Проволока для нагревательных элементов, выполненная из сплава на основе железа Российский патент 2023 года по МПК C22C38/28 

Описание патента на изобретение RU2795033C1

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.

Похожие патенты RU2795033C1

название год авторы номер документа
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ И ИЗДЕЛИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗ НЕГО 2022
  • Шильников Евгений Владимирович
  • Кабанов Илья Викторович
  • Шильников Александр Евгеньевич
  • Троянов Борис Владимирович
  • Сидорина Татьяна Николаевна
RU2787532C1
Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, изготовленное из него 2021
  • Шильников Евгений Владимирович
  • Кабанов Илья Викторович
  • Троянов Борис Владимирович
  • Муруев Станислав Владимирович
  • Степанов Владимир Викторович
RU2807233C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2011
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лях Александр Павлович
  • Ляшков Игорь Иванович
  • Мирзоян Генрих Сергеевич
RU2448194C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2011
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Ляшков Игорь Иванович
  • Лях Александр Павлович
  • Мирзоян Генрих Сергеевич
RU2445398C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2012
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Махлай Сергей Владимирович
  • Третьяков Сергей Александрович
RU2485200C1
Жаропрочный сплав 2019
  • Афанасьев Сергей Васильевич
  • Исмайлов Олег Захидович
  • Пыркин Александр Валерьевич
RU2700347C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ 2013
  • Махлай Сергей Владимирович
  • Афанасьев Сергей Васильевич
RU2533072C1
ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2022
  • Дегтярев Александр Фёдорович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Муханов Евгений Львович
  • Дуб Алексей Владимирович
RU2804233C1
СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ СВАРКИ ЖАРОПРОЧНЫХ ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВОВ 2008
  • Орыщенко Алексей Сергеевич
  • Слепнёв Валентин Николаевич
  • Одинцов Николай Борисович
  • Удовиков Сергей Петрович
  • Уткин Юрий Алексеевич
  • Попов Олег Григорьевич
RU2373039C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 1994
  • Уткин Юрий Алексеевич
  • Одинцов Николай Борисович
  • Белов Владимир Петрович
  • Микерин Борис Ильич
  • Шишлов Дмитрий Николаевич
  • Уткин Игорь Алексеевич
  • Смирнов Владимир Алексеевич
  • Винокуров Владимир Филиппович
  • Перетягин Юрий Васильевич
  • Барский Вадим Ильич
RU2119968C1

Реферат патента 2023 года Проволока для нагревательных элементов, выполненная из сплава на основе железа

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.

Формула изобретения RU 2 795 033 C1

1. Проволока для нагревательных элементов, выполненная из сплава на основе железа, отличающаяся тем, что сплав на основе железа 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

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2795033C1

УСТРОЙСТВО для ОБОГРЕВА ДРЕНАЖА И ПОДАЧИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ УКОРЕНЕНИИ ЧЕРЕНКОВ 0
  • М. Н. Шенко Б. С. Ермаков
SU387670A1
Ферритный сплав 2015
  • Раве, Фернандо
  • Сакалош, Петер
  • Йонсон, Бо
  • Эйенстам, Йеспер
  • Хелльстрем Селин, Сусанне
RU2703748C2
Сплав на основе железа 1980
  • Чиркин Вадим Михайлович
  • Гранаткин Юрий Александрович
  • Разуваев Евгений Иванович
  • Земнухов Иван Федорович
  • Смирнов Михаил Григорьевич
  • Жуков Лев Лукич
  • Племянникова Ирина Михайловна
  • Жучин Валентин Никифорович
  • Баркая Дамира Сергеевна
  • Мехед Григорий Нестерович
  • Николаев Борис Дмитриевич
SU865957A1
Секция скребкового конвейера 1986
  • Трибунский Иван Михайлович
  • Олейник Виталий Сергеевич
  • Виноградова Надежда Владимировна
SU1407867A1

RU 2 795 033 C1

Авторы

Шильников Евгений Владимирович

Кабанов Илья Викторович

Шильников Александр Евгеньевич

Троянов Борис Владимирович

Муруев Станислав Владимирович

Даты

2023-04-27Публикация

2022-06-01Подача