Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов системы железо-хром-алюминий с высоким электрическим сопротивлением, и может быть использовано для изготовления из них проволоки, применяемой 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 (ГОСТ 10994-74). Фехрали имеют рабочую температуру 1200-1400°С, обладают высокой жаростойкостью и удельным электросопротивлением 1,3-1,45 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.
Известен «Жаростойкий сплав для электронагревательных элементов» (патент RU 2030479, кл. С22С 38/28, С22С 27/00, опубл. 10.03.1995 г.), имеющий следующий химический состав, мас.%: углерод не более 0,02; марганец не более 0,10; сера не более 0,010; фосфор не более 0,10; хром 45,0-60,0; алюминий 7,0-9,0; титан 0,2-0,3; лантан 0,01-0,2; железо - остальное. Однако данный сплав при достаточно высоких показателях удельного сопротивления и высокого срока службы при 1500°С обладает повышенной хрупкостью в процессах технологических нагревов.
Известен сплав на основе железа с высоким омическим сопротивлением, содержащий, мас.%: хром 15,0-30,0; алюминий 3,0-7,0; один из элементов: бериллий, барий, магний 0,001-0,5; остальное железо и случайные примеси (Патент США №3579329 НКИ 75-124, опубл. 1971 г.). Свойства сплава: удельное электросопротивление ρ=1,30-1,40 мкОм⋅м, предел прочности σВ=65-70 кг/мм2, предел текучести σТ=35-45 кг/мм2. Однако этот сплав обладает недостаточной технологической пластичностью и не может быть использован при производстве различных видов проката.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является ферритный сплав на основе железа (ЕР 0387670 A1 - Ferritic-steel alloy, опубл. в 19.09.1990 г.), содержащий, мас.%: хром 20-25; алюминий 5-8, фосфор не более 0,01; магний не более 0,01; марганец не более 0,5 и сера не более 0,005; остальное железо, включая неизбежные примеси, иттрий 0,03-0,08; азот 0,004-0,008; углерод 0,02-0,04; титан 0,035-0,07 и цирконий 0,035-0,07, при условии, что сумма содержаний титана и циркония в 1,75-3,5 раза превышает сумму содержаний углерода и азота. Однако опыт практического использования известного сплава выявил недостатки, а именно недостаточная пластичность сплава и нестабильность механических свойств.
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, прочность, плотность и др.), с учетом формирования физико-механических свойств и экономической целесообразности использования заявленного сплава при производстве проволоки для электронагревателей и электропечей в различных областях промышленности, а также для элементов сопротивления ТЭНов, реостатов и других приборов.
Поставленная задача решается за счет того, что проволока для нагревательных элементов выполнена из предложенного сплава, содержит в мас.%: углерод 0,010-0,040; кремний 0,0005-0,40; марганец 0,0005-0,20; хром 20,0-30,0; алюминий 5,0-7,0; цирконий 0,10-0,20; иттрий 0,10-0,20; железо и примеси - остальное. Содержание в качестве примесей ванадия, вольфрама, молибдена, никеля, титана, меди, ниобия, кобальта, серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка и цинка в сплаве не превышает следующих значений, мас.%: ванадий 0,05; вольфрам 0,05; молибден 0,05; никель 0,05; титан 0,05; медь 0,05; ниобий 0,05; кобальт 0,05; сера 0,010; фосфор 0,020; свинец 0,010; олово 0,010; мышьяк 0,010; цинк 0,010.
Экспериментально установлено оптимальное содержание хрома в пределах 20,0-30,0 мас.%). Хром в заданных пределах обеспечивает коррозионную устойчивость сплава в агрессивных средах и жаростойкость при высоких температурах, являясь основным легирующим элементом сплава. Однако слишком высокое его содержание стабилизирует сигма-фазу, что приводит к снижению пластичности, резко ухудшается горячая деформационная обработка и обработка волочением. Поэтому содержание хрома должно быть ограничено до 30,0 мас.%. При содержании хрома менее 20,0 мас.% снижается прочность проволоки из предлагаемого сплава и уменьшать коррозионная стойкость.
Алюминий в заданных пределах усиливает и стабилизирует жаростойкость и живучесть сплава при эксплуатации электронагревательных элементов в области повышенных температур. Увеличение содержания алюминия выше 7,0 мас.% сопровождается падением технологической пластичности.
Углерод и кремний, как известно, являются вредными примесями в сплавах системы железо-хром-алюминий. Увеличение их содержания приводит к резкому снижению жаростойкости, т.е. к снижению долговечности нагревателей.
Нежелательной примесью в сплаве является и марганец. Наличие в структуре металла карбидов марганца уменьшает пластичность стали, особенно при комнатной температуре. Растворяясь в феррите, марганец повышает прочностные характеристики стали (пределы прочности и текучести), но при этом несколько уменьшается пластичность металла (относительное удлинение и ударная вязкость).
Замена в сплаве титана на цирконий и иттрий позволила повысить высокотемпературную коррозионную стойкость сплава. Благодаря формированию на поверхности защитной оксидной пленки на основе шпинели оксидов циркония и иттрия, которая является более устойчивой, чем просто оксиды хрома, значительно (до 1400°С) увеличилась эксплуатационная температура проволоки из сплава.
Цирконий и иттрий в заданных пределах эффективно стабилизируют сплав в момент его кристаллизации, образуя мелкодисперсные зародыши кристаллизации (нитриды, карбиды, оксиды и сульфиды), тем самым измельчая зерна кристаллизующейся двухфазной структуры из δ-феррита и аустенита, что повышает пластичность сплава при деформации в горячем и холодном состоянии. При содержании их менее 0,10 мас.% вышеупомянутый эффект не будет полностью проявляться. Содержание циркония и иттрия выше 0,20 мас.% приводит к снижению механических свойств.
Допустимые примеси ванадия, вольфрама, молибдена, никеля, титана, меди, ниобия, кобальта, серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка и цинка, по существу, не изменяют структурное состояние и механические свойства сплава.
Выполнение проволоки из предложенного сплава обеспечивает высокий уровень ее свойств, таких как живучесть, высокое удельное электрическое сопротивление, прочность и пластичность. Кроме того, этот материал не содержит остродефицитных и дорогостоящих легирующих добавок.
Пример осуществления
Сплав после выплавки в вакуумных индукционных печах, ковки, горячей и холодной прокатки проволоки с промежуточными, в процессе изготовления, термообработками имеет химический состав и обладает живучестью, электрическими и механическими свойствами согласно таблице 1, 2 и 3, соответственно.
Также, результаты исследований показали, что в случае превышения пределов содержания серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка и меди, оговоренных в п. 2 формулы изобретения, резко снижается горячая пластичность.
Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового технического решения выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы изделий, создаваемых из заявленной проволоки из сплава.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ И ИЗДЕЛИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗ НЕГО | 2022 |
|
RU2787532C1 |
Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, изготовленное из него | 2021 |
|
RU2807233C2 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ | 2011 |
|
RU2448194C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ | 2011 |
|
RU2445398C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ | 2012 |
|
RU2485200C1 |
Жаропрочный сплав | 2019 |
|
RU2700347C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ | 2013 |
|
RU2533072C1 |
ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2022 |
|
RU2804233C1 |
СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ ЖАРОПРОЧНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВОВ | 2008 |
|
RU2373039C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ | 1994 |
|
RU2119968C1 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов высокого электросопротивления системы железо-хром-алюминий и может быть использовано для производства проволоки, предназначенной для изготовления нагревательных элементов промышленных, лабораторных и бытовых электропечей, другого электрооборудования теплового действия, а также элементов сопротивления приборов различного назначения. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,010-0,040, кремний 0,0005-0,40, марганец 0,0005-0,20, хром 20,0-30,0, алюминий 5,0-7,0, цирконий 0,10-0,20, иттрий 0,10-0,20, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сплав содержит, мас.%: ванадий, вольфрам, молибден, никель, титан, медь, ниобий, кобальт в количестве не более 0,05 каждого, серу не более 0,010, фосфор не более 0,020, свинец не более 0,010, олово не более 0,010, мышьяк не более 0,010 и цинк не более 0,010. Проволока из сплава указанного состава имеют требуемый уровень живучести, высокое удельное электросопротивление, пластичность и прочность при отсутствии остродефицитных и дорогостоящих легирующих добавок. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
1. Проволока для нагревательных элементов, выполненная из сплава на основе железа, отличающаяся тем, что сплав на основе железа содержит, мас.%:
2. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве примесей сплав содержит, мас.%: ванадий, вольфрам, молибден, никель, титан, медь, ниобий, кобальт в количестве не более 0,05 каждого, серу не более 0,010, фосфор не более 0,020, свинец не более 0,010, олово не более 0,010, мышьяк не более 0,010, цинк не более 0,010.
УСТРОЙСТВО для ОБОГРЕВА ДРЕНАЖА И ПОДАЧИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ УКОРЕНЕНИИ ЧЕРЕНКОВ | 0 |
|
SU387670A1 |
Ферритный сплав | 2015 |
|
RU2703748C2 |
Сплав на основе железа | 1980 |
|
SU865957A1 |
Секция скребкового конвейера | 1986 |
|
SU1407867A1 |
Авторы
Даты
2023-04-27—Публикация
2022-06-01—Подача