ЖАРОСТОЙКИЙ СПЛАВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1995 года по МПК C22C38/28 C22C27/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаростойким сплавам с высоким электрическим сопротивлением на основе хрома, железа, алюминия и титана. Сплав предназначен для использования в качестве электронагревателей с рабочей температурой 1500^оС.

В настоящее время для нагревателей с рабочей температурой выше 1400^оС применяются интерметаллиды, например, на основе дисилицида молибдена (до 1800^оС) и карбида кремния (1450^оС).

Недостатками интерметаллидов являются ограниченность формы и большой температурный коэффициент электросопротивления. В процессе эксплуатации нагревателей электросопротивление меняется в разной степени, из-за чего между ними нарастает перепад температур и в печном пространстве создается неоднородное температурное поле. Керамические нагреватели пригодны для термообработки изделий и материалов, свойства которых в малой степени зависят от температурного режима. Перечисленные недостатки не свойственны металлическим материалам для нагревателей.

Металлические материалы для электронагревательных элементов с рабочей температурой выше 1400^оС в настоящее время не применяются.

В табл.1 даны химические составы Fe-Cr-Al-сплавов типа Х23Ю5Т.

Известные сплавы предназначены для электронагревательных элементов, работоспособных в окислительной атмосфере до 1400^оС, однако они не могут быть использованы в качестве нагревателей на более высокую температуру из-за низкой температуры плавления (1450^оС).

Техническим результатом изобретения является повышение предельной рабочей температуры жаростойкого сплава, обладающего высоким электрическим сопротивлением, низким температурным коэффициентом сопротивления, технологической пластичностью в температурном интервале 600-1300^оС.

Это достигается тем, что в сплаве повышается содержание хрома и алюминия, а также в составе сплава присутствует лантан (или церий), который вводится в сплав в виде мишметалла, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Cr 45,0-60,0; Al 7,0-9,0; Ti 0,2-0,3; La 0,01-0,2; Fe - остальное.

В сплаве допускается наличие примесей не более, мас.%: С - 0,02; Mn - 0,1; S - 0,01; P - 0,1, которые в указанных пределах не влияют на достижение указанного технического результата.

Увеличение содержания хрома в сплаве необходимо для повышения температуры плавления материала. Fe-Cr-Al-сплавы, содержащие 45,0-60,0 % хрома, имеют температуру плавления выше 1500^оС, что позволяет использовать их в качестве электронагревателей с высокой рабочей температурой.

Содержание алюминия в сплаве, в основном, определяет срок службы нагревателей, так как известно, что жаростойкость Fe-Cr-Al-сплавов обеспечивается защитными свойствами окиси алюминия, которая образуется при высокотемпературном окислении. Материал работоспособен до тех пор, пока алюминий способен образовывать окалину Al₂O₃. В течение окисления сплав обедняется алюминием, причем при 1500^оС этот процесс будет проходить очень быстро. Чем больше алюминия в сплаве, тем больше будет срок службы нагревателей.

Присутствие лантана в сплаве необходимо по двум причинам. Во-первых, лантан значительно повышает пластичность сплавов на основе хрома, во-вторых, его наличие в сплаве положительно сказывается на процессе окисления. При окислении окислы лантана, располагаясь на границе металл-окалина, выполняют роль диффузионного барьера и препятствуют проникновению элементов, принимающих участие в окислении в верхних слоях окалины.

С целью нейтрализации вредного воздействия углерода в сплав вводится титан, который является эффективным карбидообразующим элементом.

В табл.2 приведены варианты осуществления изобретения.

Опытные плавки выплавлялись в вакуумной индукционной 50 килограммовой печи, далее слитки прессовались на заготовки диаметром 40-32 мм и после обточки заготовок подвергались дальнейшему прессованию или газовой экструзии на проволоку диаметром 5,5-3 мм. Из проволоки изготавливались зигзагообразные или спиральные нагреватели, которые испытывались до перегорания при 1500^оС. Содержание элементов выше указанных значений не обеспечивает пластичность металла и не позволяет деформировать металл (см.пример 5 в табл.2). Содержание элементов ниже указанных значений не дает возможность получить требуемые свойства (см.примеры 6-9 в табл.2).

Сплав указанного состава можно использовать в прецизионных печах диффузионного отжига изделий электронной промышленности, а также в большой группе печей для спекания и термической обработки изделий из керамики и металлокерамики. По данным проведенных исследований сплав имеет предельную рабочую температуру в окислительной атмосфере 1500^оС, что на 100^оС выше, чем у прототипов, высокий срок службы при 1500^оС, более высокое удельное сопротивление, чем у прототипов.

Сплав содержит хром, алюминий, железо, титан и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Cr - 45,0 60,0; Al - 7,0 9,0; Ti - 0,2 0,3; La - 0,01 0,2; Fe- остальное. В сплаве допускается наличие примесей не более, мас.%: C - 0,02; Mn - 0,1; S - 0,01; P - 0,1. Сплав указанного состава можно использовать в прецизионных печах диффузионного отжига изделий электронной промышленности, а также в большой группе печей для спекания и термической обработки изделий из керамики и металлокерамики. По данным проведенных исследований сплав имеет предельную рабочую температуру в окислительной атмосфере 1500°С высокий срок службы при 1500°С и более высокое удельное сопротивление, чем у прототипов. 2 табл.

ЖАРОСТОЙКИЙ СПЛАВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащий железо, хром, алюминий, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 45,0 - 60,0
Алюминий - 7,0 - 9,0
Титан - 0,2 - 0,3
Лантан - 0,01 - 0,2
Железо - Остальное