Прецизионный сплав на основе железа для электронагревателей

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам прецизионных сплавов на основе железа, содержащих никель и хром, предназначенных для изготовления электронагревательных элементов. Сплав содержит никель, хром, кремний, алюминий, гадолиний, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель 19,5-22,0, хром 19,0-21,0, кремний 2,0-2,7, алюминий 0,9-1,7, гадолиний более 0,07-0,15, кальций 0,01-0,05, железо остальное. Сплав обладает более высокой технологичной пластичностью, имеет меньшую скорость изменения электросопротивления в процессе работы при 1150°С, что увеличивает срок службы электронагревателей. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам прецизионных сплавов на основе железа, содержащих никель, хром, предназначенных для изготовления электронагревательных элементов.

Известен сплав (а.с. 423876, С22С 38/42, 1972), содержащий, мас.%:

Никель	17-22
Хром	17-20
Кремний	0,35-1,0
Алюминий	3,1-6,0
Церий	0,03
Кальций	0,05-0,2
Марганец	0,35-1,0
Медь	0,4-1,5
Углерод	0,06-0,2
Железо	Остальное.

Наиболее близким является сплав на основе железа для электронагревателей (а.с. 1070202, С22С 38/42, 05.05.82), содержащий, мас.%:

Никель	19,5-22,0
Хром	19,0-21,0
Кремний	2,0-2,7
Алюминий	0,9-1,7
Иттрий	0,02-0,07
Кальций	0,01-0,05
Железо	Остальное.

В качестве примесей сплав содержит, мас.%:

Углерод	не более 0,2
Марганец	не более 0,8
Сера	не более 0,02
Фосфор	не более 0,03.

Недостатками известных сплавов являются быстрое изменение электросопротивления и невысокий срок службы нагревателей при 1150°С.

Задачи изобретения:

1. Создать сплав путем выбора оптимального химического состава.

2. Определить границы концентрации нового вводимого элемента.

3. Оценить влияние вводимого элемента на свойства сплава.

Указанный технический результат достигается тем, что в сплав на основе железа для электронагревателей, содержащий никель, хром, алюминий, кальций, дополнительно введен гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Никель	19,5-22,0
Хром	19,0-21,0
Кремний	2,0-2,7
Алюминий	0,9-1,7
Гадолиний	более 0,07-0,15
Кальций	0,01-0,05
Железо	Остальное

Примеси входят в состав перечисленных компонентов.

Содержание никеля в сплаве в количестве 19-22% повышает жаропрочность, сопротивление хрупкому разрушению, увеличивает пластичность, вязкость. Содержание хрома в сплаве в количестве 19-21% обеспечивает высокие механические свойства: прочность, пластичность, вязкость. Повышает окалиностойкость сплава.

Содержание алюминия в сплаве в количестве 0.9-1.7% обеспечивают равномерное по глубине окисления металла при 1000-1500°С и отсутствие «горячих пятен», что улучшает временную стабильность электросопротивления при высоких температурах.

Содержание кремния в сплаве в количестве 2.0-2.7% обеспечивает образование в окалине прослойки из двуокиси кремния, улучшающей ее защитные свойства. При меньшем его содержании прослойка не образуется. Что приводит к резкому снижению срока службы нагревателей. Содержание кремния более 2.7% приводит к потере технологической пластичности при горячей деформации в результате образования более чем 15% б-ферита.

Содержание гадолиния в сплаве в количестве более 0.07-0.15% улучшает морфологию окалины, приводит в присутствии алюминия к повышению концентрации окислов кремния на границе металл-окалина. Благодаря этому тормозится диффузия кислорода в сплав и обеспечивается длительное постоянство поперечного сечения изготовленного из сплава нагревателя при температурах до 1150°С. Будучи энергичным раскислителем, десульфатором, гадолиний значительно понижает содержание в нем серы. Высокая температура плавления (с выше 2000°С) собственных продуктов раскисления гадалиния способствует упрочнению границ зерен в сплаве, благодаря чему уменьшается красноломкость, а также увеличивается плотность и ударная вязкость в холодном состоянии. В табл.1 представлен химический состав сплавов, а в табл.2 - свойства нагревателей, изготовленных из сплавов указанных составов.

Таблица 1
Сплав	Химический состав, мас.%
Ni	Cr	Si	Al	Gd	Ca	Fe
1	22.0	21.0	2.7	1.7	0.15	0.05	Ост.
2	20.3	20.1	2.5	1.35	0.10	0.032
3	19.5	19.0	2.0	0.9	0.07	0.01

Изготовление сплавов.

Для экспериментальной проверки предлагаемого сплава в индукционных печах ИСТ-006 были проведены плавки предлагаемых сплавов с содержанием элементов на нижнем, среднем и верхнем уровнях и одна плавка известного сплава.

Таблица 2
№ п/п	Удельное электросопротивление, мк Ом·м	Скорость изменения электрического сопротивления, %/ч	Срок службы 3-мм нагревателя, ч	Живучесть при 1175°С, ч	Относительное удлинение, %
20°С	1100°С	1150°С	1150°С
1	0.95	1.31	0.0138	2520	102	42
2	0.90	1.28	0.0101	2150	86	39
3	0.87	1.23	0.0080	1530	65	35

Предлагаемый сплав обладает более высокой технологичной пластичностью, имеет меньшую скорость изменения электросопротивления в процессе работы при 1150°С, что позволяет получить экономический эффект за счет увеличения срока службы электронагревателей.

Гадолиний имеет максимальное удельное электросопротивление (в 2 раза больше, чем у его аналогов из группы РЗМ), высокую удельную теплоемкость, обладает наивысшим сечением захвата тепловых нейтронов (46000 барн у природного изотопа, 150000 барн у гадолиния 157), обеспечивает защиту от наведенной радиации, возникающей из-за высокой концентрации в сплаве никеля, который при облучении инициирует гамма-излучение.

Прецизионный сплав на основе железа для электронагревателей, содержащий никель, хром, кремний, алюминий, гадолиний, кальций и железо, отличающийся тем, что он содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель	19,5-22,0
хром	19,0-21,0
кремний	2,0-2,7
алюминий	0,9-1,7
гадолиний	более 0,07-0,15
кальций	0,01-0,05
железо	остальное.