專利名稱：高電阻電熱合金材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料技術領域的高電阻率電熱合金材料，特別是一種
高電阻電熱合金材料及其制備方法。具體涉及一種Cr20Ni80Y材料，主要用作家用電器、工業(yè)電爐和加熱元件的電熱合金材料。
背景技術：
電熱合金是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的功能性材料，它的最高使用溫度可達1400°C，在冶金、機械、石化、電氣、建筑、軍工、家電等領域中用于制造各種電熱元件。目前電熱合金材料己成為一種重要的工程合金材料，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。隨著家用電器工業(yè)的發(fā)展，各種工業(yè)電爐的廣泛使用，對高阻電熱合金的需求量急劇增大。目前工業(yè)上所用電熱元件，要求其材料既要具有熔點高、熱膨脹系數(shù)小、抗氧化性能良好和高溫強度好的優(yōu)良性能，又要求其具有較高的電阻率。目前被廣泛應用的鎳鉻合金Cr20M80雖然具有熔點高、熱膨脹系數(shù)小、抗氧化性能良好的優(yōu)點，但仍然存在高溫強度差、使用壽命短的缺點，此鎳鉻合金當溫度高于IOOOtlC時，其抗氧化性能顯著下降，使用壽命只能達到2000小時。另外在生產(chǎn)Cr20M80的過程中，因其制備工藝方法設計的不合理性，有時會出現(xiàn)鑄錠在鍛造過程中斷裂，開裂現(xiàn)象，由此嚴重影響成品使用壽命，遠不能滿足工業(yè)用電熱元件力學性能要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電熱合金材料組分設計及制備工藝技術中的不足，提供一種“高電阻電熱合金材料及其制備方法”。該電熱合金材料用于制造家用電器、工業(yè)電爐和加熱元件。該材料價格低、組分設計合理、制造工藝簡單、成本低，與Cr20Ni80相比具有更優(yōu)良的抗氧化性能，是一種熱膨脹系
數(shù)小、高溫強度好、使用壽命長、高電阻率的電熱合金材料。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種高電阻電熱合金材料，按重量百分比計算，所含成分如下
C 0. 02-0. 08% ；Si 0. 75-1. 6% ；Mn 0. 1-0. 5% ；
P:彡 0.02%;S 彡 0.015%;Cr 20-23% ；
Al 0. 1-0. 5% ；Y 0. 2-0. 8% ；Fe 0. 2-1. 0% ；
余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。該合金材料中其原料Si、Mn、Cr、Ni、Y、Al、Fe的純度大于98. 5%。一種高電阻電熱合金材料的制備方法，包括熔煉、鍛造、盤條、退火、漂洗、模具拉拔等步驟，具體步驟如下
1)按高電阻電熱合金材料所含成分的重量百分比計算進行原料配制 C 0. 02-0. 08% ；Si 0. 75-1. 6% ；Mn 0. 1-0. 5% ；
P:彡 0.02%;S 彡 0.015%;Cr 20-23% ；
4Al 0. 1-0. 5% ；Y 0. 2-0. 8% ；Fe 0. 2-1. 0% ；
余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)；
2)將按前述配制的原料裝入真空精煉爐中冶煉，精煉期溫度控制在1500 1540°C， 精煉時間40分鐘，出鋼溫度1520 1560 ；
3)電渣精煉，精煉期溫度控制在1520 1580 ,熔煉電壓45-50V， 熔煉電流2500-3000A ；
4)鍛造，鍛造溫度1180°C-900°C，開鍛溫度1150°C，采用天然氣加熱；
5)熱軋盤條將鍛造后的方棒進行熱軋盤條，熱軋溫度IlSOtlC-900°C,開軋溫度 1170°C，終軋溫度為900 ;
6)退火，退火溫度950 - 1050 ,退火保溫2小時；
7)漂洗將熱軋盤條、退火后的坯件進行酸洗-水洗；
8)將漂洗后的盤條掛灰烘干多道次進行拉拔一退火一拉拔，得到高電阻電熱合金材料成品。步驟8)中所述的拉拔采用單車慢速進行，其線速度為8-lOm/mint。步驟8)中所述的退火，采用光亮熱處理退火，退火溫度為950 -ΙΟδΟΤ。步驟7)中所述的漂洗，酸洗步驟中其酸液按重量份配比為 HNO3 HF H2O=L 5 0. 8 100，酸液溫度為40-60 ，酸浸時間為10-15分鐘。步驟2)中所述的配制的原料裝入真空精煉爐中冶煉，其裝料順序為碳C-鐵 Fe-鉻Cr-鎳Ni-硅Si-錳Mn-鋁Al -釔Y，在出爐前5分鐘內(nèi)將混合稀土一次加入鋼液中充分攪拌均勻。所述在出爐前5分鐘內(nèi)將混合稀土一次加入鋼液中，其混合稀土為La、Ce混合稀土，按重量百分比計算，所加入的混合稀土所含成分為0. 1-0. 4%，該混合稀土中，所述La所含成分為35%，Ce所含成分為65%。該發(fā)明制備方法主要技術特點是采用真空精煉爐加電渣爐精煉雙聯(lián)熔煉法，使得合金脫氣充分，鋼液潔凈，成分均勻，確保良好的鋼錠質(zhì)量；鍛造采用天然氣加熱，減少本發(fā)明合金材料的氧化和有害物質(zhì)的入侵，提高本發(fā)明合金成材率；在真空熔煉后期加入混合稀土，進一步有效提高本電熱合金材料的質(zhì)量和綜合力學性能；拉拔過程中，采用光亮熱處理的中間退火，拉拔采用單車慢速進行，以減少磨擦時所產(chǎn)生的熱量積聚，最終得到其抗拉強度可達800MPa，屈服強度可達360 MPa,伸長率A為40%，電阻率為1. 09/ μ Ω · m的高電阻電熱合金材料。本發(fā)明高電阻電熱合金材料所設計成分的原理如下
C 非常有效的硬化和固溶強化組元，穩(wěn)定合合金結(jié)構(gòu)，保證強度。但常常作為裂紋源出現(xiàn)，如含量過高容易形成脆硬組織而引發(fā)延遲裂紋，其成分重量％限制在0. 02-0. 08% ；
Mn 脫氧和脫硫作用，確?？寡趸缘闹匾兀蛔?. 01%不能得到充分脫氧，超過 1. 5%強度降低，其成分重量%限制在0. 10 0· 50% ；
Si 硅在高溫氧化后形成Si02，分布在氧化膜與基體金屬的界面處，可以阻止氧滲入， 降低合金的氧化速度，硅和稀土元素同時存在時，提高抗氧化膜的致密性，使硅提高抗氧化性能的作用更加顯著，其成分重量％限制1. 0-1. 5% ；
Ni 鎳是面心立方晶格，即奧氏體晶格，其熔點較高，塑性好，韌性好，室溫較硬，高溫有一定強度，它在空氣中不易氧化，化學性質(zhì)穩(wěn)定，僅易溶于硝酸。在鎳基電熱合金中是母體， 它本身的特性起主導作用，鎳的電阻率比鋁、銅大3 — 4倍，鎳的線膨脹系數(shù)較小，高溫抗氧化腐蝕性好，是很好的電熱合金基體材料，其成分重量％限制在74-78% ；
Cr 是提高合金高溫抗氧化性能的關鍵元素，合金在高溫形成的保護氧化膜主要由 Cr2O3組成，以Cr2O3為主的氧化膜較致密，附著性也較強，可以保證合金在高溫下長期使用， 含量過低，不能顯現(xiàn)效果，含量過高，強度和韌性顯著降低，其成分重量％限制在20-23% ； Al 作為脫氧劑而被添加，其成分重量％限制在0. 1-0. 5%；
S、P:是材料中不可避免的有害雜質(zhì)元素，其含量越低越好，其成分重量96，P ^ 0.02%, S 彡 0. 015% ；
Y:釔能改善合金在氣體氛圍中的高溫性能和抗氧化性能，增強鋁膜的強度， 有助于與金屬表面緊密結(jié)合，釔加入合金中，有利于提高合金的高溫耐久性、高抗張強度、穩(wěn)定性、蠕變強度以及塑性，其成分重量％限制0. 2-0. 8% ；
混合稀土 在真空熔煉后期加入稀土，與Cr、Si的復合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是強還原性元素，稀土與硫有很大的親和力，在溶池中不僅具有脫氧、降低合金中氫含量的作用，還具有明顯脫硫改善硫化物夾雜的尺寸、形態(tài)和分布作用，減少材料中的夾雜物含量，可以改變夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，當合金中加入稀土元素，可顯著改善提高合金在1100°C以下的抗氧化性能，本發(fā)明中成分重量％限制在0. 1-0. 4%。采用本發(fā)明組分設計及制備方法生產(chǎn)的高電阻電熱合金材料與現(xiàn)有高電阻電熱合金材料相比，具有如下優(yōu)點
1.組分設計合理、制造工藝簡單、成本低，與Cr20Ni80相比具有更優(yōu)良的抗氧化性能，是一種熱膨脹系數(shù)小、高溫強度好、加工性能好、使用壽命長、高電阻率的電熱合金材料。2.本電熱合金材料其抗拉強度可達800MPa，屈服強度可達360 MPa，伸長率A為 40%，電阻率為1. 09/μ Ω · m，在IlOOtlC高溫下長期工作具有高強度
與耐腐蝕能力，其高溫應力強度穩(wěn)定，其使用壽命是Cr20Ni80合金的2倍以上。3 .又因加入了微量的混合稀土和采用了特殊的制備工藝，確保材料具有優(yōu)良的抗氧化性能、高溫耐久性、高抗張強度、穩(wěn)定性、蠕變強度、塑性以及可加工性能。4 .本電熱合金材料可替代進口，確保電熱元件使用的安全可靠性，有效延長家用電器、工業(yè)電爐和加熱元件的使用壽命，降低成本，顯著提高經(jīng)濟效益。


圖1是本發(fā)明1- 5組Cr20Ni80Y合金不同爐號及含量對應的力學性能與 Cr20Ni80 比較表 1。圖2是快速壽命測試檢驗結(jié)果及與Cr20Ni80比較表2。
具體實施例方式下面通過非限制性實施例，進一步闡述本發(fā)明，理解本發(fā)明。本發(fā)明高電阻電熱合金材料制備了 5組實施例，爐號為105-2768、2769、2770、 2771,2772。實施例1_5組高電阻電熱合金材料，按重量百分比計算，所含成分如下第一組爐號105-2768，C:0. 025% ； Si: 1. 35% ； Mn:0. 30% ； P 0. 005% ； S 0. 003% ； Cr 22. 5% ；Al :0. 22% ； Fe :0. 25% ；Y :0. 6% ；Ni 73. 5% ；混合稀土 0. 25%。第二組爐號105-2769，C:0.05% ； Si: 1. 4% ； Mn:0. 20% ； P 0. 008% ； S 0. 006% ； Cr 21. 0% ；Al 0. 3% ； Fe 0. 36% ；Y 0. 5% ；Ni 75. 5% ；
混合稀土 0. 20%。第三組爐號105-2770，C:0.04%;Si:1. 25% ； Mn:0. 15% ； P 0.008%; S 0. 006% ； Cr 21. 5% ；Al 0. 25% ； Fe 0. 45% ； Y 0. 45% ； Ni 75. 6% ；
混合稀土 0. 35%ο第四組爐號105-2771，C:0.03% ； Si: 1. 15% ； Mn:0. 16% ； P 0. 008% ； S 0. 006% ； Cr 21. 0% ；Al 0. 25% ； Fe 0. 42% ；Y 0. 4% ；Ni 76. 0% ；
混合稀土 0. 28%ο第五組爐號105-2772，C:0.045% ； Si: 1. 45% ； Mn:0. 30% ； P 0. 008% ； S 0. 006% ； Cr 20. 5% ；Al :0. 45% ； Fe :0. 40% ；Y :0. 36% ；Ni 76. 2% ；混合稀土 0. 30%。上述5組實施例其制備方法為
1).選用Si、Mn、Cr、Ni、Y、Al、！^的純度大于98. 5%純金屬材料作為原料，按照本發(fā)明實施例設計成分配料；
2 ).真空精煉爐冶煉，按其裝料順序進行裝料，其裝料順序為碳C-鐵Fe-鉻Cr-鎳 Ni-硅Si-錳Mn-鋁Al -釔Y，在出爐前5分鐘內(nèi)將混合稀土一次加入鋼液中充分攪拌均勻，精煉期溫度控制在1500 M40°C，精煉時間40分鐘，出鋼溫度1520 1560 ；
3).電渣精煉，精煉期溫度控制在1520 1580 ,熔煉電壓45-50V， 熔煉電流2500-3000A ；
4)鍛造，鍛造溫度IISOciC-QOOciC,開鍛溫度1150°C，采用天然氣加熱；
5 )熱軋盤條將鍛造后的方棒進行熱軋盤條，熱軋溫度IlSOtlC -900°C,開軋溫度 1170°C，終軋溫度為900 ;
6)退火，退火溫度950 - 1050 ,退火保溫2小時；
7)漂洗將熱軋盤條、退火后的坯件進行酸洗-水洗，其酸液按重量份配比為 HNO3 HF H2O=L 5 0. 8 100，酸液溫度為40-60 ，酸浸時間為10-15分鐘。8)將漂洗后的盤條掛灰烘干多道次進行拉拔一退火一拉拔，得到高電阻電熱合金材料成品。所述的拉拔采用單車慢速(速度10米/分鐘)進行，其線速度為8-lOm/mint， 例如根據(jù)用戶需求，拉拔道次為19道次，Φ8. 0*—7. 2—6. 5*—6. 0—5. 5—5. 0*—4. 5— 4. 0*—3. 5—3. 0*—2. 5—2. 2—2. 0-1. 8-Φ1. 6*—1. 4-1. 2-1. 0-0. 9-0. 8*
“*”為中間退火道次。所述的退火，采用光亮熱處理退火，退火溫度為950 -1050°C。以上實施例所設計、制備的高電阻電熱合金材料已經(jīng)有關部門對其成分、綜合力學性能進行了檢測、試驗，檢測報告如下
一.機械工業(yè)材料質(zhì)量檢測中心化學成分分析
樣品名稱Cr20Ni80Y (本發(fā)明)； 樣品特征塊樣檢測依據(jù)和 / 判定依據(jù)IS04938-1988GB/T223. 11-2008
檢測數(shù)據(jù)/結(jié)果。
7
C 0. 024%Cr :22. 30%Mn 0. 17% S 0. 001% P < 0. 002% Ni 75. 1% Si 1. 36% Fe :0. 39% Al :0. 20%
Y 0. 38%
二.江蘇省不銹鋼制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心力學性能
樣品名稱Cr20Ni80Y (本發(fā)明)
規(guī)格型號Cr20Ni80Y (本發(fā)明)，直徑為8. O-IOmm的合金熱軋盤條
樣品狀態(tài)符合檢驗要求；
CMT5305 (0. 5級)微機控制電子萬能試驗機；
檢驗依據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》。檢驗結(jié)果見表1
依據(jù)國標要求GBT1234-1995高電阻電熱合金，直徑為8. O-IOmm的合金熱軋盤條斷后伸長率不小于20%。本發(fā)明Cr20M80Y經(jīng)有關部門檢驗其力學性能均符合或超過國標，抗拉強度為700-840 Mpa,屈服強度為360_380Mpa，伸長率在40%左右，斷面收縮率在65%左右ο三.江蘇省不銹鋼制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心彎曲試驗
樣品名稱Cr20Ni80Y (本發(fā)明)
規(guī)格型號Cr20Ni80Y (本發(fā)明)，直徑為0. 8mm的合金盤條。樣品數(shù)量每爐2根樣品狀態(tài)符合檢驗要求。檢驗依據(jù)GB T 1234-1995，依據(jù)國標要求GB T 1234-1995高電阻電熱合金，直徑或厚度大于0. 8mm的冷軋帶材應作彎曲試驗，其彎曲處不得出現(xiàn)分層及裂紋。檢驗結(jié)果無分層及裂紋現(xiàn)象，其塑性及可加工性能良好。四.江蘇省不銹鋼制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心快速壽命測試
樣品名稱Cr20Ni80Y (本發(fā)明)
規(guī)格型號Cr20Ni80Y (本發(fā)明)，直徑為0. 8mm的合金絲。樣品數(shù)量每爐2根樣品狀態(tài)符合檢驗要求。檢驗依據(jù)GB T 1234-1995高電阻電熱合金壽命測試。將直徑為0. 8mm的絲材試樣呈形掛在電熱合金壽命試驗儀上，實驗溫度為1200°C，按規(guī)定條件進行aiiin通電、2min 斷電(其二者之差應不大于3s)受冷熱循環(huán)累計小時數(shù)為試樣的快速壽命。檢驗設備壽命試驗儀檢驗結(jié)果及與Cr20Ni80比較見表2
通過以上的實施例及力學性能檢測，本發(fā)明所設計的高電阻電熱合金材料與現(xiàn)有電熱合金相比，該材料價格低、組分設計合理、制造工藝簡單、成本低，
其抗拉強度可達800MPa，屈服強度可達360 MPa,伸長率A為40%，電阻率為1.09/μ Ω ·πι，快速壽命值，h高達190以上。在IlOOtlC高溫下長期工作具有高強度與耐腐蝕能力，其高溫應力強度穩(wěn)定，其使用壽命是Cr20Ni80合金的2倍以上，與Cr20Ni80 相比具有更優(yōu)良的抗氧化性能，是一種熱膨脹系數(shù)小、高溫強度好、使用壽命長、高電阻率的電熱合金材料。
權利要求
1.一種高電阻電熱合金材料，其特征在于，該電熱合金材料按重量百分比計算，所含成分如下C 0. 02-0. 08% ；Si 0. 75-1. 6% ；Mn 0. 1-0. 5% ；P:彡 0.02%;S 彡 0.015%;Cr 20-23% ；Al 0. 1-0. 5% ；Y 0. 2-0. 8% ；Fe 0. 2-1. 0% ；余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高電阻電熱合金材料，其特征在于，該合金材料中其原料 Si、Mn、Cr、Ni、Y、Al、Fe 的純度大于 98. 5%。
3.—種如權利要求1所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法，包括熔煉、鍛造、盤條、退火、漂洗、模具拉拔等步驟，具體步驟如下1)按高電阻電熱合金材料所含成分的重量百分比計算進行原料配制 C 0. 02-0. 08% ；Si 0. 75-1. 6% ；Mn 0. 1-0. 5% ； P:彡 0.02%; S 彡 0.015%; Cr 20-23% ； Al 0. 1-0. 5% ； Y 0. 2-0. 8% ； Fe 0. 2-1. 0% ； 余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)；2)將按前述配制的原料裝入真空精煉爐中冶煉，精煉期溫度控制在1500 1540°C， 精煉時間40分鐘，出鋼溫度1520 1560 ；3)電渣精煉，精煉期溫度控制在1520 1580 ,熔煉電壓45-50V， 熔煉電流2500-3000A ；4)鍛造，鍛造溫度1180°C-900°C，開鍛溫度1150°C，采用天然氣加熱；5)熱軋盤條將鍛造后的方棒進行熱軋盤條，熱軋溫度IlSOtlC-900°C,開軋溫度 1170°C，終軋溫度為900 ;6)退火，退火溫度950 - 1050 ,退火保溫2小時；7)漂洗將熱軋盤條、退火后的坯件進行酸洗-水洗；8)將漂洗后的盤條掛灰烘干多道次進行拉拔一退火一拉拔，得到高電阻電熱合金材料成品。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，步驟8) 中所述的拉拔采用單車慢速進行，其線速度為8-lOm/mint。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，步驟8) 中所述的退火，采用光亮熱處理退火，退火溫度為950 -ΙΟδΟΤ。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，步驟7) 中所述的漂洗，酸洗步驟中其酸液按重量份配比為HNO3 HF H2O=L 5 0. 8 100，酸液溫度為40-60°C，酸浸時間為10-15分鐘。
7.根據(jù)權利要求3所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，步驟2) 中所述的配制的原料裝入真空精煉爐中冶煉，其裝料順序為碳C-鐵Fe-鉻Cr-鎳Ni-硅 Si-錳Mn-鋁Al -釔Y，在出爐前5分鐘內(nèi)將混合稀土一次加入鋼液中充分攪拌均勻。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種高電阻電熱合金材料的制備方法，其特征在于，所述在出爐前5分鐘內(nèi)將混合稀土一次加入鋼液中，其混合稀土為La、Ce混合稀土，按重量百分比計算，所加入的混合稀土所含成分為0. 1-0. 4%，該混合稀土中，所述La所含成分為35%，Ce所含成分為65%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高電阻電熱合金材料，按重量百分比計算，所含成分如下C0.02-0.08%；Si0.75-1.6%；Mn　0.1-0.5%；P≤0.02%； S≤0.015%；Cr　20-23%；Al0.1-0.5%； Y0.2-0.8%；Fe 0.2-1.0%；余量為Ni及不可避免的雜質(zhì)。該高電阻電熱合金材料的制備方法，包括熔煉、鍛造、盤條、退火、漂洗、模具拉拔等步驟。本發(fā)明與Cr20Ni80相比具有更優(yōu)良的抗氧化性能，是一種熱膨脹系數(shù)小、高溫強度好、加工性能好、使用壽命長、高電阻率的電熱合金材料。
文檔編號C21D1/26GK102206773SQ20111010155
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權日2011年4月22日
發(fā)明者華大鳳, 王樹平 申請人:江蘇新華合金電器有限公司