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百科 | 浅析电热合金材料

2022-07-01 17:33:42 阅读次数:

电热合金是将电能转换成热能的功能性材料,它的最大高工作温度可达1400℃,冶金、机械、石化、电气、建筑、军工、家电等领域中用于制造各种电热元件。目前,电热合金材料已成为一种重要的工程合金材料,在国民经济中占有重要的地位。


国外生产电热合金的研究历史可以追溯到 20世纪初,电热合金自问世以来由于其独特的使用性能而被瑞典、俄罗斯、美国和日本等发达国家广泛生产与使用。 历经百余年的发展, 电热合金的生产应用已较为成熟。 截至目前, 瑞典电热合金的生产体系最为完备,产量最高,产品也最受用户青睐,最著名的即为康泰尔公司(Kanthal), 该公司生产的电热合金产品规格型号齐全、性能优异,可以满足多种场景应用需求。


我国电热合金的研究起步晚,起点低。20 世纪 50~60 年代我国开始采用感应炉工艺制备电热合金。随着经济社会的大发展,电热合金产品需求不断增长,电热合金材料的制备研究得到了国家的大力支持,20世纪80年代我国成功开 发出0Cr21Al6Nb 等高温电热合金产品。经过数十年的发展和完善,我国已建立了较为完备的电热合金生产体系,产品可覆盖镍基和铁基电热合金中线材、带材和扁丝等多种规格型号,产品市场份额不断扩大,实现了产品出口。目前我国电热合金的产量居世界第二位。



01 电热材料的分类








































电热合金是电热功能材料的一种, 按其化学成分主要分为镍基合金铁基合金。镍基合金包含镍铬系和镍铬铁系,为 FCC(face centered cubic)面心立方结构的奥氏体组织,铁基合金主要是铁铬铝系,为 BCC(bodycentered cubic)体心立方结构的铁素体组织。化学成分和微观组织的不同决定了镍基合金和铁基合金有着不同的性能, 也决定了其不同应用场景。


镍基合金具有均匀的电气物理性质、良好的力学性能及优良的加工工艺性能, 但是成本较高且最高使用温度低于铁基合金的。铁基合金成本低、使用温度高,但在不同的温度区间存在脆性变化,而且脆性很难完全消除,通常采用降低合金中碳和氮含量、加入适量稀土元素等方式改善合金塑性。



02  电热合金材料的性能








































电热合金材料的性能要求主要参照相关标准和用户需求。目前,电热合金材料生产参照的主要标准有 GB/T1234JIS C2520ASTM B344ASTM B603DIN 17470[15-19]等。随着经济社会的发展和科学技术的进步,电热合金材料应用越来越广泛,对其性能也提出了更高要求。


  • 电阻率

电阻率是电热合金材料关键物理参数, 是衡量电热合金品质的重要参数。不同合金元素对材料电阻率的影响不同, 通常是通过调整合金元素种类和含量,采用合适的制备加工方式,改善合金材料的微观组织,达到调控电阻率的目的。


王勇等人[20]研究了不同 Al、Fe 元素含量对镍铬合金电阻率的影响规律,在 Al 含量变化范围内(2.7%→4.2%),固溶态电阻率变化为 14.9%(1.14~1.31Ω·m),时效态电阻率变化为 16.3%(1.23~1.43Ω·m), 在 Fe 含量变化范围 内 (1.5%→3.5%), 固溶态电阻率 变化为 1.6%(1.22~1.24Ω·m),时效态电阻率变化为 2.3%(1.29~1.32Ω·m)。


Al 和 Fe 的添加均使合金的电阻率升高,Al 的作用效果更显著。做过实验,电热合金晶粒尺寸对电阻率的影响规律, 结果发现,在一定晶粒尺寸的范围内,Cr20Ni80 和 0Cr25Al5两种合金的电阻率都随着晶粒尺寸减小而增加,并且晶粒较大时, 晶粒尺寸的变化对电阻率影响较明显,0Cr25Al5 合金的电阻率高于 Cr20Ni80 合金的,并且受冷加工的影响小于 Cr20Ni80 合金。



  • 抗氧化性能

抗氧化性能是表示合金在高温时抵抗氧化腐蚀的能力, 电热合金产品通常采用快速寿命试验值来表示其抗氧化性能, 是关系到电热合金产品质量的关键性能指标, 目前国内电热合金产品仍存在使用温度低、电寿命短的问题。由于合金中添加的元素及使用温度不同, 在不同的服役环境下将会产生不同的氧化产物, 合金的抗氧化能力也不尽相同。



  • 其它性能

除了电阻率和抗氧化性能外, 科研人员对电热合金材料的其他性能也做了诸多研究。其研究了添加 La 元素前后 FeCrAl 合金高温下的力学性能表现,整体上比较,添加 La 元素后的合金高温性能优于未添加 La 元素的合金;并制备了表面包覆高温陶瓷涂层的 NiCr20 泡沫电热合金材料,在 1000℃高温氧化 20 h 后涂覆前后样品的氧化增重差距达到 6.3 倍, 这是由于主要成分为 SiO2,BaO 及 Cr2O3 的涂覆涂层与基体结合良好, 对泡沫电热合金基体材料起到了很好的保护作用。


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