專利名稱：一種Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金及其制造方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電熱合金領(lǐng)域，具體涉及一種Fe-Ni-Cr-AI系電熱合金。根據(jù)使用溫 度和環(huán)境的不同，可適當調(diào)整本發(fā)明的Fe-Ni-Cr-AI系電熱合金的成分。通過在合金中添 加其它的特種元素，獲得具體的各種電熱合金類型，可以滿各種不同生產(chǎn)要求。同時本發(fā)明 也提供了上述電熱合金系的制造方法和用途。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電熱合金分為Ni-Cr系，Ni-Cr-Fe系和Fe_Cr_Al系三類。Ni_Cr系和 Ni-Cr-Fe系電熱合金的晶體結(jié)構(gòu)屬面心立方，所以高、低溫塑性都好，能容易生產(chǎn)出細絲和 薄帶，制造成各種復(fù)雜的電熱元件。同時，合金的焊接性能好，其制造的電熱元件維修方便， 使用壽命長。然而，其弊端在于，Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系電熱合金中，由于只加入了 Cr，合 金的高溫抗氧化性能差，允許的最高使用溫度低，例如，Ni-Cr系電熱合金的最高使用溫度 限制在1100°C以下；而Ni-Cr-Fe系電熱合金的最高使用溫度僅能達到950°C。此外，由于 Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系電熱合金中加入了較多的貴重元素Ni，使得生產(chǎn)成本較高。因此， 上述兩種電熱合金系由于使用溫度和生產(chǎn)成本的限制，很多情況下難以滿足生產(chǎn)的要求。而作為第三種電熱合金，F(xiàn)e-Cr-Al系電熱合金的晶體結(jié)構(gòu)屬于體心立方，該晶體 結(jié)構(gòu)存在有“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”問題，即當合金溫度在轉(zhuǎn)變溫度以下時，會變得很脆。Fe-Cr-Al 系電熱合金的“韌脆轉(zhuǎn)變溫度” 一般在室溫以上，所以合金在室溫時會變得很脆，從而給冷 加工帶來困難。例如冷拔絲和繞制電元件時，需采取特殊的措施，導(dǎo)致成品率降低。此外， 由于Fe-Cr-Al系電熱合金的高溫強度低和電熱元件損壞斷裂后不能焊接修復(fù)，所以使用 壽命短。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的電熱合金，不是使用溫度低、價格貴，就是工藝性差，使用壽命 短。因此，發(fā)明一種使用溫度高、使用壽命長、工藝性能好、生產(chǎn)成本又低的電熱合金系，成 為用戶的急切需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既能在高溫下(例如1300°C )使用、又使用壽命長的 電熱合金系。該電熱合金系為Fe-Ni-Cr-AI系電熱合金，它綜合了 Ni_Cr系和Ni-Cr-Fe系 電熱合金的面心立方結(jié)構(gòu)，工藝性能好，使用壽命長，同時又具有Fe-Cr-Al系電熱合金的 Cr、Al復(fù)合合金化的優(yōu)點，允許的最高使用溫度高。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述合金的絲材的制造方法，通過該方法能夠獲得 各種規(guī)格的冷拔絲材。本發(fā)明的再一目的是提供一種上述Fe-Ni-Cr-AI系合金的用途，該合金能夠用于 制造工作溫度在500°C -1350°C，優(yōu)選1100°C _1350°C的各種環(huán)境下的電熱元件。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種Fe-Ni-Cr-AI系電熱合金，按重量百分含量計，該合金系的化學(xué)成分如下
3
Ni 30-45 % ；Cr 15-26 % ；A1 3-6 % ；C 0. 002-0. 1 % ；B 0. 003-0. 015 % ；RE 0. 01-0. 3% ；Co 1-3% ；ff 1-5% ；Mo 1-3% ；Ti 0. 1-1. 0% ；NbO. 3-1. 0% ；Y 0. 5-1. 05 ；Fe
余量，其中RE為混合稀土，或La、Ce等純元素。進一步地，優(yōu)選的Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金含有Ni 30-36 % ；Cr 15-20% ；A1 3-5% ；C 0. 01-0. 1% ;B 0. 003-0. 010% ；RE 0. 01-0. 05%優(yōu)選地，該電熱合金含有Ni 31. 50 % ；Cr 16. 10 % ；A1 3. 20 % ；B 0. 005 ；RE 0. 025 ；C 0. 06 ；Fe 余量。優(yōu)選地，該電熱合金含有Ni 35. 25% ；Cr 19. 85% ；A1 4. 26% ；B 0. 007% ；RE 0. 027% ；C 0. 04% ；Fe 為余量。優(yōu)選地，該電熱合金含有Ni 42. 50% ；Cr 24. 80% ；A1 5. 50% ；B 0. 008% ；RE 0. 030% ；C 0. 03% ；Fe 為余量。進一步地，所述合金分別含有或復(fù)合含有Co 1-3% ；ff 1-5% ；Mo 1-3%。分別加 入時，優(yōu)選含有Co 2% ；ff 3% ；Mo 2%。復(fù)合含有時，Co 1% ；ff 1% ；Mo 1%。進一步地，所述合金分別含有或復(fù)合含有Ti 0. 1-1. 0 % ；Nb 0. 3-1.0% ； Y0. 5-1. 0%。優(yōu)選復(fù)合含有 Ti 0. 5% ；Nb 0. 5% ；Y 0. 7%。一種上述Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金的絲材的制造方法，通過在真空感應(yīng)爐中按照 Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金的成分熔煉澆注成錠，然后在1200°C -900°C將合金錠熱鍛成棒 材，在1200°C -900°C熱軋成盤材，再在室溫冷拔成不同規(guī)格的絲材。優(yōu)選FeNiCrAl系電 熱合金在真空感應(yīng)爐中冶煉并澆注成錠，然后在120(TC -90(TC下鍛成40X40mm方棒，在 1200°C -900°C熱軋成6 8mm盤條，最后在室溫拉拔成各種規(guī)格的細絲。本發(fā)明的各種電熱合金，主要用于制造工作溫度在500°C 1350°C各種環(huán)境下的 電熱元件，廣泛用于機械、冶金、制陶、民用等領(lǐng)域。本發(fā)明的Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金，以Fe為基，加入適量的Ni，保證合金系屬于面 心立方晶體結(jié)構(gòu)，以求合金塑性高，工藝性好，再用A1和Cr復(fù)合合金化，使合金有優(yōu)良的抗 氧化和抗腐蝕能力，可以在更高的使用溫度使用并具有更長的使用壽命。同時，在保證合金 面心立方晶體結(jié)構(gòu)下，盡可能少加M量，以降低成本。此外，為了能在更高溫度下使用，需 適量加入W、Mo和Co等強化元素，以提高合金的高溫強度。在某些時候，為了進一步改善工 藝性能和滿足使用時的某些特殊要求，可適量加入B、RE、Ti、Nb、Y等微量元素。


下面結(jié)合 實施例對本發(fā)明做進一步描述實施例1 Fe-I合金為了代替廣泛使用的NiCr系Cr20Ni80合金，而制造了低成本的合金Fe_I合金， 在真空感應(yīng)爐中按照Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金(Fe_I)的成分熔煉澆注成錠，然后在1200°C 將合金錠熱鍛、熱軋成68mm盤條。再根據(jù)需要的規(guī)格冷拔成絲材。表1實施例1的Fe-I合金的具體化學(xué)成分如下(wt. % ) 合金的抗氧化能力是電熱合金的關(guān)鍵性指標。表2給出了 Fe-I合金和Cr20Ni80 合金，在不同溫度下，經(jīng)100小時大氣環(huán)境下處理后，表層氧化損傷深度(氧化層和晶界氧 化層之總深度)。表2不同溫度IOOh的抗氧化性能比較 由表1和表2知，本發(fā)明的Fe-I合金的抗氧化能力比用量廣泛的Cr20Ni80合金使 用溫度提高100°c，或在相同的溫度下，壽命成倍提高。更重要的是，用50%的Fe代換Ni， 使新合金的生產(chǎn)成本大幅下降。所以Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金(此處為Fe-I)是一種質(zhì)優(yōu) 價廉的新型電熱合金。實施例2Fe_II合金為了進一步提高新合金的最高使用溫度，將合金中的Cr、Al、Ni等含量適當提高， 而形成電熱合金Fe-II，其具體成分如表3，在真空感應(yīng)爐中按照Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金 (Fe-I)的成分熔煉澆注成錠，然后在1100°C熱軋成Φ8πιπι盤條，再根據(jù)需要的規(guī)格冷拔成 絲材。表3實施例2的Fe-II合金的具體化學(xué)成分(wt. % ) 表4給出了 Fe-II、Cr20Ni80和0Cr27A17Mo2三種合金，在同樣處理條件下，氧化 損傷深度的比較。表4新老合金在不同溫度下經(jīng)100小時處理后氧化損傷深度/ μ m 由表4可知，新的電熱合金Fe-II的抗氧化性能，不僅比Cr20Ni80大大提高，且比 抗氧化性能最好的FeCrAl系的0Cr27AlMo2也成倍提高。合金的力學(xué)性能不僅與合金的工藝性能密切相關(guān)，且將影響合金的最高使用溫度和使用壽命，是電熱合金另一關(guān)鍵性能指標。表5和表6分別給出了室溫和高溫新老電熱 合金的力學(xué)性能比較。表5新老電熱合金室溫機械性能比較 由表5知，F(xiàn)e-Ni-Cr-Al系的Fe-II合金與NiCr系Cr20Ni80合金相近的室溫 塑性，所以二者有相近的冷加工性能，有利于拉拔細絲，我們已拉出Φ0. 02mm的超細絲； 有利于在室溫繞制各種電熱元件；有較好的焊接性能，電熱元件可修復(fù)。Fe-Cr-Al系的 0Cr27A17Mo2合金的室溫塑性幾乎為0，因而嚴重影響冷加工性能和電熱元件不能修復(fù)。表6新老電熱合金高溫機械性能比較 由表6知，無論Ni-Cr系的Cr20Ni80和Fe-Cr-Al系的0Cr27A17Mo2等老合金，一 直至1300°C都仍有很好的塑性，所以熱加工溫度范圍很廣，較易熱加工。而新合金Fe-II， 當溫度超過1250°C時，合金塑性顯著降低，所以熱加工上限溫度一般不要超過1200°C。我 們在開鍛溫度為1200°C，停鍛溫度為900°C的條件下，能順利鍛造成材。從高溫強度比較 而言，Cr20Ni80最好，當1300°C時仍有很高強度，但由于Cr20Ni80合金的高溫抗氧化性能 差，因而其使用的最高溫度限制在1100°C以下。0Cr27A17Mo2合金，從900°C至1300°C的溫 度范圍內(nèi)強度都較低，特別是1250°C以上的溫度強度降得很低。0Cr27A17Mo2合金高溫雖 有較好的抗氧化性能，但強度過低，所以高溫使用壽命短。新合金Cr20A15Ni35從900°C至 1250°C都有較高的強度，抗氧化性能又好，所以允許長期在1250°C以下溫度下使用。但當 溫度升高到1300°C以上時，強度明顯下降，不再適宜使用。所以要求在1300°C以上使用的 Fe-Ni-Cr-Al合金，需要再加入強化元素，提高高溫強度。實施例3Fe-III-W合金限制Fe-II合金使用溫度進一步提高的是高溫強度不夠，所以加入某些高溫強化 元素是關(guān)鍵。本實施例中加入高溫強化元素W，使高溫強度進一步提高。采用與實施例1-2 相同的制造方法。
表7實施例3的Fe-III-W合金的具體化學(xué)成分(wt. % ) 表8新老合金高溫強度/MPa的比較 由表8知，當Fe-II(Cr20A15Ni35)合金中，加入適當?shù)腤后，高溫強度顯著提高， 并超過了目前高溫強度最高的0Cr27A17Mo2電熱合金。由此可見，F(xiàn)e-III-W合金的最高使 用溫度可達1350°C。實施例4Fe-III-Mo 合金合金中加入Mo也能顯著提高高溫合金的強度。合金制造方法同實施例1。 Fe-III-Mo合金的具體成分如表9所示。表9實施例4的Fe-III-Mo合金的具體化學(xué)成分(wt% ) 表IOFe-III-Mo合金的高溫強度/MPa 由表10知，合金中加入Mo與加入W有相近的作用。實施例5 Fe-III-Co-W-Mo 合金合金中復(fù)合加入Co、W、Mo等強化元素，合金制造方法同實施例1。Fe-III-Co-W-Mo 合金的具體成分如表11所示表1)實施例5的Fe-III-Co-W-Mo合金的化學(xué)成分(wt% ) 表 12Fe_III-Co-W-Mo 合金的高溫強度 /MPa
Co、W、Mo的共同加入，進一步提高了合金的高溫強度。實施例6Fe_Y合金各種熱處理爐中，經(jīng)常用N2作保護氣氛，為了提高合金的抗N2能力，可適當加一點 Y元素。具體合金絲材或合金錠的制造過程同實施例1。表13實施例6的Fe-Y合金的化學(xué)成分(wt % ) 表14Fe-Y合金中加入Y與不加入Y在純N2下N化損傷深度/um 由表14知，合金中適當加入Y對抗N化損傷有一定的效果。實施例7Fe_Ti合金合金中加入Ti對抗N化也有一定的作用。具體合金絲材或合金錠的制造過程同 實施例2。表15實施例7的Fe-Ti合金的化學(xué)成分) 表16Fe_Ti合金不同溫度下N化損傷深度/um 可見，Ti與Y—樣，也有提高合金N化能力。實施例8Fe_IV合金在制陶爐氣中含有S和Cr氣氛，對電熱合金有嚴重的腐蝕作用，所以電熱合金中需含有更多的Cr和Al。表17實施例8的Fe-IV合金的化學(xué)成分) 表18各種合金在含02+S02氣氛條件下的損傷深度/um 由表18可知，在含S氣氛下，在Ni-Cr系合金不能用。Fe-Ni-Cr-Al系與Fe-Cr-Al 系中的高Cr高Al合金有好的抗S腐蝕性能，但仍比不含S的氣氛壽命教短。此外，上述元素之間還可以相互組合形成新的實施例，其效果是能夠根據(jù)上述試 驗結(jié)果預(yù)見的，在此其各種元素的組合實施例不再贅述。值得注意的是，上文結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明，但是本領(lǐng) 域的技術(shù)人員容易想到，在本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行各種變 化和修改，但都不脫離本發(fā)明所要求保護的權(quán)利要求書概括的范圍。
權(quán)利要求
一種Fe Ni Cr Al系電熱合金，其特征在于，按重量百分比計，Ni 30 45％；Cr 15 26％；Al 3 6％；C 0.002 0.1％；B 0.003 0.015％；RE 0.01 0.3％；Co 1 3％；W 1 5％；Mo 1 3％；Ti 0.1 1.0％；Nb 0.3 1.0％；Y0.5 1.05；Fe余量，其中RE為混合稀土或La、Ce純元素。
2.如權(quán)利要求1所述的電熱合金，其特征在于，按重量百分比計，Ni30-36% ；Cr 15-20% ；Al 3-5% ；C 0. 01-0. 1% ;B 0. 003-0. 010% ；RE 0. 01-0. 05%。
3.如權(quán)利要求2所述的電熱合金，其特征在于，所述電熱合金含有Ni31.50% ；Cr 16. 10% ；Al 3. 20% ；B 0. 005 ；RE 0. 025 ；C 0. 06 ；Fe 余量。
4.如權(quán)利要求2所述的電熱合金，其特征在于，所述電熱合金含有Ni35. 25% ；Cr 19. 85% ；Al 4. 26% ；B 0. 007% ；RE 0. 027% ；C 0. 04% ；Fe 為余量。
5.如權(quán)利要求1所述的電熱合金，其特征在于，所述電熱合金含有Ni42. 50% ；Cr 24. 80% ；Al 5. 50% ；B 0. 008% ；RE 0. 030% ；C 0. 03% ；Fe 為余量。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的電熱合金，其特征在于，所述合金分別含有或復(fù)合含 有 Co 1-3% ； W 1-5% ；Mo 1-3% ο
7.如權(quán)利要求1-5任一項所述的電熱合金，其特征在于，所述合金分別含有或復(fù)合含 有 Ti 0. 1-1. 0% ；Nb 0. 3-1. 0% ；Y 0. 5-1. 0% ；
8.如權(quán)利要求7所述的電熱合金，其特征在于，所述合金復(fù)合含有Ti0.5%;Nb 0.5%； Y 0. 7%。
9.一種權(quán)利要求1-8任一項所述Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金的絲材的制造方法，通過在 真空感應(yīng)爐中按照Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金的成分熔煉澆注成錠，然后在1200°C -900°C將 合金錠熱鍛成棒材，在1200°C -900°C熱軋成盤材，再在室溫冷拔成不同規(guī)格的絲材。
10.一種權(quán)利要求1-8任一項所述Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金的用途，所述合金用于制造 工作溫度在500°C 1350°C各種環(huán)境下的電熱元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金。按重量百分含量計，其化學(xué)成分如下Cr 15-26％；C 0.002-0.1％；B 0.003-0.015％；RE 0.01-0.3％；Ni 30-45％；Fe余量。本發(fā)明Fe-Ni-Cr-Al電熱合金通過適當調(diào)整上述成分和添加W、Mo、Co、Ti和Y等成分，發(fā)展出多種具體電熱合金，以滿足不同使用溫度和工作環(huán)境的需求。本發(fā)明也提供了該合金的制造方法及其用途。本發(fā)明的Fe-Ni-Cr-Al系電熱合金，以Fe為基，加入適量的Ni，保證合金系屬于面心立方晶體結(jié)構(gòu)，以求合金塑性高，工藝性好，再用Al和Cr復(fù)合合金化，使合金有優(yōu)良的抗氧化和抗腐蝕能力，可以在更高的使用溫度使用并具有更長的使用壽命。此外，該電熱合金可適量加入B、RE、Ti、Nb、Y等微量元素，進一步改善工藝性能和滿足使用時的某些特殊要求。
文檔編號H05B3/12GK101892436SQ20091014285
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者朱耀霄 申請人:朱耀霄