CN115198205A

CN115198205A - 一种电热合金及其制备方法

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Publication number: CN115198205A
Application number: CN202210862349.0A
Authority: CN
Inventors: 周利光; 杜雪锋; 宋晓燕; 马志宏; 米俊
Original assignee: Inner Mongolia Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Inner Mongolia Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-10-18

Abstract

本申请提供一种电热合金及其制备方法，属于合金技术领域。电热合金，其包括：20～40wt％Cr、4～10wt％Al、0.05～0.5wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。Re为稀土元素。本申请的电热合金在Fe‑Cr‑Al系合金的基础上增加稀土元素，稀土元素能够起到细化晶粒的作用，从而显著改善组织遗传性，有利于细化电热合金的铸态下的组织细化，从而提高电热合金的后期的耐磨性、硬度、电阻率和热电性能，甚至有利于提高强韧性和抗氧化性，为延长电热合金的在高温下的使用寿命奠定基础。其中，Cr有利于改善电热合金的强度等力学性能，Fe和Al有利于改善电热合金的电阻率。

Description

一种电热合金及其制备方法

技术领域

本申请涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种电热合金及其制备方法。

背景技术

电热合金是指利用金属的电阻特性制作发热体的电阻合金，其包括Ni-Cr系和Fe-Cr-Al系两类合金，电热合金被广泛用于各种工业电炉、实验室电炉和家用电器的电加热元件。

随着社会进步和制造业发展，机械装备等对电热合金的要求也越来越高，现有的电热合金存在韧性差和高温寿命的问题,其主要原因为铸态合金的晶粒控制不当，其后果不可逆的遗传到后期的合金件组织上，影响整体性能。

发明内容

本申请提供了一种电热合金及其制备方法，其能够细化铸态组织，减少其组织遗传性，从而改善电热合金的韧性，延长电热合金在高温下的使用寿命。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种电热合金，其包括：20～40wt％Cr、4～10wt％Al、0.05～0.5wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

Re为稀土元素。

在上述技术方案中，本申请的电热合金在Fe-Cr-Al系合金的基础上增加稀土元素，稀土元素能够起到细化晶粒的作用，从而显著改善组织遗传性，提高电热合金的后期的耐磨性、硬度、电阻率和热电性能，甚至有利于提高强韧性和抗氧化性，为延长电热合金的在高温下的使用寿命奠定基础。其中，Cr有利于改善电热合金的强度等力学性能，Fe和Al有利于改善电热合金的电阻率。同时，本申请的电热合金中的杂质含量较少。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，上述稀土元素包括La和/或Ce。

在上述示例中，La和/或Ce能够阻碍晶粒长大，从而能够起到细化晶粒的作用。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述电热合金包括：22～38wt％Cr、5～9wt％Al、0.1～0.4wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

可选地，电热合金包括：24～35wt％Cr、6～8wt％Al、0.1～0.3wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

在第二方面，本申请示例提供了一种上述的电热合金的制备方法，其包括：在无氧环境中将原料熔炼得到熔体，熔体浇筑制得电热合金铸件。

原料包括低碳钢、铬铁、纯铝和稀土。

在上述技术方案中，本申请的电热合金的制备方法简便，制得的电热合金结构稳定。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第一种可能的示例中，原料熔炼的温度为1650～2000℃。

在上述示例中，原料的熔融温度为1650～2000℃。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第二种可能的示例中，保持熔体的温度为1600～1700℃进行浇筑。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第三种可能的示例中，在将原料熔炼得到熔体后，将熔体加入到浇包中除渣和除氧，然后浇筑制得电热合金铸件。

在上述示例中，除渣和除氧步骤能够去除溶体中的杂质，从而控制制得的电热合金中的杂质含量。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第四种可能的示例中，浇包的浇口设置有陶瓷泡沫。

在上述示例中，陶瓷泡沫能够过滤浮渣，避免杂质通过浇口进入到铸件模型中成型，从而控制制得的电热合金铸件中的杂质含量。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第五种可能的示例中，铸件采用消失模铸造方法铸造。

在上述示例中，消失模铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，且能适应于铸件的单件生产、成批生产和大量生产。

结合第二方面，在本申请的第二方面的第六种可能的示例中，消失模铸造方法包括利用泡沫板制成铸件模型，在铸件模型的表面涂覆消失模涂料，在砂箱底部放入底砂，将铸件模型置于砂箱中，填砂后抽真空，将熔体浇筑于铸件模型上，待砂箱的温度冷却至5～30℃，制得电热合金铸件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1的电热合金的金相图；

图2为本申请对比例1的电热合金的金相图；

图3为本申请实施例1和对比例1的耐磨性曲线比较图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明人注意到Fe-Cr-Al合金的韧性较差，特别是在高温下容易断裂，并且在高温下的使用寿命明显下降。

为了缓解Fe-Cr-Al合金韧性差的问题，发明人研究发现，Fe-Cr-Al合金中，Al和Fe有利于增加电热合金的电阻率，Cr有利于提高电热合金的强度和耐磨性，但是Cr和Al都使铁素体晶粒粗大，晶粒粗大将导致电热合金的韧性较差，特别是在高温条件下，铁素体晶粒还会继续长大，更容易发生断裂，从而失去韧性，导致其在高温下容易断裂，并且使用寿命明显下降。

基于以上考虑，为了提高Fe-Cr-Al合金的韧性并延长其在高温下的使用寿命，发明人经过深入研究，想到在Fe-Cr-Al系合金的基础上，增加稀土元素，稀土元素能够起到细化晶粒的作用，从而显著改善组织遗传性，从而提高电热合金的后期的耐磨性、硬度、电阻率和热电性能，甚至有利于提高强韧性和抗氧化性，为延长电热合金的在高温下的使用寿命奠定基础。

以下针对本申请实施例的一种电热合金及其制备方法进行具体说明：

本申请提供一种电热合金，其包括：20～40wt％Cr、4～10wt％Al、0.05～0.5wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

可以理解的是，余量的Fe是指电热合金的质量为100％时，除去Cr、Al、Re、P、S以及其他的杂质含量后，剩余质量百分数即为Fe的含量。

需要说明的是，本申请的电热合金中除了Cr、Al、Re、P、S和Fe外，基本无其他元素，或其他元素的含量在0.01wt％以下，可以忽略不计。

Re为稀土元素。

可选地，稀土元素包括镧(La)和/或铈(Ce)。

La和/或Ce能够阻碍晶粒长大，从而能够起到细化晶粒的作用。

作为示例，稀土元素可以为La或Ce，或La和Ce的混合物。

作为示例，电热合金中Cr的含量可以为20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％、30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％、35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或30wt％；

电热合金中Al的含量可以为4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％；

电热合金中Re的含量可以为0.05wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％或0.5wt％；

电热合金中P的含量可以为0.01wt％、0.02wt％或0.03wt％；

电热合金中S的含量可以为0.01或0.02wt％。

可选地，电热合金包括22～38wt％Cr、5～9wt％Al、0.1～0.4wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

可选地，电热合金包括24～35wt％Cr、6～8wt％Al、0.1～0.3wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

本申请的电热合金是在Fe-Cr-Al系合金的基础上增加稀土元素，稀土元素能够起到细化晶粒的作用，从而显著改善组织遗传性，有利于提高电热合金的韧性、强度、耐磨性和抗氧化性，并且能够延长电热合金的在高温下的使用寿命。其中，Cr有利于改善电热合金的强度等力学性能，Fe和Al有利于改善电热合金的电阻率。同时，本申请的电热合金中的杂质含量较少。

本申请还提供一种上述的电热合金的制备方法，其包括：

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行配料得到原料，在无氧环境中将原料熔炼得到熔体，原料包括低碳钢、铬铁、纯铝和稀土。

由于原料要在高温环境下熔炼，无氧环境能够避免原料在高温环境下被氧化。

可选地，原料在真空感应炉中进行熔炼得到溶体。

可选地，向真空感应炉中通入保护气体。

可选地，保护气体为惰性气体。

可选地，惰性气体包括氦气、氩气和氙气中的任意一种或多种。

可选地，原料熔炼的温度为1650～2000℃。

作为示例，原料熔炼的温度可以为1650℃、1700℃、1750℃、1800℃、1850℃、1900℃、1950℃或2000℃。

低碳钢可以为废钢。

S2、除杂

将溶体转移到浇包中，进行除渣处理和除氧处理。

除氧处理包括向溶体中加入1～3wt％轻石。

除渣处理包括将溶体中的浮渣去除。

可选地，浇包的浇口设置有陶瓷泡沫，陶瓷泡沫用于过滤溶体表面的浮渣，避免杂质通过浇口进入到铸件模型中成型，从而控制电热合金中的其他杂质的含量。

S3、浇筑

将浇包中的熔体浇筑于铸件模型中，冷却后制得电热合金铸件。

可选地，浇筑时熔体的温度为1600～1700℃。

作为示例，浇筑时熔体的温度可以为1600℃、1610℃、1620℃、1630℃、1640℃、1650℃、1660℃、1670℃、1680℃、1690℃或1700℃。

可选地，本申请的电热合金铸件采用消失模铸造方法铸造。

消失模铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，且能适应于铸件的单件生产、成批生产和大量生产。

消失模铸造方法包括：在沙箱底部放入底砂并震动紧实，将铸件模型放入砂箱中，填砂后抽真空，将浇包中的熔体浇筑于铸件模型上，待熔体与铸件模型完全置换，使得砂箱的温度冷却至5～30℃，制得电热合金铸件。

铸件模型通过以下方法制得：

根据铸件的形状，切割泡沫板制得铸型，在铸型的表面涂覆消失模涂料并烘干，制得铸件模型。

其中，消失模涂料能够支撑和保护泡沫铸型，防止在浇筑过程中液态金属中渗入砂子，并吸收泡沫板裂解产物和让裂解气体通过涂层，保持泡沫铸型裂解后形成的型腔气隙的完整，保持液态金属热量不会很快扩散。

可选地，泡沫板的材质为聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)。

可选地，消失模涂料的厚度为1～3mm。

作为示例，消失模涂料的厚度可以为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm。

可选地，抽真空的真空度为0.04～0.06Mpa。

作为示例，抽真空的真空度可以为0.04Mpa、0.05Mpa或0.06Mpa。

冷却后制得的电热合金铸件表面可能存在消失模涂料，此时需要对电热合金铸件的表面进行打磨，以去除电热合金铸件表面的消失模涂料和其他杂质。

本申请的电热合金的制备方法简便，制得的电热合金结构稳定。本申请的电热合金的制备方法通过对电热合金中杂质含量的合理控制，能够显著提高电热合金的耐磨性和强度，使得电热合金不仅具有较好的耐高温性，还容易加工。

以下结合实施例对本申请的电热合金及其制备方法作进一步的详细描述。

实施例1

本申请实施例提供一种电热合金及其制备方法，其包括以下步骤：

1、电热合金

一种电热合金包括：20wt％Cr、4wt％Al、0.05wt％Ce、0.03wt％P、0.02wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁、纯铝和稀土制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1650℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

将熔体转移到浇包中，浇包的浇口设置有陶瓷泡沫，向熔体中加入轻石进行除氧处理。

S3、浇筑

根据铸件的形状，切割聚苯乙烯泡沫板制得铸型，在铸型的表面涂覆厚度为2mm的消失模涂料并烘干，制得铸件模型。

在沙箱底部放入底砂并震动紧实，将铸件模型放入砂箱中，填砂后抽真空，真空度为0.05Mpa，将浇包中的1600～1700℃的熔体浇筑于铸件模型上，待熔体与铸件模型完全置换，使得砂箱的温度冷却至25℃，制得电热合金铸件。

实施例2

1、电热合金

一种电热合金包括：25wt％Cr、5wt％Al、0.1wt％La、0.02wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁、纯铝和稀土制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1700℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

根据铸件的形状，切割聚苯乙烯泡沫板制得铸型，在铸型的表面涂覆厚度为1mm的消失模涂料并烘干，制得铸件模型。

在沙箱底部放入底砂并震动紧实，将铸件模型放入砂箱中，填砂后抽真空，真空度为0.04Mpa，将浇包中的1600～1700℃的熔体浇筑于铸件模型上，待熔体与铸件模型完全置换，使得砂箱的温度冷却至25℃，制得电热合金铸件。

实施例3

1、电热合金

一种电热合金包括：30wt％Cr、7wt％Al、0.2wt％La、0.01wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁、纯铝和稀土制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1800℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

根据铸件的形状，切割聚苯乙烯泡沫板制得铸型，在铸型的表面涂覆厚度为3mm的消失模涂料并烘干，制得铸件模型。

实施例4

1、电热合金

一种电热合金包括：35wt％Cr、8wt％Al、0.3wt％Ce、0.01wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁、纯铝和稀土制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1950℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

实施例5

1、电热合金

一种电热合金包括：40wt％Cr、10wt％Al、0.5wt％La、0.01wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁、纯铝和稀土制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至2000℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

对比例1

本申请对比例提供一种电热合金及其制备方法，其包括以下步骤：

1、电热合金

一种电热合金包括：40wt％Cr、10wt％Al、0.01wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁和纯铝制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1650℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

对比例2

1、电热合金

一种电热合金包括：20wt％Cr、4wt％Al、0.03wt％P、0.02wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁和纯铝制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1700℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

对比例3

1、电热合金

一种电热合金包括：30wt％Cr、7wt％Al、0.01wt％P、0.01wt％S以及余量的Fe。

2、电热合金的制备方法

S1、熔炼

按照设计的电热合金进行称取废钢、铬铁和纯铝制得原料，向真空感应炉中通入氦气，将原料升温至1900℃熔炼得到熔体。

S2、除杂

S3、浇筑

试验例1

分别取实施例1和对比例1制得的电热合金，进行金相组织观测，分别如图1和2所示，金相组织观测采用光学显微镜进行观测。

由图1和图2可知，添加稀土元素对其铸态晶粒有明显的细化效果。

试验例2

分别取实施例1～5和对比例1～3制得的电热合金，检测其常温下的绝对磨损量(g)、硬度(HRC)、电阻率(Ωcm)、温差电动势(μV/k)指标，结果如表1所示，其中实施例1和对比例1制得的电热合金的耐磨性曲线图如图3所示，且表1中的绝对磨损量为800次往复摩擦后的磨损量。

表1实施例1～5和对比例1～3制得的电热合金的性能

由图3可知，本申请实施例1的电热合金在800次往复摩擦中的磨损量均小于对比例1的电热合金在800次往复摩擦中的磨损量。

由表1可知，本申请中的电热合金的耐磨性均比对比例中的耐磨性好，硬度也相对高，充分体现了稀土元素对铸态合金的晶粒细化后的后期效果。同时，电阻率也稳定提高，温差电动势也在一个比较稳定的范围之内，符合电热合金的应用要求。

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种电热合金，其特征在于，所述电热合金包括：20～40wt％Cr、4～10wt％Al、0.05～0.5wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe；

Re为稀土元素。

2.根据权利要求1所述的电热合金，其特征在于，所述稀土元素包括La和/或Ce。

3.根据权利要求1或2所述的电热合金，其特征在于，所述电热合金包括：22～38wt％Cr、5～9wt％Al、0.1～0.4wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe；

可选地，所述电热合金包括：24～35wt％Cr、6～8wt％Al、0.1～0.3wt％Re、0.01～0.03wt％P、0.01～0.02wt％S以及余量的Fe。

4.一种权利要求1～3任一项所述的电热合金的制备方法，其特征在于，所述电热合金的制备方法包括：在无氧环境中将原料熔炼得到熔体，所述熔体浇筑制得电热合金铸件；

所述原料包括低碳钢、铬铁、纯铝和稀土。

5.根据权利要求4所述的电热合金的制备方法，其特征在于，所述原料熔炼的温度为1650～2000℃。

6.根据权利要求4所述的电热合金的制备方法，其特征在于，保持所述熔体的温度为1600～1700℃进行所述浇筑。

7.根据权利要求4所述的电热合金的制备方法，其特征在于，在将所述原料熔炼得到所述熔体后，将所述熔体加入到浇包中除渣和除氧，然后浇筑制得所述电热合金铸件。

8.根据权利要求7所述的电热合金的制备方法，其特征在于，所述浇包的浇口设置有陶瓷泡沫。

9.根据权利要求4所述的电热合金的制备方法，其特征在于，所述铸件采用消失模铸造方法铸造。

10.根据权利要求9所述的电热合金的制备方法，其特征在于，所述消失模铸造方法包括利用泡沫板制成铸件模型，在所述铸件模型的表面涂覆消失模涂料，在砂箱底部放入底砂，将所述铸件模型置于所述砂箱中，填砂后抽真空，将所述熔体浇筑于所述铸件模型上，待所述砂箱的温度冷却至5～30℃，制得所述电热合金铸件。