科技新进展：高性能铁铬铝合金电热材料开发与应用

一、研究背景与问题

随着我国环保排放标准的提高和执法力度加大，催生了很多高性能电热合金的市场需求，原来以煤、油、气作为能源的一些行业改用电加热。陶瓷烧结需要加热温度达到1300℃以上，改成电加热已形成趋势。连续式钢带热处理炉采用燃气加热会产生大量的氮氧化物和二氧化硫，造成环境污染，电加热钢带热处理炉已成为发展趋势。随着不锈钢行业的竞争加剧，钢带的利润率严重下滑，每千克的利润只有几角钱，钢带热处理炉的效率对成本控制就显得十分重要，提升效率的唯一方式就是让炉温升高，速度加快，炉温的升高要求已挑战到铁铬铝电热材料的极限，国内常规材料已无法满足需要。

经过60多年的发展，我国的电热合金无论是产品牌号设计还是生产工艺技术的进步与市场需求相比相对偏慢，与发达国家的材料性能相比还有一定的差距，造成我国一方面大量出口电热合金，另一方面在一些高端需求的领域又在以“天价”采购进口材料。还有一些高功率密度的电热元件，由于受空间所限，需要在狭小的空间里产生很大的加热功率，造成电热元件表面负荷急剧升高，一般电热材料因不能承受这么高的表面负荷而迅速发生变形失效，依赖国外进口的抗蠕变的高温电热材料。

总体上，我国铁铬铝电热合金材料的高端化生产工艺技术缺乏，中低端产品竞争激烈，高性能铁铬铝电热合金依赖进口的局面仍然存在。产业发展面临处于瓶颈期。随着中美贸易摩擦和全球经济下滑、市场竞争的加剧和环保要求的提高，我国一些高端制造业高性能铁铬铝电热材料的市场需求却有增无减，严重依赖进口材料，迫切需要研制国产的高性能电热合金材料。

二、解决问题的思路与技术方案

1、研究思路

本项目以高性能铁铬铝合金开发为目标，整合目前国内生产铁铬铝电热合金丝的限制性条件，针对该行业目前所存在的难点和不足进行攻关，具体的研究思路如下所述。

（1）以研究铁铬铝合金材料不同温度抗氧化能力为目标，研究氧化膜的形成机制和元素扩散机制，表征材料最佳使用温度和使用环境。   

（2）以研究电热合金材料抗高温蠕变性能为目标，研究成分、组织等对蠕变性能的影响，考虑通过冷加工工艺和热处理工艺的改进以提升电热合金材料的高温抗蠕变性能。

（3）以打造元件设计开发能力为目标，研究铁铬铝合金表面辐射规律与氧化膜组分之间的关系，研究热处理装备温度场均一化技术措施。

（4）以提升扩散炉客户使用体验，降低高温线膨胀对炉体使用寿命影响为目标，研究分析铁铬铝电热合金的热膨胀特点，探索降低线膨胀系数的可行措施。

2、技术路线

吉泰安Fe-Cr-Al合金生产目前所采用的工艺路线，如下图1所示。该生产工艺路线中的冶炼设备和工艺较为简便，投入较少，产出较快，成本较低，质量较好。其中三相有衬电渣炉加电渣重熔的双电渣冶炼方式，能够很好的地解决铁铬铝合金熔炼和凝固过程中的偏析、应力开裂和纯净度等问题。

图1 Fe-Cr-Al合金形成工艺路线

三、主要创新性成果

1、高温抗氧化机理研究

在不同温度不同时间下进行氧化实验得到原子百分比浓度随刻蚀时间变化的深度分布图，氧化层的厚度以及成分如图 2所示。可以看出，康泰尔A-1表层均为Al₂O₃，少量Fe₂O₃，中间基本为Al₂O₃，里层基本均为Al₂O₃，少量Fe₂O₃、Cr₂O₃。

图2 A-1金黄氧化膜

由检测结果图 3可以看出，康泰尔金黄氧化膜不同规格，成分以及厚度几乎一致，Al₂O₃含量均较高。

图3 康泰尔金黄物料氧化膜

2 高温抗蠕变机理研究

经测试，在1000℃下8.0mm规格的康泰尔A-1蠕变强度介于HRE和HYZ之间。为了排除不同规格对蠕变强度的影响，如下图4所示对不同规格的HYZ蠕变曲线进行分析。发现同规格（8.0mm）的HYZ蠕变性能与A-1结果相当，相同时间蠕变位移略高于A-1。

图4 HYZ蠕变曲线对比

图5 HRE蠕变曲线对比

由上述图 5可以看出1596批（6.0mm）HRE蠕变性能与A-1结果相当;

3、表面辐射率规律研究

根据辐射波长范围可知，波长越短，辐射的光量子的能量越高。光量子能量E=hv=hc/λ，式中h为普朗克常数，v为频率，c为光速，λ为波长，所以光量子能量与波长成反比。但是辐射强度与波长没有关系，辐射强度定义为每单位波长的辐射在单位面积单位立体角度单位时间内辐射的能量总量。为了进一步分析材料表面辐射能力与光的波长之间的关系，对数据进行进一步分析。

图6 波长与相对辐射强度结果

表1 波长对应相对辐射强度数据

根据波长对应的相对辐射强度数据可知，在750 ℃条件下，六个钢种的辐射热量为0Cr21Al6Nb>APM>SGHYZ>HRE>AF>A-1，能量分辨率为0Cr21Al6Nb>APM>HRE>SGHYZ>AF>A-1。（半高宽，又称为半峰宽，指的是吸收谱带高度最大处高度为一半时谱带的全宽，也即峰值高度一半时的透射峰宽度。常用来表示能量分辨率。）

表2 相对辐射强度数据对应的波长范围

为进一步明确不同钢种所对应的最佳辐射波长，对不同辐射强度所对应的波长范围进行统计，根据统计结果可知，铁铬铝合金材料的最佳辐射波长为2-6μm。

4、热膨胀特性机理研究

日前对合金相的热膨胀特性的相关研究较少。在已有的研究成果基础上，发现合金的热膨胀特性受其组成相溶质元素及含量的影响。一般来说，加入热膨胀系数大于基体的溶质时，合金的热膨胀系数增加；反之，则其热膨胀系数减小。研究发现w(Co+Ni)，w(Co)/w(Ni)，w(Co)/w(Co+Ni)等参数都可以反映出Co、Ni、Fe等几种元素之间的比例关系对膨胀系数的影响，但关于铁铬铝材料成分对膨胀系数的影响没有相关的研究。因此，为验证根据铁铬铝合金的主要成分，使用真空炉冶炼5炉不同Cr、Al含量的合金样品进行热膨胀测试，测试结果如下。

表3 不同Cr、Al成分样品主要成分

由上图 7可知，Al对线膨胀率影响最大，与线膨胀率成正比，随着Al成分增加，线膨胀率升高。Cr对线膨胀率影响较大，与线膨胀率成正比，在Al成分相同的情况下，随着Cr成分增加，线膨胀率升高。在保障其他性能的情况下，适当将Cr、Al成分控制在中下限可以适当降低线膨胀率。

图7 不同成分样品线膨胀率测试结果

四、应用情况与效果

为了得到与康泰尔A-1一样的氧化膜，同时根据之前的实验结果，调整试验温度到，并经过不同氧化时间进行氧化，得到与康泰尔A-1金黄氧化膜一样的成分以及厚度的稳定氧化膜，且制作的金黄氧化膜中的Al203含量是目前连退工艺的3倍。检测结果图8和图9.

图8 0Cr25Al5自制氧化膜成分以及厚度

图9 0Cr25Al5自制氧化膜颜色

图10 各牌号φ6.0mm对比图

由上图10可知，在1000℃的环境温度下，HRE、SGHYZ的高温屈服强度略高于A-1，抵抗外力造成变形的能力略高。相同牌号的产品，直径越大，抗塌陷性能越好。相同规格产品，抗塌陷性能SGHYZ优于HRE优于0Cr21Al6Nb优于A-1。HRE新工艺生产的产品较传统工艺生产的产品抗塌陷性能更好。

信息来源：北京首钢吉泰安新材料有限公司