一种镍铬铁合金及其制备方法

技术领域

本申请涉及合金制备技术领域，尤其涉及一种镍铬铁合金及其制备方法。

背景技术

镍铬铁合金是奥氏体组织的电热合金，主要牌号有：Cr20Ni40、Cr20Ni35、Cr15Ni60等钢种，该产品通过焦耳热的方式实现电能和热能的转换。其高温强度和抗蠕变性能要明显优于与铁铬铝合金，被广泛应用于中温段空气加热器的电热元件。此类元件电热丝裸露悬挂在支撑架内，工作时大量空气从加热丝四周通过，通过空气流动，实现热量传输。

目前，镍铬铁合金在空气加热器高温工作环境下，由于高温氧化和高温蠕变影响材料使用寿命。

发明内容

本申请提供了一种镍铬铁合金及其制备方法，以解决现有在高温环境中镍铬铁合金使用寿命较短的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种镍铬铁合金，所述合金的化学成分包括：

C、Si、S、P、Cr、Ni、Al、Nb、V、RE、Fe；其中，

Al的含量为0.1重量％-0.5重量％；Nb的含量为0.01重量％-0.5重量％；RE的含量为0.01重量％-0.5重量％。

可选的，所述RE包括如下至少一种：La、Ce、Y。

可选的，所述化学成分中，C的含量为0.01重量％-0.05重量％，Si的含量为0.5重量％-3.0重量％，S的含量为≤0.003重量％，P的含量为≤0.020重量％，Cr的含量为19重量％-22重量％，Ni的含量为38重量％-43重量％，V的含量为≤0.2重量％。

第二方面，本申请提供了一种镍铬铁合金的制备方法，用于制备第一方面任意一项实施例所述的镍铬铁合金，所述方法包括：

对炼钢原材料进行冶炼，并控制炉渣CaF

对所述钢水进行浇注，得到合金棒；

对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣RE

可选的，所述CaF

可选的，所述RE

可选的，所述钢水的出钢温度为1620℃-1650℃。

可选的，所述对所述钢水进行浇注，得到合金棒之前，还包括：

向钢包内添加稀土以及底吹氩气，以保证钢水的成分均匀。

可选的，所述对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣RE

在设定温度和设定时间的条件下，对所述镍铬铁合金进行加热；

在设定开轧温度的条件下，对加热后的所述镍铬铁合金进行轧制，得到镍铬铁合金盘条；

所述设定温度为1100℃-1200℃，所述设定时间为90min-400min，所述设定开轧温度为1150℃-1190℃。

可选的，所述在设定开轧温度的条件下，对加热后的所述镍铬铁合金进行轧制，得到镍铬铁合金盘条之后，还包括：

对所述镍铬铁合金盘条进行第一退火，后冷却和清洗；

对清洗后的所述盘条进行拉拔，后进行第二退火，得到成品合金丝；

所述第一退火的温度为950℃-1050℃，所述第二退火的温度为1000℃-1150℃。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该镍铬铁合金，通过加入RE、Nb、Al元素，RE能与合金中的N、O、S等元素形成稀土化合物，有效降低了夹杂物的含量，并使之均匀地弥散地在合金中分布，RE提高了氧化膜的粘附性，能改善氧化膜的致密性，从而提高合金的高温抗氧化性能；Nb具有细化晶粒作用，并提高合金高温持久性能，有利于材料高温蠕变性能；Al有利于提高氧化膜的粘附性，提高合金抗氧化和抗硫化作用，可提高合金抗蠕变性能。解决了现有在高温环境中镍铬铁合金使用寿命较短的技术问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种镍铬铁合金的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

第一方面，本申请提供了一种镍铬铁合金，所述合金的化学成分包括：

C、Si、S、P、Cr、Ni、Al、Nb、V、RE、Fe；其中，

Al的含量为0.1重量％-0.5重量％；Nb的含量为0.01重量％-0.5重量％；RE的含量为0.01重量％-0.5重量％。

控制Al的含量为0.1重量％-0.5重量％的积极效果：提高氧化膜的粘附性，提高合金抗氧化和抗硫化作用，且Al与Ni可生成晶界强化相，可提高合金抗蠕变性能。但加入Al会降低了合金强度和塑性。控制Al的含量为0.1重量％-0.5重量％以不影响合金加工性能。具体地，Al的含量可以为0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％等。

控制Nb的含量为0.01重量％-0.5重量％的积极效果：细化晶粒作用，随着Nb含量的上升，合金晶粒尺寸随之逐渐减小。Nb元素在合金试样的主要分布在晶界。Nb会和杂质C，N反应，析出NbN和NbC，晶界处的碳化铌和氮化铌等析出物会钉扎合金的晶界，抑制镍铬合金晶粒长大，达到细化合金晶粒的作用，同时还提高了合金高温持久性能，有利于材料高温蠕变性能。由于铌较强的奥氏体细化晶粒作用，若Nb的含量过高，在一定程度上会导致材料高温工作中，组织重结晶增加，导致抗蠕变性能恶化。具体地，Nb的含量可以为0.01重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％等。

“RE”表示稀土元素，控制RE的含量为0.01重量％-0.5重量％的积极效果：RE能与合金中的N、O、S等元素形成稀土化合物，有效降低了夹杂物的含量，并使之均匀地弥散地在合金中分布。同时加入稀土元素能抑制合金晶粒长大，使晶粒趋向细化，减少裂纹的发生，提高合金的高温和室温的塑性和强度。稀土还有利于提高了氧化膜的粘附性，能改善氧化膜的致密性，从而提高合金的高温抗氧化性能。若RE的含量过高，在一定程度上不仅不能使抗氧化性能继续提高，还会增加成本；若RE的含量过低，在一定程度上不能起到提高抗氧化性的作用。具体地，RE的含量可以为0.01重量％、0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％等。

在一些实施方式中，所述RE包括如下至少一种：La、Ce、Y。

在一些实施方式中，所述化学成分中，C的含量为0.01重量％-0.05重量％，Si的含量为0.5重量％-3.0重量％，S的含量为≤0.003重量％，P的含量为≤0.020重量％，Cr的含量为19重量％-22重量％，Ni的含量为38重量％-43重量％，V的含量为≤0.2重量％。

控制C的含量为0.01重量％-0.05重量％的积极效果：可与Nb生成纳米级碳化物，钉扎在晶界，提高高温蠕变性能。若C的含量过高，在一定程度上会导致大尺寸的碳化铬形成，加速材料氧化；若C的含量过低，在一定程度上会不利于生成纳米碳化物强化相。具体地，C的含量可以为0.01重量％、0.02重量％、0.03重量％、0.04重量％、0.05重量％等。

控制Si的含量为0.5重量％-3.0重量％的积极效果：Si会与空气反应生成SiO

控制S的含量为≤0.003重量％的积极效果：避免生成硫化物夹杂，降低氧化膜粘附性。若S的含量过高，在一定程度上会导致氧化膜粘附性降低，易脱落，并导致材料抗氧化性下降。具体地，S的含量可以为0.003重量％、0.0025重量％、0.002重量％、0.0015重量％等。

控制P的含量为≤0.020重量％的积极效果：避免磷化物夹杂生成，提高材料加工性能。P的含量过高，在一定程度上会导致材料塑性和韧性降低，影响材料冷加工性能。具体地，P的含量可以为0.020重量％、0.015重量％、0.010重量％等。

控制Cr的含量为19重量％-22重量％的积极效果：提高合金耐蚀性，铬含量20％-50％抗氧化性能达到一个平台期。在铬含量达到20％后，铬的抗硫化作用也进入一个相对稳定状态。当铬含量超过20％后，铬含量对于电阻率的影响趋于平稳，将铬含量控制在20％以上有助于保持合金电阻性能稳定。为了经济的获取良好耐腐蚀、高温抗氧化性和抗硫化性，以提高合金使用寿命。若Cr的含量过高，在一定程度上会导致σ脆性相析出，影响材料韧性；若Cr的含量过低，在一定程度上会导致材料抗腐蚀、抗氧化性能下降。

具体地，Cr的含量可以为19重量％、20重量％、21重量％、22重量％等。

控制Ni的含量为38重量％-43重量％的积极效果：Ni是奥氏体主要形成元素，保证材料在高温到低温一直处于稳定奥氏体组织，降低σ脆性相析出倾向，还能保证材料高温力学性能，提高氧化膜稳定性。若Ni的含量过高，在一定程度上会增加成本；若Ni的含量过低，在一定程度上会影响组织稳定，σ脆性相析出导致加工性能恶化。具体地，Ni的含量可以为38重量％、39重量％、40重量％、41重量％、42重量％、43重量％等。

控制V的含量为≤0.2重量％的积极效果：具有固溶强化作用，也可起到细化奥氏体晶粒的作用，可提高材料高温强度。若V的含量过高，在一定程度上会导致碳化物聚集，导致强度韧性恶化；若V的含量过低，在一定程度上会不能起到细化晶粒、固溶强化的作用。具体地，V的含量可以为0.2重量％、0.15重量％等。

第二方面，本申请提供了一种镍铬铁合金的制备方法，用于制备第一方面任意一项实施例所述的镍铬铁合金，请参见图1，所述方法包括：

S1、对炼钢原材料进行冶炼，并控制炉渣CaF

按照上述化学成分调配钢水，以纯铁、微碳铬铁、电解镍、结晶硅、金属铈、铌铁、钒铁、铝块为原料，采用三相有衬电渣炉或者真空感应炉或者中频感应炉冶炼钢水。控制炉渣用量为100kg-120kg，冶炼过程中采用铝粉脱氧。

S2、对所述钢水进行浇注，得到合金棒；

S3、对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣RE

将上述将上述合金棒作为自耗电极，采用单相电渣重熔炉或者真空自耗熔炉提纯合金棒，获得镍铬铁合金锭。为保证提纯后合金中稀土回收率，在提纯渣中配入RE

在一些实施方式中，所述CaF

控制CaF

在一些实施方式中，所述RE

“RE

在一些实施方式中，所述钢水的出钢温度为1620℃-1650℃。

控制钢水的出钢温度为1620℃-1650℃的积极效果：保证浇注顺利的同时，减少合金烧损。若该出钢温度过高，在一定程度上会加速合金元素氧化烧损。；若该出钢温度过低，在一定程度上会导致浇注过程中钢水凝固，堵塞汤道，影响钢棒质量。具体地，该出钢温度可以为1620℃、1625℃、1630℃、1635℃、1640℃、1645℃、1650℃等。

在一些实施方式中，所述对所述钢水进行浇注，得到合金棒之前，还包括：

向钢包内添加稀土以及底吹氩气，以保证钢水的成分均匀。

该添加稀土的方式为插入法，底吹氩气并搅拌2min-3min。

在一些实施方式中，所述对所述合金棒进行提纯，并控制精炼渣RE

在设定温度和设定时间的条件下，对所述镍铬铁合金进行加热；

在设定开轧温度的条件下，对加热后的所述镍铬铁合金进行轧制，得到镍铬铁合金盘条；

所述设定温度为1100℃-1200℃，所述设定时间为90min-400min，所述设定开轧温度为1150℃-1190℃。

“设定温度”为加热温度，控制加热温度为1100℃-1200℃的积极效果：保证钢锭内外部达到开轧温度。若该温度过高，在一定程度上会导致钢锭表面氧化、组织严重粗化，过热在轧制中开裂；若该温度过低，在一定程度上会使钢锭达不到开轧温度，材料热塑性变差，并导致变形过程中开裂。具体地，该温度可以为1100℃、1120℃、1140℃、1160℃、1180℃、1200℃等。

“设定时间”为加热时间，控制加热时间为90min-400min的积极效果：保证钢锭内外部均匀加热。该时间过长，在一定程度上会使钢锭组织长大，表面氧化；若该时间过短，在一定程度上会导致钢锭内部温度未达到设定温度，轧制时芯部开裂。具体地，该时间可以为90min、200min、30min、4000min等。

设定开轧温度为1150℃-1190℃的积极效果：该温度段热塑性较好，有利于热加工变形。若该开轧温度过高，在一定程度上会导致合金表面氧化、组织严重粗化，轧制开裂；若该开轧温度过低，在一定程度上会导致合金热塑性差，会导致变形过程中开裂。具体地，该开轧温度可以为1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃等。

在一些实施方式中，所述在设定开轧温度的条件下，对加热后的所述镍铬铁合金进行轧制，得到镍铬铁合金盘条之后，还包括：

对所述镍铬铁合金盘条进行第一退火，后冷却和清洗；

对清洗后的所述盘条进行拉拔，后进行第二退火，得到成品合金丝；

所述第一退火的温度为950℃-1050℃，所述第二退火的温度为1000℃-1150℃。

在井式退火炉中进行第一退火，该退火时间为2h-4h。该冷却方式为水冷，盘条冷却后在700℃熔融氢氧化钠中浸泡3min-5min，后用水冲洗；之后用浓度大于180g/L的硫酸浸泡30min-40min，用水冲洗掉表面残留，晾干。清洗方法还可以是：激光清洗、机械打磨去除氧化皮、等离子法去除氧化皮、盘条扒皮、酸洗等化学方法，主要是为了去除盘条表面氧化膜。将清洗后的盘条进行拉拔，形成拉拔冷态成品，成品在气氛保护连续退火炉中进行第二退火处理。

控制第一退火的温度为950℃-1050℃的积极效果：该控制温度范围内为固溶处理，使盘条组织成分均匀，消除加工硬化。若该第一退火的温度过高，在一定程度上会导致盘条组织粗大，表面氧化；若该第一退火的温度过低，在一定程度上会不能起到固溶处理作用。具体地，该第一退火的温度可以为950℃、970℃、990℃、1010℃、1030℃、1050℃等。

控制第二退火的温度为1000℃-1150℃的积极效果：控制在该温度范围内有利于消除加工应力、位错，形成纳米级碳化物，提高成品高温抗蠕变性能。若该第二退火的温度过高，在一定程度上会导致合金内部组织粗大；若该第二退火的温度过低，在一定程度上会导致纳米级碳化物不能正常析出，材料高温蠕变性能变差。具体地，该第二退火的温度可以为1000℃、1030℃、1060℃、1090℃、1120℃、1150℃等。

该镍铬铁合金是基于上述镍铬铁合金的制备方法来实现，该镍铬铁合金的制备方法的具体步骤可参照上述实施例，由于该镍铬铁合金的制备方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

表1镍铬铁合金的化学成分(wt％)，其余为Fe。

表2镍铬铁合金的制备工艺参数。

对上述实施例与对比例中的铁镍铬铁合金进行快速寿命试验，采用0.9MM样品800℃温度测试载荷15N下断裂持久时间，结果如表3所示。

表3铁镍铬铁合金寿命测试结果。

从表3可以看出本申请实施例通过加入Ce、Nb、Al元素，延长了镍铬铁合金高温环境下使用寿命，在1100℃快速寿命实验，快速寿命达到200h以上。提高了材料高温蠕变性能，800℃温度测试载荷15N下断裂持久时间可达到40h以上。本申请实施例选用稀土元素Ce，也可用La、Y等稀土元素，也可以是他们的组合物。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。