn)變溫度。一般純度的鐵鉻鋁電熱合金韌脆轉(zhuǎn)變溫度在60-8(TC左右，所以限制了其使用。2、M2A析出合金中鉻含量很高，且鐵素體中碳的溶解度比奧氏體中低得多，因而M23C6析出傾向強(qiáng)烈。如在高于80(TC以上析出，多以顆立狀在晶界析出，對脆性影響不大；在晶界以網(wǎng)狀的析出速度很快，在各種熱工藝后的冷卻過程中，很難避免。其不僅使合金變脆，且引起嚴(yán)重的晶界腐蝕，是高鉻鐵素體合金被限制使用的另一重要原因。3、a相析出根據(jù)Fe-Cr相圖，在含30°/。Cr的鐵素體合金中，約70(TC以下4才開始析出c7相，60(TC長期保溫后，cj相可達(dá)40%左右。d相是脆的，合金中如含有較多的a相時(shí)，是不能被選用的。但由于高鉻鐵素體合金中的cr相析出溫度低，析出速度緩慢，約需幾個(gè)個(gè)小時(shí)才開始析出。因此在各種熱工藝后的冷加過程中，一般不會析出，不影響使用，但不宜在ct相易析出溫度下使用。解決鐵鉻鋁電熱合金脆性的途徑1.防止cj相析出由于ct相形成溫度低，析出速度緩慢，在熱加工、熱處理、焊接等熱工藝后的冷卻過程中，一般較易避免，不會引起脆性；但是該類合金不宜在(7相析出的300-70(TC溫度范圍內(nèi)使用。2.M23C6相在晶界以網(wǎng)狀析出當(dāng)合金中含碳量不夠低時(shí)，在500-70(TC溫度范圍內(nèi)，只需要幾分鐘，甚至幾秒鐘，即可在晶界上形成網(wǎng)狀M2A。因此各種熱工藝后的冷卻過程中，M23C6的網(wǎng)狀析出幾乎是不可避免的，需要找途徑解決。下表為碳、氮在鐵鉻鋁電熱合金中的最大溶解度溫度(。c)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表可知，當(dāng)鐵鉻鉬電熱合金中，碳含量低于0.004%時(shí)，927'C時(shí)效不再析出M23C"當(dāng)溫度降至70(TC時(shí)，不析出M2A的碳量要求降得更低。但如合金中的碳含量能降到0.004%的水平，M23C6析出傾向?qū)⒋蟠蠼档?，析出?shù)量也會很少，不會造成較大的影響。由表中還可看出，氮含量低于O.006%時(shí)，593匸長期時(shí)效也不會析出Cr2N故當(dāng)?shù)窟_(dá)到該水平時(shí)，不用擔(dān)心由此引起的脆性。3.降低合金的軔脆轉(zhuǎn)變溫度:高鉻鐵素體合金的裝置大都在室溫上工作，但設(shè)備安裝和檢修都在室溫下進(jìn)行。如在室溫下很脆的材料，是不能被選用的。因此，如何使合金中高鉻鐵素體合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降至室溫以下，是使其廣泛應(yīng)用的前提。我國東北地區(qū)，冬季室溫外溫度有時(shí)達(dá)零20-3(TC,所以要求軔脆轉(zhuǎn)變溫度降這個(gè)水平。我們對高鉻鐵素體合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度了大量工作，發(fā)現(xiàn)碳、氮的影響最大。表(1)、(2)列出了碳和氮含量對Cr30Mo2合金韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響。表(1)碳含量對Cr30Mo2合金韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>含N"0.0057~0.0083%，02:0.0032—0.0040%表(2)氮含量對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響※<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>※合金中含C:0.0018-0.0024%,02:0.0017-0.0045%根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，高鉻鐵Cr30Mo2合金中，將碳降至0.003%以下，氮含量降至0.007%以下，脆性轉(zhuǎn)變溫度降至-40-20。綜上所述，解決鐵鉻鋁電熱合金脆性關(guān)鍵是降低合金中的碳和氣的含量，特別是碳的含量。對于每種具體高鉻鐵素體合金不脆的允許碳、氮的最高含量，不僅與合金成份有關(guān)，還與具體使用條件有關(guān)，還需逐個(gè)合金研究，為了使軔性的降低最小化，應(yīng)對上述C及N的含量分別控制在0.01%以下及0.05%以下，并且由于其含量越少，材料的性質(zhì)則越好，所以不限制其最低限度。上述Si作為提高脫氧及耐氧化性的元素，為了抑制韌性的降低，應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)。上述Mn作為提高脫氧的元素，因其降低介物MNs的耐腐蝕性，故應(yīng)控制在0.08%以內(nèi)。因上述P不僅降低耐腐蝕性而且還降低韌性，故控制在0.030U乂內(nèi)。因上述S降低耐腐蝕性，故控制在O.030%以內(nèi)。到目前為止，上述A1主要是為了脫氧而添加的，但為了耐腐蝕性而最大限度地控制了其在鋼中的含量。與此不同，在本發(fā)明中考慮到Al對軔性產(chǎn)生的影響，作為積極添加的元素，起到一種防止因添加Mo而使軔性降低的效果。但是，若過量添加Al,則因產(chǎn)生A1氧化物而降低耐腐蝕性，故A1控制在3.0-6.0%以內(nèi)。在本發(fā)明中，為了最大限度地控制由于添加Al而產(chǎn)生的耐腐蝕性降低，把Al氧化物的大小控制在約小于l卿比較好。上述Mo是為了防止敏感性而添加的，若添加2.6%以上，則由于析出而使軔性降低，故最大含量為2.6%。雖然上述Cr提高耐腐蝕性，但是隨著Cr含量的增加，Cr(C,N)及Cr氮化物的析出度增加，從而引起韌性了低，故Cr的適當(dāng)范圍為21.5-31%。作為電熱合金絲的鐵鉻鋁合金有較高的最高使用溫度。電熱合金絲的最高使用溫度是設(shè)計(jì)電熱元件的最重要指標(biāo)。它主要由合金的高溫強(qiáng)度，抗氧化性能和抗腐蝕性能所決定。表(1)列出了常用電爐絲的成分、最高使用溫度和熔點(diǎn)間的關(guān)系。由表(1)知，F(xiàn)eCrAl絲比NiCr絲的最高使用溫度高300°C。表(1)合金成分與最高使用溫度、熔點(diǎn)的關(guān)系合金Cr27A17Mo2Cr21A16NbCr25A15Cr30Ni70Cr20Ni80Cr20Ni35最高使用溫度(°c)140013501250110011009507<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金的有益效果;1、其具有優(yōu)異耐蝕性能，還具有良好的軔性，應(yīng)用于電爐絲材料，其比鎳鉻電爐絲成本低、使用溫度高30(TC，其使用壽命長。2、優(yōu)良的工藝性能由于鐵素體合金高溫屈服強(qiáng)度低、塑性好很容易熱加工;鐵素體合金加工硬化率低，有利于冷加工；鐵素體合金膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，且對硫、磷降低熔點(diǎn)影響小，所以焊接熱裂傾向小。3、物理性能好高鉻鐵素合金與鎳鉻奧氏體合金相比，比重小10%,線膨脹系數(shù)約低一半，熱導(dǎo)率約高1/3，這對制造交換的設(shè)備有重要意義。具體實(shí)施方式實(shí)施例一一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.01,NO.05，SiO.1，MnO.08,Cr31，A16.0,PO.030，SO.030,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例二一種輛性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.005,NO.025,SiO.1，MnO.08，Cr31,A16.0,PO.030,SO.030,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例三一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.001，NO.005，SiO.1,MnO.08,Cr31，A16.0,PO.030，SO.030,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例四一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.01，NO.05,SiO.1，MnO.08,Cr31，A16.0,PO.030，SO.030,Mo2.6余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例五一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.005,NO.025，SiO.l，MnO.08，Cr31,A16.0，PO.030,SO.030,Mol.4余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例六一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為CO.001，NO.005,SiO.l,MnO.08，Cr31,A16.0,PO.030,SO.030,Nb2.O余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。9權(quán)利要求1、韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為C≤0.01，N≤0.05，Si≤0.1，Mn≤0.08，Cr21.5-31，Al≤3.0-6.0，P≤0.030，S≤0.030，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其特征在于其含C的質(zhì)量百分比為C<0.005,其含N的質(zhì)量百分比為N《0.025。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其特征在于其含C的質(zhì)量百分比為C《0.001，其含N的質(zhì)量百分比為N<0.005。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的韌性鐵-鉻-銷鐵素體電熱合金，其特征在于它還含Mo或Nb，其質(zhì)量百分比為1.4-2.6。全文摘要本發(fā)明公開了一種韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金，其化學(xué)成份質(zhì)量百分比為C≤0.01，N≤0.05，Si≤0.1，Mn≤0.08，Cr21.5-31，Al≤3.0-6.0，P≤0.030，S≤0.030，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。該韌性鐵-鉻-鋁鐵素體電熱合金不僅具有優(yōu)異的耐蝕性能，還具有良好的韌性；其比鎳鉻電爐絲成本低、使用溫度高300℃，且使用壽命長。文檔編號C22C38/22GK101525723SQ20081001867公開日2009年9月9日申請日期2008年3月8日優(yōu)先權(quán)日2008年3月8日發(fā)明者華徐,翟世先,翟華平,翟海平,翟玉亭申請人:江蘇星火特鋼有限公司