Железохромоникелевый сплав и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для выплавки и производства прецизионных железохромоникелевых сплавов в виде проволоки, ленты, сетки и т.д., предназначенных для изготовления нагревательных элементов промышленных, лабораторных и бытовых электропечей, другого электрооборудования теплового действия, а также элементов сопротивления приборов различного назначения. Предложен железохромоникелевый сплав и изделие из него. Сплав содержит, мас%: С не более 0,06; Si 1,0-1,4; Mn 0,05-1,0; Cr 22,0-35,0; Ni 23,0-36,0; Al 1,8-2,5; Zr 0,07-0,09; Мо 0,03-0,09; по крайней мере, один компонент из группы РЗМ 0,02-0,035; Fe остальное. Изделия из железохромоникелевого сплава указанного состава имеют необходимый уровень живучести до температуры 1150°С, высокое удельное электросопротивление, пластичность, прочность. В процессе технологического передела слиток-проволока железохромоникелевый сплав имеет удовлетворительную пластичность. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для выплавки и производства прецизионных железохромоникелевых сплавов с высоким электрическим сопротивлением, изготовления из них различных видов проката (проволоки, ленты, полосы и т.д.), применяемых в качестве нагревательных элементов (в виде спиралей, сеток и т.д.) электропечей и иного электронагревательного оборудования в различных отраслях промышленности, а также элементов электросопротивления приборов различного назначения.

Для сплавов указанного класса важны следующие свойства:

- высокая жаростойкость (окалиностойкость);

- живучесть при повышенных температурах;

- высокое удельное электрическое сопротивление;

- крипоустойчивость (ползучесть) - сохранение формы электронагревателей в процессе нагрева при длительной эксплуатации;

- удовлетворительная пластичность в холодном состоянии.

Известны сплавы с высоким электрическим сопротивлением класса фехрали марок Х15Ю5, Х(23...27)Ю5, Х(23...27)Ю5Т и класса нихромы марок Х20Н80, Х15Н60 (ГОСТ 10994-74).

Дешевые безникелевые фехрали имеют рабочую температуру 1100-1250°С, обладают высокой жаростойкостью и удельным электросопротивлением 1,3-1,47 мкОм·м, но малопластичны и склонны к отпускной хрупкости. Сопротивление ползучести у фехралей невелико, материал из них склонен к провисанию при высоких температурах, а также не выдерживает резких динамических и переменных температурных нагрузок в температурном интервале 400-500°С. Из-за низкой пластичности усложняется производство из них проката и нагревателей. Вышеуказанные недостатки обуславливают применение известных марок фехралей в нагревательном электрооборудовании с простыми формами спиралей и непрерывными режимами эксплуатации при высоких температурах. Плохая свариваемость материала затрудняет ремонт такого оборудования.

Нихромы марок Х20Н80 и Х15Н60, как материалы для нагревательных элементов, применяются практически во всех отраслях промышленности, они пластичны и жаростойки, легко прокатываются на проволоку и ленту. Основным недостатком этих сплавов является то, что они при сравнительно низких удельном электросопротивлении (1,03-1,25 мкОм·мм) и температуре эксплуатации (1050-1100°С - предопределено относительно низкой температурой плавления основной составляющей сплавов - никеля) имеют высокую цену из-за высокого содержания в них никеля (до 77%).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является экономнолегированный по никелю сплав марки ХН20ЮС (ГОСТ 10994-74)состава, мас.%: С≤0,08; Si 2,0-2,7; Mn 0,3-0,8; Cr 19,0-21,0; Ni 19,5-21,5, Ti<0,20; Al 1,0-1,5; по расчету Zr 0,2; Се 0,1; Са 0,1; Fe остальное, имеющий достаточно высокую живучесть при температуре до 1200°С. Однако опыт практического использования известного сплава для нагревательных элементов выявил недостатки, характерные для нагревателей из сплавов типа фехралей, а именно сложность производства из них проката и нагревателей, склонность к провисанию при высоких температурах, ограничение по режимам эксплуатации печей (спираль из известного сплава охрупчивается в процессе нагрева в интервале температур 400-500°С). Кроме того, по сравнению с фехралями изделия из сплава марки ХН20ЮС имеют более низкие значения удельного электросопротивления (0,99-1,07 мкО·м).

В настоящей заявке на изобретение поставлена задача разработать сплав с высоким комплексом технологических свойств (пластичность в холодном состоянии, свариваемость) и эксплуатационных характеристик (живучесть, высокое электрическое сопротивление, крипоустойчивость, прочность, плотность и др.), содержащий оптимальное количество никеля, с учетом формирования физико-механических свойств и экономической целесообразности использования заявленного сплава при производстве электронагревателей и электропечей в различных областях промышленности, а также для элементов сопротивления ТЭНов, реостатов и др. приборов.

Поставленная задача решается тем, что по сравнению с известным заявленный состав сплава дополнительно содержит молибден при следующем соотношении химических элементов, мас.%: С≤О.06; Si 1,0-1,4; Mn 0,05-1,0; Cr 22,0-35,0; Ni 23,0-36,0; Al 1,8-2,5; Zr 0,07-0,09; Мо 0,03-0,09; по крайней мере, один компонент из группы РЗМ 0,02-0,035; Fe остальное. В качестве РЗМ может быть использован мишметалл, содержащий преимущественно церий, лантан и неодим.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый сплав имеет новую композицию легирования на железохромоникелевой основе с дополнительным введением молибдена и микролегированием редкоземельными элементами (РЗМ).

Экспериментально установлено оптимальное содержание хрома в пределах 22,0-35,0%. При содержании хрома более 35% резко ухудшается горячая деформационная обработка и обработка волочением. При содержании хрома менее 22% снижается прочность изделий из предлагаемого сплава. Содержание никеля в пределах 23-36% установлено исходя из требования к соотношению цена-качество при производстве продукции из данного сплава. При заявленном содержании никеля железохромоникелевый сплав обладает хорошей пластичностью, легко обрабатывается прокаткой и волочением, изделия имеют высокую живучесть и удовлетворительное удельное электросопротивление.

Легирование сплава молибденом в количестве 0,03-0,09% стабилизирует крипоустойчивость (т.е. сохранение формы при длительной эксплуатации при высоких температурах), прочность и пластичность изделий.

Введение кремния в количестве 1,0-1,4% в многокомпонентный железохромоникелевый сплав способствует существенному улучшению окалиностойкости (жаростойкости) и живучести за счет образования на поверхности изделия плотного, устойчивого при высоких температурах слоя окислов.

Алюминий в количестве 1,8-2,5% усиливает и стабилизирует жаростойкость и живучесть сплава при эксплуатации электронагревательных элементов в области повышенных температур.

Длительная прочность сплава повышается при малых добавках РЗМ элементов. Экспериментально установлено, что РЗМ в железохромоникелевом сплаве, легированном молибденом, измельчая зерно, одновременно делают структуру границ зерен более совершенной. Конечный эффект влияния РЗМ сказывается на благоприятное формирование пластического течения при ползучести и значительном повышении жаростойкости за счет совершенствования макро- и микроструктуры, химического взаимодействия и образования зернограничных малопроницаемых фаз. В качестве РЗМ можно использовать мишметалл, содержащий преимущественно церий, лантан и неодим.

Пример выполнения.

В лабораторных условиях в основной индукционной 50-килограммовой печи выплавлен базовый сплав с количественным содержанием компонентов заявляемого состава с дополнительным фракционным легированием молибденом, мас.%: 1-0,03; 2-0,06; 3-0,09; 4-0,0 (соответствует химсоставу сплава по прототипу).

Испытание и получение физико-механических свойств сплавов проведено на образцах проволоки диаметром 3 мм с учетом требования ГОСТ 12766.1-90 "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением".

Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл.1 и 2, контроль качества жидкого сплава, слитков, изделий по ходу технологического процесса подтвердили преимущества по достигнутому уровню технологических и эксплуатационных свойств заявленного сплава по сравнению с известным сплавом - составом марки ХН20ЮС. Изделия из нового сплава пластичны, легко прокатываются на проволоку и ленту, удовлетворительно свариваются. При этом по отдельным показателям свойства изделий из заявленного сплава сравнимы с требованиями ГОСТ 12766.1-90, предъявляемыми к изделиям из высоконикелевого сплава типа Х20Н80Н.

В условиях промышленного производства в основной малотоннажной электропечи постоянного тока ДСППТ-1,4 выплавлен материал заявленного состава, мас.%: С≤0,06; Si 1,0-1,4; Mn 0,05-1,0; Cr 22,0-35,0; Ni 23,0-36,0, Al 1,8-2,5; Zr 0,07-0,09; Мо 0,03-0,09; РЗМ 0,02-0,035; Fe остальное, из которого изготовлена проволока для нагревательных элементов по техническим требованиям согласно ГОСТ 12766.1-90 по назначению:

- для нагревательных элементов - Н;

- для трубчатых электронагревателей - ТЭН;

- для элементов сопротивления - С.

По цвету поверхности для сплава Х15Н60: со светлой поверхностью - СВ и с окисленной поверхностью - О.

Из нового сплава изготовлены лента из прецизионных сплавов (ГОСТ 12766.2-90) и лента плющеная (ГОСТ 12766.5-90), сетка (ТУ 14-4-1257-84). Изделия из нового сплава поставлены потребителю и используются в бытовых и промышленных приборах и установках.

Источники информации

1. ГОСТ 10994-74. "Сплавы прецизионные. Марки".

2. ГОСТ 12766.1-90. "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия".

3. ГОСТ 12766.2-90. "Лента из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия".

4. ГОСТ 12766.5-90. "Лента плющеная из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия".

5. ТУ 14-4-1257-84. "Сетка тканая".

Таблица 1 Химический состав сплава
№	Содержание элементов, мас.%
состава	С	Si	Mn	Cr	Ni	Al	Zr	РЗМ	Мо	Fe
1	0,04	1,25	0,6	23,5	35,0	2,1	0,065	0,031	0,03	остальное
2	0,04	1,25	0,6	23,5	35,0	2,1	0,065	0,031	0,06
3	0,04	1,25	0,6	23,5	35,0	2,1	0,065	0,031	0,09
4	0,05	2,3	0,7	20,0	21,0	1,2	0,18	0,09	-
Таблица 2 Физико-механические свойства сплавов
№ состава	Удельное электросопротивление ρ, мкОм·м	Плотность, г/см3	Временное сопротивление разрыву, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Живучесть, час. при температуре 1150°С	Температуропроводность, 10-5·м2/с при температуре 800°С
1	1,15	8,1	810	36	170	0,52
2	1,17	8,3	850	36	179	0,53
3	1,18	8,3	850	35	180	0,56
4	1,02	7,7	780	25	100	0,50

1. Железохромоникелевый сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, алюминий, цирконий, по крайней мере, один компонент из группы РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод Не более	0,06
Кремний	1,0-1,4
Марганец	0,05-1,0
Хром	22,0-35,0
Никель	23,0-36,0
Алюминий	1,8-2,5
Цирконий	0,07-0,09
По крайней мере
один компонент
из группы РЗМ	0,02-0,035
Молибден	0,03-0,09
Железо	Остальное

2. Хромоникелевый сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве группы РЗМ использован мишметалл, содержащий преимущественно церий, лантан и неодим.

3. Изделие, выполненное из хромоникелевого сплава, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.