（材料加工工程专业论文）国内典型电热合金的组织及性能对比研究.pdf

硕士学位论文 摘要 c r 2 0 n i 8 0 、c r 2 0 n i 3 5 等合金作为电热合金，由于其在高温下具有抗氧化、强 度高，长期使用时永久伸长少，且电阻高、电阻温度系数小，因而得到广泛应用。 我国专业生产电热合金的厂家有几十家，但产品质量参差不齐，并且某些厂家在 生产c r 2 0 n i 8 0 和c r 2 0 n i 3 5 的过程中，存在很多影响产品寿命的环节和因素。而 且国内现有的c r 2 0 n i 8 0 和c r 2 0 n i 3 5 产品与进口产品相对比，其寿命远低于国外 产品的寿命。基于上述原因，对比研究国内c r 2 0 n i 8 0 和c r 2 0 n i 3 5 电热合金产品， 从而提出一些改进合金质量和延长合金使用寿命的措施，是具有一定意义的。 本文详细介绍了与c r 2 0 n i 8 0 合金和c r 2 0 n i 3 5 合金有关的基础理论知识及相 关研究报告，在此基础上对来自不同厂家c r 2 0 n i 8 0 合金和c r 2 0 n i 3 5 合金的试样进 行了组织、物理及力学性能的对比，并对影响合金性能的因素进行了深入分析。 结果表明：来自不同厂家c r 2 0 n i 8 0 合金的化学成分、力学性能和电阻率值均 达到国家标准，但试样的晶粒尺寸差别较大。当合金中含铬量较高，夹杂物含量 较高、尺寸较大时，合金的电阻率值较高；合金晶粒越细，合金的室温力学性能 越好；夹杂物含量越高，尺寸越大，合金的快速寿命就越低。各试样中尺寸较大 的夹杂物以碳化物为主，尺寸较小的夹杂物富集a l 、m g 、n 、t i 、f e 等元素。 来自不同厂家生产的c r 2 0 n i 3 5 产品的化学成分、力学性能和电阻率值也达到 了国家标准，试样中夹杂物分布都不均匀。各试样中尺寸较大的夹杂物同样以碳 化物为主，周围尺寸较小的夹杂物富集m g 、n 、t i 、c a 和o 等元素。 无论是c r 2 0 n i 8 0 合金还是c r 2 0 n i 3 5 合金，电子探针分析的结果都表明：试 样中尺寸较大的夹杂物以碳化物为主，这类夹杂物易聚集，且易形成尺寸更大的 夹杂物，因此其对合金的力学性能和抗氧化耐腐蚀性能影响较大。同时在这两类 合金中均发现了t i n 夹杂物的踪影，这种脆性、点状且不变形的夹杂物，会对合 金的疲劳性能产生影响，从而降低材料的疲劳强度和寿命。 同时，本文对c r 2 0 n i 8 0 和c r 2 0 n i 3 5 两种合金进行了对比研究。在两种合金 中，镍元素均作为基体元素出现。铁元素在c r 2 0 n i 8 0 合金中为微量元素，而在 c r 2 0 n i 3 5 合金中则是主要的合金元素。由于c r 2 0 n i 3 5 合金中铁元素含量高，它 的高温强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能受到影响，从而间接的影响到了合金的最 高使用温度。而c r 2 0 n i 8 0 合金的镍元素含量高，因而它的高温力学性能和室温力 学性能均好于c r 2 0 n i 3 5 合金。 关键词：c r 2 0 n ；8 0 合金；c r 2 0 n i 3 5 合金；电阻率：快速寿命；夹杂物 国内典型电热合金的组织及性能对比研究 a b s t r a c t a sn i c k e lb a s e de l e c t r i c a lh e a t i n ga n o y b e c a u s eo ft h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n r e s i s t a n c e ，h i 曲 s t r e n g t h ， l i t t l ep e r m a n e n te l o n g a t i o n ， h i g hr e s i s t a n c ea n ds m a l l t e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n to fr e s i s t a n c e ，c r 2 0 n i 8 0a l l o ya n dc r 2 0 n i 3 5a l i o yw e r ew i d e l y 印p l i e d t h e r ea r et e n so fs p e c i a l i z e dm a n u f a c t u r e ri no u r sc o n t u r ) rw h i c hp r o d u c e e l e c t r i c a lh e a t i n ga l i o y b u tt h eq u a l i t yo fe l e c t r i c a ih e a t i n ga l l o y sa r ed i i i e r e n tf 而m e a c ho t h e r a n dt h e r ea r em a n ys t e p sa n df a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h el i f eo fc r 2 0 n i 8 0 a l l o ya n d c r 2 0 n i 3 5a u o yd u r i n gt h ep r o c e s s c o m p a r i n gw i t hi n l p o r t e dp r o d u c t s ，t h e l o n g e v i t yo fc r 2 0 n i 8 0a n dc r 2 0 n i 3 5p r o d u c e db yd o m e s t i c6 m si ss h o r t e rt h a i lt h a t o fa b o r a d b a s e do nt h e s ef a c t o r s ，w er e s e a r c h e ds o m ek i n d so fc r 2 0 n i 8 0a l l o ya n d c r 2 0 n i 35a l l o yi nc h i n as oa st op u tf o r w a r ds o m em e a s u r e sa b o u ti m p r o v e i n gt h e q u a l i t ya n di n c r e a s e i n go fs e i v i c el i f eo fe l e c t r i c a lh e a t i n ga l l o y i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ct h e o r ya n dc o r r e i a t i o nr e p o r to fc r 2 0 n i 8 0a n dc r 2 0 n i 35 a l l o y w e r ei n t r o d u c e d f u r t h e rm o r e ，t h e m i c r o s t r u c t u r e ，c h e m i c a lc o m p o n e n t s ， e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e ，m e c h a n i c a 】p r o p e n i e sa n dq u i c kl i f eo fc r 2 0 n i 8 0a 1 1 0 ya n d c r 2 0 n i 35a l l o yf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r si nc h i n aw e r ec o m p a r i e d a n dt h e i n n u e n c i n gf a c t o r so fp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec h e m i c a lc o m p o n e n t s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d e l e c t r i c a lr e s i s t a i l c eo ft h es a m p l e so fc r 2 0 n i8 0a l l o y sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s r e a c h e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d b u tt h eg r a i ns i z e so fs a m p l e sa r ed i f l f e r e n tf o me a c h o t h e r t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eh i g h e rt h ec o n t e n to fc ri na l l o y ，t h eh i g h e rt h e e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e ；t h es n l a i l e rt h eg r a i ns i z e si na 玎o y ；t h eb e t t e rt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w h e nt h ec o n t e n ta n dt h es i z eo fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si n c r e a s e d ，t h e a l l o y se l e c t r i c a lr e s i s t a n c ew i l lb ei n c r e a s e da n dt h ea 1 1 0 y sq u i c kl i f ew i l lb er e d u c e d i ns a m p l e s ，l a r g ei n c l u s i o n sa r ed o m i n a t e db yc a r b i d e s ，w h i l ea l ，m g ，n ，t i ，f ee l e m e n t s e t ca r er i c hi ns m a l li n c l u s i o n s t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo ft h e s 锄 1 p l e so fc r 2 0 n i 3 5a l l o y sf r o md i 岱琵e n tm a n u f a c t u r e r s “s or e a c h e d 也en a t i o n a l s t a n d a r d a n dt h ed i s t r i b u t i o no fi n c i u s i o n si sn o n u n i f o m i ns 锄p l e s ，i a r g ei n c i u s i o n s a r ed o m i n a t e db yc a r b i d e s ，w h i l e m g ，n ，t i ，c a ，oe l e m e n t s e t ca r er i c hi ns m a u i n c i u s i o n s n om a t t e rw h e t h e rc r 2 0 n i 8 0a u o yo rc r 2 0 n i 35a l l o y ，e l e c t r o nm i c r o p r o b e a n a 王y s i ss h o w st h a tt h el a r g ei n c l u s i o n sw h i c hg a t h e r e de a s i l ya n d 皴ee a s yt of o m l l i 硕士学位论文 l a r g e ri n c l u s i o n sa r ed o m i n a t e db yc a r b i d e s s oi th a sag r e a te f 艳c to nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fe l e c t r i c a lh e a t i n ga l l o y m e a n w h i l e ，t h et i t a n i u m n i t r i d ew h i c hi sab r i t t l e ，d o ts h a p e da n du n d e f d m a b l ei n c l u s i o nw h i c hw i l lh a v ea e f r e c to nf a t i g u ep r o p e n yo fa l l o y ，s oa st od e c r e a s et h ef a t i g u e st r e n g t ha n dl i f eo f a l l o y s i nt h i sa r t i c a lt h ec r 2 0 n i 8 0 a l l o y a n dc r 2 0 n i 35 a l l o yw e r ec o m p a r a t i v e r e s e a r c h e d a sw ea l lk n o w nt h a tn i c k e le l e m e n tw a su s e da sm a t r i xe l e m e n t si n c r 2 0 n i 8 0a l l o ya n dc r 2 0 n i 35a l l o y i nc r 2 0 n i 8 0a l l o yi r o ne l e m e n tw a su s e da s m i c r o e l e m e n te l e m e n tw h i l eu s e da sm a j o re l e m e mi nc r 2 0 n i 3 5a l l o y b e c a u s et h e c r 2 0 n i 3 5 a l l o yh a sh i 曲c o n t e n to fi r o ne l e m e n t ，i t sh i 曲t e m p e r a t u rs t r e n g t h ， o x i d a t i o n r e s i s t a n c e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm a x i m u m o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s e d t h e h i g ht e m p e r a t u r e m e c h a n i c a lp r 叩e r t i e sa n dr o o m t e m p e r a t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc r 2 0 n i 8 0a l l o yi sb e t t e rt h a nt h a to fc r 2 0 n i 35a l l o y b e c a u s e o fi t sh i g hc o n t e n to fn i c k e le l e m e n t k e yw o r d s ：c r 2 0 n i 8 0a l l o y ；c r 2 0 n i 3 5a 1 1 0 y ；e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e ；q u i c kl i f e ；i n c l u s i o n i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：嘲者馥日期：沙习年石月毕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名蹋表钆 刷醛辄旌堪 日期：沙谚年莎月弘日 醐2 叫年石月够日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着科技不断进步和经济全球化的进展，电气化已深入到世界各个角落，使 得人们对电热合金的需求激增，尤其是环保意识增强，对环保、安全、便捷的电 能用量急剧增加，而电热、电阻、电测、电控、电制动、电信、核电、甚至催化、 燃烧净化等都离不开电热合金材料。在国外，c f 2 0 n i 8 0 、c r 2 0 n i 3 5 等合金作为镍 基电热合金的使用已有近百年历史，由于其在高温下具有抗氧化、强度高，长期 使用时永久伸长很少，而且电阻高、电阻温度系数小，因而得到广泛应用。在 我国，电热合金的生产已有五十多年的历程，随着工业生产的发展，我国已成为电 热合金品种最齐全的国家之一。 1 1 电热合金概述 1 1 1 电热合金基本概念 电热合金是将电能转化为热能的功能性合金材料，它的最高使用温度可达 1 4 0 0 ，在冶金、机械、石化、电气、建筑、军工、家电等领域中用于制造各种 电热元件。目前，电热合金材料已成为一种重要的工程合金材料，在国民经济中 占有重要地位乜3 。由于这种材料性能稳定、对环境介质要求简单而且价格便宜， 易于进行大批量生产。 1 1 2 电热合金的要求 作为电热工程材料，电热合金应当具有以下要求乜1 ： ( 1 ) 电阻率高，以求节省材料。 ( 2 ) 电阻温度系数小，电阻均匀稳定。 ( 3 ) 熔点高，高温下不分解、不蒸发，使用稳定性好。 ( 4 ) 热膨胀系数小，以保证电热元件的体积变化小。 ( 5 ) 高温抗氧化性能良好，从而延长电热元件的使用寿命。 ( 6 ) 化学稳定性好，不与各种气体介质和耐火材料发生化学反应，以免被腐蚀破 坏。 ( 7 ) 高温强度好，不因发生脆性变化而降低使用寿命。 ( 8 ) 冷加工和成型性好，以便于加工制成不同形状的电热元件。 ( 9 ) 安装维修性能好，易于焊接、车削、冷弯等作业，以便于维修。 ( 1 0 ) 生产成本低，价格便宜。 实际上完全满足上述条件的电热合金材料不多，但是最基本的条件如电阻率、 国内典型电热合金的组织及性能对比研究 电阻的均匀性、稳定性、化学稳定性、抗氧化性能、高温强度等应达到一定水平。 1 1 3 电热合金的分类 ( 1 ) 电热合金按化学成分可分为镍铬合金、镍铬铁合金和铁铬铝合金三个系列。 ( 2 ) 按最高使用温度可分为四个等级：超高温级电热合金( 最高使用温度为 1 4 0 0 ) 、高温级电热合金( 最高使用温度为1 3 0 0 ) 、中温级电热合金( 最高使 用温度为1 1 0 0 ) 和低温级电热合金( 使用温度为9 5 0 以下) 。 超高温级和高温级电热合金的化学成分全都属于铁铬铝系；中温级电热合金 的牌号有：镍铬系合金c r 2 0 n i 8 0 、c r 3 0 n i 7 0 ，铁铬铝系合金的o c r 2 0 a 1 3 、o c r 2 3 a 1 5 ， o c r l9 a 1 5 ，o c r 2 1 a 1 6 等；低温级电热合金的牌号有：镍铬铁系中的c r l 5 n i 6 0 ， c r 2 0 n i 3 0 ，c r 2 0 n i 2 5 合金和铁铬铝系合金的1 c r l 3 a 1 4 ，0 c r l 9 a 1 3 等。 ( 3 ) 按合金的炼制方法可分为熔化法炼制的电热合金和粉末冶金法炼制的电热合 金口1 。熔化法是电热合金生产的传统方法，即把原材料在电炉内熔化和精炼之后 浇注成钢锭，经热轧得到盘条( 带坯) 。通过拉丝或冷轧得到成品钢丝或钢带。目 前绝大部分电热合金是使用熔化法生产的。粉末冶金法是一种生产电热合金坯料 的新方法。使用的原材料是铁粉、镍粉、铝粉等金属粉末，按照合金成分的比例 将金属粉末称重后混合，将混合均匀的金属粉末装入耐高压的钢模中，利用等静 压法压制成钢坯生料，经过高温烧结之后得到钢坯。随后用与熔化法相同的工序， 如热轧、拉丝、冷轧等方法生产出成品钢丝和钢带。目前仅瑞典和日本的两家公 司生产出两个牌号超高温铁铬铝合金丝材。 1 1 4 电热合金的特点 镍铬、镍铬铁合金特点为具有奥氏体组织，高温强度高、无高温脆性，由于 它是均匀的丫固溶体组织，电气性能均匀稳定。冷热加工性能良好，可以制成细 丝和薄带。焊接性能优良，维护方便。缺点是电阻率稍低，工作温度仅1 0 0 0 1 1 0 0 ，合金中含有大量的镍、铬，成本较高。另外，合金的化学稳定性差，尤 其在含硫的气氛中使用时会迅速被硫腐蚀而失效，但是它们在电热合金中占有一 定的地位，主要用于制造家用电器的电热元件和震动条件下工作的电热元件。对 高温强度有要求的电热元件必须选用镍铬和镍铬铁合金。 铁铬铝合金中含有大量的铬、铝元素，因而合金具有优良的高温抗氧化性能， 其使用温度可以达到1 4 0 0 ，这一温度远远高于镍铬和镍铬铁合金，由于合金 中含铝量高，使合金具有高的电阻率。高电阻率可以有效的将电能转化为热能， 还可以节省电热材料。其缺点为铁铬铝是铁素体合金，存在常温脆性、4 7 5 脆性 和1 0 0 0 以上的高温脆性。由于高温脆性导致的高温强度低最终导致电热元件的 使用寿命短h 1 。这种合金的可焊性很差，难修复。 2 硕士学位论文 1 1 。5 电热合金的金相组织 电热合金的工艺性质、力学性质和电气性质等都取决于合金的金相组织。了 解合金的金相组织特点，对正确选用电热合金、提高电热合金品质、改进电热合 金的使用寿命都具有重要的意义。 电热合金的金相组织有两种：奥氏体和铁素体。奥氏体合金有镍铬系和镍铬 铁系合金。合金中的碳、锰、镍、氮都是奥氏体稳定元素，硅、铬是铁素体形成 元素。前者含量增多，奥氏体稳定性增加。 铁素体合金有铁铬铝系合金。合金中的铬、铝、硅是铁素体稳定元素，碳、 锰、氮是形成奥氏体的元素。前者含量增多，铁素体稳定性增加。 铁素体合金同奥氏体合金的最大区别是前者在不同温度区间存在脆性变化。 铁素体合金在此区间长期保存后会产生明显的脆化现象，这就给合金的加工、元 件的成形和修理带来了很多困难。 综上所述，镍铬系和镍铬铁系电热合金具有一种稳定的、单一的、均匀的奥 氏体固溶体组织。这种组织使合金具有良好的常温和高温力学性能，均匀的电气 物理性质以及良好的加工工艺性能。以上方面都优于铁铬铝系电热合金。 1 1 6 电热合金的性能 1 1 6 1 电热合金的物理特性 电热合金的物理特性中如电阻率、电阻温度系数、热膨胀系数等都是电热合 金的重要参数。它们一方面是衡量电热合金品质的标志，同时又是设计电热元件 的重要依据侣1 。 ( 1 ) 电阻率 电阻率又称电阻系数或比电阻乜3 。它是表示导体抵抗电流通过特性的物理量。 导体的电阻率同电阻的关系见式( 1 1 ) ： r = p s ( 1 1 ) 式中犬一导体的电阻， 三一导体的长度。 p 一导体的电阻率， s 一导体的横截面积， 电阻率是同合金材料的几何尺寸无关的物理量，它与合金的化学成分、金相 组织、工作温度相关，是计算电热合金材料电阻值的重要数据。 电热合金材料区别于普通导电材料的特点之一，是它对材料的电阻率有一定 的要求。普通导电材料希望电阻率愈小愈好，而电热合金材料必须有足够的电阻 率，以保证制成的电热元件具有高的电热转化效率、紧凑的结构、稳定的电力传 送等。电热合金材料电阻率须具备以下特点： 3 国内典型屯热合金的组织及性能对比研究 电阻率值高：电热合金材料首先应当具有比较高的电阻率。用高电阻率制成 的电热元件其电能转化效率高；电热元件的容积小；节省合金材料；可以实现大 功率快速加热。铁铬铝系合金的电阻率高于镍铬系和镍铬铁系合金。 使用期电阻率保持稳定：电热元件在使用过程中其电阻率应当保持稳定。电 阻率变化越小，元件的电阻变化就小，加热的电功率的变化也小，从而保证了良 好而稳定的加热质量。 电热合金在高温下由于化学成分的变化和沿晶界和晶内析出化合物，会引起 电阻率变化。镍铬系和镍铬铁系合金在高温下金相组织比较稳定，因此长期使用 过程中电阻率是稳定的。相反，铁铬铝系合金电阻率的稳定性就比较差，主要是 合金中含铝量依次减少，造成电阻率变化。 电阻率的均一性好：电阻率的均一性是指每米和每批电热合金线或带材的电 阻率或每米电阻值要均匀，波动范围愈小愈好。电阻率的均一性同合金的冶炼、 铸坯、热处理、盘条单重等诸多因素有关。 镍铬系和镍铬铁系合金的电阻率均一性好于铁铬铝系合金，后者中的铝在冶 炼和铸锭时容易发生偏析，导致合金均一性下降。 电阻率随温度变化值小：电阻率与温度间呈线性关系，这种关系可以用电阻 温度系数来表示。理想的电热合金材料的电阻温度系数的绝对值越小越好。电阻 温度系数越小，升温过程中电阻变化小，电热元件的电阻波动值就小，可以实现 平稳加热。 影响合金电阻率特性的因素包括合金的化学成分及其均匀性、电热元件的工 作温度和产品最终热处理方式等多种因素相关，优质电热合金具有均一的，稳定 的、高的电阻率。 ( 2 ) 电阻温度修正系数 电阻温度修正系数又称电阻率温度修正系数阻1 ，以下式表示： c t _ r t 瓜= p t p ( 1 2 ) 式中c 广温度为t 时的电阻温度修正系数； r t ，l 卜温度为t 和室温时的电阻值，q p t 卜温度为t 和室温时的电阻率p q m 如果已知电热合金材料的c 。和r 时，利用式( 1 3 ) 可以计算出任何温度下 电热合金材料的电阻值r t ( q ) ： = rc t ( 1 3 ) 电热合金的电阻温度修正系数与温度的关系可表示为c 。t 曲线。 ( 3 ) 热膨胀系数 热膨胀系数表示合金材料温度每升高l 时的伸长量【2 】，可用由式( 1 4 ) 表示 l t = l + b t ( 1 4 ) 4 硕士学位论文 式中l r t 时电热合金材料的长度， 卜室温时或2 0 合金材料的长度， t 一合金材料表面温度， 卜合金材料的平均热膨胀系数， 镍铬系合金在加热和冷却时的伸缩量比铁铬铝系合金的要大，镍和铬的含量 对p 值的影响不明显。 1 1 6 2 电热合金的力学性能 电热合金主要的力学性能指标包括室温时的抗拉强度和延伸率、高温时的抗 拉强度、持久强度及蠕变强度阻1 。 ( 1 ) 电热合金的室温力学性能3 电热合金的室温塑性和强度应当适应制造各种形状元件时的复杂形变时不会 发生裂纹或断裂，且在制造过程中易于变形。因此要求合金材料的塑性高，强度 适中。 镍铬系和镍铬铁系电热合金在室温时的金相组织均为奥氏体，具备奥氏体组 织的合金具有高的室温塑性，可以适应复杂的冷弯曲变形，绕制成形状复杂的电 热元件。在进行弯曲时不预热，也不会产生裂纹。这两种电热合金的室温力学性 能随合金成分不同而异。合金的抗拉强度随碳、硅、铬含量的增加而升高。其中 以碳和硅的作用最甚。合金的塑性随含镍量的增加而升高。铁铬铝系合金的塑性 要比镍铬系和镍铬铁系合金的低而强度高。 ( 2 ) 合金的高温力学性能 电热合金的高温力学性能h 8 1 包括：高温短时抗拉强度、高温持久强度、高温 蠕变强度、高温抗弯曲变形等。 电热合金的高温短时抗拉强度取决于合金中铬、镍、铝的含量。但合金的组 织对电热合金的高温短时抗拉强度具有决定性影响。奥氏体比铁素体具有更高的 高温强度。短时抗拉强度只是表示合金在大应力作用下的抵抗变形的能力旧1 。 电热合金的高温持久强度是在规定时间和温度的条件下使试样断裂的应力。 镍铬系合金的持久强度高于铁铬铝合金。 电热合金的高温蠕变强度是在规定的时间内产生规定变形量时，试样承担的 应力值。蠕变强度更接近于电热元件的使用情况。 高温持久强度和高温蠕变强度比较接近于电热元件在高温使用时的应力一应 变关系，因此这两个高温强度指标是设计电热元件时的主要依据。 镍铬系合金的高温蠕变强度高于铁铬铝系合金。铁铬铝合金在高温时由于铁 素体晶粒迅速长大，使合金的蠕变强度急剧下降。因此，在应力条件下工作的电 热元件应当选用镍铬或镍铬铁系电热合金乜1 。 5 国内典型电热合金的组织及性能对比研究 1 1 6 3 电热合金的抗氧化性能 抗氧化性能是表示合金在高温时抵抗氧化气氛腐蚀的能力n 引。它是表征电热 合金最高使用温度和电热元件使用寿命的重要指标。抗氧化性能的高低用合金的 氧化速度表示，氧化速度低，抗氧化性能好，反之抗氧化性能差。合金的抗氧化 速度是指在某一温度时，合金表面的单位面积，在单位时间的平均重量的增减量。 电热合金的氧化速度与其化学成分、使用温度和时间、介质中氧分压等因素有关。 合金的氧化性能越好，电热元件的使用寿命越长n 。因此，降低合金的氧化速度， 改善合金抗氧化性能是提高电热合金品质的途径。 正常使用的电热元件，其表面必须有一层致密均匀的同基体金属结合牢固的 氧化膜，它的存在可以减缓氧原子向金属内部的渗透速度，同时也可以减缓其他 腐蚀气体的渗透速度，从而起到保护作用n 羽。 生产厂家不对电热合金产品进行氧化速度的测定，而改用检测其快速寿命， 以此表征合金的抗氧化性能。 1 1 7 电热合金在国民经济中的作用 电热合金，在世界上，每年产量也不过十多万吨，占特殊钢也只o 5 左右， 却占电性合金的大部分。科技和经济迅速发展，电热合金的应用范围也不断扩大， 主要用来生产电热元件，高、中温电阻元件，应力测量元件和特殊元件等。由 于这类合金的熔点高、电阻率高、电阻温度系数小、高中低温抗氧化性能好，又 能冷加工至很细的各种圆、扁丝钢材，虽然它的产量比不高，但它的作用非同小 可，和国民经济息息相关，尤其是在电气化加信息化时代更离不开这个基础材料， 何况它又显露出应变测控、催化裂解、燃烧净化尾气等许多时代性功能，它的用 途越来越宽广，其价值也越来越不能低估。 1 1 8 电热合金的发展现状与展望 1 国内发展现状 2 0 世纪5 0 6 0 年代是电热合金发展迅猛的年代。7 0 8 0 年代是向外推进联 营合作的年代。9 0 年代是寻找拓宽应用途径的年代。2 1 世纪初的现在是激烈竞争 年代。 我国于2 0 世纪5 0 年代初期开始生产镍铬铁电热合金产品。当时采用感应炉 冶炼工艺。进入2 0 世纪6 0 年代，随着工业生产的发展对电热合金的需求量不断 增长，由于镍、铬资源的缺乏，开始研制铁铬铝系电热合金。经过近四十年的不 断发展与完善，目前已建立了具有我国特点的电热合金体系。现在可以生产镍铬、 镍铬铁、铁铬铝全部牌号的电热合金线材、带材和扁丝。1 9 6 6 年我国电热合金年 产量约为7 0 0 0 吨，2 0 0 6 年产量可以达到1 0 万吨。其中镍铬和镍铬铁合金约占8 。目前我国电热合金的产量居世界第二位n 朝。 6 硕士学位论文 我国生产电热合金的单位有很多，最早生产电热合金的工厂为首钢吉泰安合 金材料有限公司船1 ，是我国目前电热合金的专业生产厂家之一。该厂的年生产能 力为1 万吨；始建于1 9 7 6 年上海树青电工合金有限公司也是我国电热合金的专业 生产厂家之一，年产电热合金约6 0 0 0 t ；江苏常熟电热合金材料厂有限公司，主 要生产扁丝和丝材。年产约1 0 0 0 t ；陕西精密金属有限责任公司，年产电热合金 3 0 0 t ；上海电工合金厂，年产量为1 7 0 0 t 等等。 我国电热合金在产品结构上还需要不断调整。部分企业的部分产品质量已达 到或超过国外同类产品的质量水平。但是非专业生产厂的部分产品质量还有待提 高。 2 国外发展现状 国外生产电热合金数量较大的国家有瑞典、俄罗斯、美国和日本。有些国家 由于镍资源比较丰富其电热合金中镍铬合金的比例占5 0 9 0 。其中瑞典是世 界上电热合金产量最大的国家，其生产主要集中于山特维克特殊钢公司旗下著名 的电热合金生产企业康太尔公司n 4 1 6 1 。瑞典非常致力于研究和发展电热合金，从 电热合金的成分、性能、寿命和使用于不同温度的品种、规格等都较为齐备。 随着科技和经济的迅速发展，电热合金正在呈现向高温方向发展，由圆丝向 扁丝、宽薄带乃至箔片发展，向高纯度、成分均匀性好、高稳定性方向发展，向 多功能、多用途方向发展等的多种发展趋势。 1 2 镍铬系电撇c r 2 0 n i 8 0 c r 2 0 n i 8 0 属于电热合金中的镍铬系合金，它具有镍铬系电热合金所具有的特 点。它的最高使用温度为1 2 0 0 ，属于中温级电热合金。该合金主要含有n i 、c r 两种元素，其化学成分见表1 1 。 表1 1 标准电热合金c r 2 0 n i 8 0 的化学成分m 例 7 国内典型电热合金的组织及性能对比研究 1 2 1c r 2 0 ni8 0 的微观组织 1 2 1 1c r 2 0 n i 8 0 合金金相组织特点 镍铬系电热合金，一般含镍7 0 8 0 ，含铬2 0 3 0 。从镍铬二元系相 图上看，镍铬系c r 2 0 n i 8 0 电热合金组织为铬固溶于镍基体形成的单相奥氏体组 织。这种固溶体从室温到熔化不会发生相变，是一种稳定的固溶体，见图1 1 。其 特点如下： ( 1 ) 合金为固溶体组织，从室温到熔点不存在相变。这个特点就决定了合金各项 性能的稳定。 ( 2 ) 合金的凝固温度区间小，在短时内迅速由液相变为固相。这个特点决定了合 金的成分均匀性好。均一的固溶体保证了各项性能均匀，这一点对合金的电气性 质均匀是非常重要的保证。 ( 3 ) 在镍中溶解大量铬之后，铬使固溶体的点阵常数增大，产生点阵畸变，从而 强化固溶体。这样保证了镍铬系电热合金具有较高的高温强度，在常温时又具有 较高的塑性。 1 2 1 2c r 2 0 ni8 0 合金中的析出相 尽管c r 2 0 n i 8 0 电热合金从室温至高温不发生相变，是单一的奥氏体组织， 但是，它还会出现不同类型的析出相。因为合金中除铬和镍外还含有少量呈非溶 解状态的碳和氮、稀土元素( 加入的) 等。这些元素的存在会形成碳化物、氮化 物和复杂形态的稀土化合物等，从固溶体中析出成为析出相，对合金的某些性能 产生一定的影响。合金中常见的析出相有如下几种： ( 1 ) 碳化物：c r 2 0 n i 8 0 合金中通常含碳0 1 0 o 1 5 ，常温下碳在奥氏体固溶体 中溶解量小于o 0 1 ，因此多余的碳以游离状态存在，能同铬形成碳化铬。这种 碳化物在合金凝固时沿晶界析出，会引起合金塑性下降。大量碳化铬聚集又会成 为裂纹源。但是，碳化铬的存在对提高合金的高温强度是有利的，为此在c r 2 0 n i 8 0 合金中仍含有一定量碳，以不大于0 0 8 为宜。 ( 2 ) 氮化物和复合化合物：氮对c r 2 0 n i 8 0 合金的高温塑性产生不利的影响。氮化 铬同稀土氧硫化物形成一种高硬度的复杂化合物沿晶界析出，造成高温塑性急剧 下降，还会使合金材料表面产生微小裂纹，降低电热元件的寿命。为了消除这种 危害，规定合金合金中含氮量必须小于0 0 3 。 8 是衡三兰三兰嘎蔓鎏主篓彗薹圣鬈荔一参数，它方面 喽雾薅警 ：曼一 急一鬻纛喜麓鞣麓? 要 量 二 芝 好 蓬 岳l 台金元素 图1 2 合金元素对c r 2 洲j 8 d 合金电阻的影日| ：l 【2 1 ( 2 ) 电阻温度系数 曼 c ： 过 、 褥 区 噩j 暑 c ： 互 簪 蛊 日i o 8 o 6 o 4 o 2 一 。 r 一一一一 卜o 。 夕 c 溉 工作温度对电阻率的影响包括两个方面：a ) 对电阻率值的影响，b ) 对电阻率的 稳定性的影响。 工作温度对电阻率值的影响如下式( 1 5 ) ： 肛= p ( 1 + 耐) ( 1 5 ) 式中房- 、温度为t 时合金材料的电阻率， r 一电热元件的表面温度， 口一平均电阻温度系数， 镍铬系电热合金的口值因含铬量改变而改变。铬对c r 2 0 n i 8 0 合金的口值影响 如图1 4 所示，合金元素对c r 2 0 n i 8 0 电热温度系数的影响如图1 5 所示。 了、 2 s 1 0 1 y 、 嘉2 o l o 帕 警”1 l 哩 毋】lo l o 一4 0 5 1 0 。 0 气 p 爨 鼷 越 赠 四 脚 台金元素肱 图1 4 铭对镍洛合金射珏乱髟尉 5 珀蝴甜2 1 图1 5 合金元素对c r 删i 合金创贬戳黪慰蝴付z 】 1 2 2 2c r 2 0 ni8 0 的力学性能 镍铬系c r 2 0 n i 8 0 电热合金室温是均匀的奥氏体组织，具有高的室温塑性，可 以适应复杂的冷弯曲变形，变形时不用预热也不会产生裂纹啪】。合金的抗拉强度 l o 硕士学位论文 和延伸率见表1 4 。c r 2 0 n i 8 0 合金的力学性能随合金成分不同而异，抗拉强度随 碳、硅、铬含量的增加而升高。其中，以碳和硅的作用最大。合金的塑性随含镍 量的增加而提高。合金中加入微量的稀土元素可提高合金的塑性。少量加入铝、 钛会降低合金的塑性，升高强度，不利于改善合金的室温力学性能。 表1 3c r 2 0 n i 8 0 的其它物理性能m 1 合金牌号抗拉强度m p a 不同直径( 厚度) 的延伸率 o 1 2 5 o 5 0 衄0 5 0 1 0 0 衄1 0 0 咖以上 c r 2 0 n i 8 06 5 01 81 82 5 1 2 2 3c r 2 0 n i 8 0 的氧化机理口1 镍铬系合金从5 0 0 开始发生氧化反应，随温度的升高氧化速度增大。合金中 主要元素的氧化反应如下： 在5 0 0 时发生氧化反应，反应式为( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 。 2 n i + 0 2 = 2 n i o( 1 6 ) 4 c r + 3 0 2 = 2 c r 2 0 3( 1 7 ) s i + 0 2 = s i 0 2( 1 。8 ) 在1 0 0 0 时，除了上述反应继续进行外，还进行反应式( 1 9 ) 2 n i o + s i _ s i 0 2 + 2 n i ( 1 9 ) c r 2 0 n i 8 0 合金的氧化反应的产物是c r 2 0 3 和n i o ；当合金中含有一定的硅元 素时，氧化产物中还会含有少量的s i 0 2 ，最终形成一层具有保护性的氧化膜。当 氧化膜破裂后，合金还可以形成内氧化，内氧化即为氧化过程中，氧溶解到合金 相中并在合金内扩散，合金较活泼组元与氧发生反应，在合金内部生成氧化物h 9 5 1 3 。对于c r 2 0 n i 8 0 合金来说，内氧化转变为外氧化，就形成了氧化膜的自愈性能 5 2 】 o 1 2 2 4c r 2 0 ni8 0 的快速寿命 快速寿命就是在比电热元件实际使用更加苛刻的试验条件下进行试验，即温 度高于使用温度、采用周期加载荷等试验，目的使样品快速断裂。快速寿命的测 国内典型电热合金的组织及性能对比研究 定是一种相对比较试验，它使样品经受高温氧化和热疲劳应力的作用，以对比合 金性能的试验方法吩。快速寿命是衡量电热合金质量的重要指标，通常认为，影 响电热合金丝快速寿命的因素主要有：合金丝的表面质量，合金中非金属夹杂物 的数量、颗粒大小和分布等心引。 我国制定了有关于这种合金的快速寿命的标准，c r 2 0 n i 8 0 电热合金的快速寿 命如表1 5 所示。 表1 5c r 2 0 n i 8 0 的快速寿命试验温度及试验值m 1 1 2 3c r 2 0 ni8 0 性能的影响因素 通常认为，影响电热合金性能的因素有夹杂物和表面氧化膜特性乜3 2 们。 合金中存在的少量合金元素对镍铬系电热合金抗氧化性能有一定的影响，在镍 铬系电热合金中提高抗氧化性能的元素为铬和硅，合金中的镍、铁、锰、碳等对 高温氧化性能起不利作用，微量添加镧、铈、钇等稀土元素能改善合金的抗氧化 性能乜7 2 们。其合金元素的具体作用如下： ( 1 ) 铬：铬是提高镍铬系电热合金高温抗氧化性能的关键元素，也可增强合金的 抗热腐蚀的能力d 仉”1 。合金在高温形成的保护性氧化膜主要由c r 2 0 3 组成。当铬 含量达到一定临界浓度时，发生选择性氧化。这种氧化膜致密，附着性也较强， 可保证合金在高温下长期使用。 ( 2 ) 硅：硅在高温氧化后生成s i 0 2 ，分布在氧化膜与基体金属的界面处，s i 0 2 可以阻碍氧原子的渗入，降低合金的氧化速度厶3 朝。 ( 3 ) 稀土元素：在镍铬系合金中加入稀土元素可以显著提高合金的抗氧化性能。 稀土元素可改变氧化膜的成分、组织结构、提高了氧化膜的强度和塑性，增加了 致密性和附着力，从而提高了合金的抗氧化性能，延长了电热元件的使用寿命口“ 弱1 。目前电热合金生产厂家，在生产镍铬电热合金时，都加入稀土元素来提高合 金的抗氧化性。 ( 4 ) 锰和铁：锰会降低合金的抗氧化性能，