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第6 2 卷第4 期 2010 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．4 N O V ．20l0 影响C r 2 0 N i 8 0 电热合金使用寿命因素的研究现状 刘天佐1 ，刘娜1 ，沈．婕1 ”，王晓军1 ，夏天东1 1 ．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．金川镍钴研究设计院，兰州7 3 0 1 0 1 摘要综述对C r 2 0 N i 8 0 使用寿命影响因素的研究进展。C r 2 0 N i 8 0 的表面氧化膜是影响其使用寿命的重要因素，氧化膜越 致密，与基体粘结力越强，其使用寿命越长。C r 2 0 N i 8 0 合金中存在的其他元素如氮、氧、碳、硅和稀土等对其力学性能和抗氧化性 能的影响是复杂的。同时也不可忽视环境介质对合金的作用。 关键词金属材料；C r 2 0 N i 8 0 ；综述；电热合金；使用寿命；氧化膜；合金元素 中图分类号T G l 3 2 ．2 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 4 0 0 3 4 0 4 C r 2 0 N i 8 0 是一种重要的电热合金⋯。近年来 随着家用电器和工业用炉的广泛应用，对电热合金 的需求量不断增加。2o 。具有奥氏体组织的 C r 2 0 N i 8 0 以其电阻率均匀稳定、熔点高、热膨胀系 数小、高温抗氧化性能良好“ - 、加工成型性能和焊 接性能良好等优点，成为各国电热合金中一个重要 的牌号。虽然近年来铁一铬．铝系电热合金的发展趋 于完善，但要求高温力学性能尤其是在振动条件下 使用的电热合金只能选择镍铬系电热合金。镍和铬 都是重要的战略物资，在我国，C r 2 0 N i 8 0 占电热合 金总产量的8 ％⋯。因此，为了节省昂贵的镍、铬资 源，提高C r 2 0 N i 8 0 的使用寿命成了材料工作者关注 的焦点之一。 C r 2 0 N i 8 0 合金电热元件一般的工作温度在 9 5 0 0 C 一1 1 0 0 ℃，所以要求C r 2 0 N i 8 0 电热元件具备 良好的高温抗氧化性能和高温力学性能，为保证 C r 2 0 N i 8 0 能够加工成多种形状的电热元件，要求 C r 2 0 N i 8 0 具有良好的室温力学性能。与此同时环 境介质对电热合金的作用也是不可忽略的。了解影 响合金各项性能的因素，才能进一步研究影响使用 寿命的因素。‘ 1C r 2 0 N i 8 0 性能 1 ．1 高温抗氧化性能 收稿日期2 0 0 7 0 8 1 4 基金项目甘肃省科技厅甘肃省科技支撑计划项目 Z G S 0 6 4 一A 5 2 ． 0 3 6 - 0 4 作者简介刘天佐 1 9 5 1 一 ，男，甘肃天水市人，教授级高工，主要 从事电热合金等方面的研究。 高温抗氧化性能是表示合金在高温时抵抗氧化 气氛腐蚀的能力H ] 。它是关系电热合金最高使用 温度和电热元件使用寿命的重要指标。抗氧化性能 的好坏用合金的氧化速率来表示，合金的氧化速率 低表示合金的抗氧化性能较好。在一般情况下，用 测定合金的快速寿命值3 来衡量合金的抗氧化性 能，即快速寿命值越高合金的抗氧化性能越好。 用户在使用电热合金元件前都要对电热元件进 行预氧化处理，目的是使元件的表面形成一层均匀 致密的同基体金属结合牢固的氧化膜∞。。致密的 氧化膜可以阻碍氧原子向基体金属内部的扩散，也 可以阻碍其他腐蚀气体向基体金属内部扩散，从而 起到保护作用M3 。电热合金的氧化过程可分为三 个阶段⋯，如图1 所示。O A 为氧化膜形成阶段，在 此阶段合金表面迅速被氧化，此间氧化速率最快。 A B 为氧化膜稳定阶段，在此阶段合金的氧化速率很 慢，和加热时间基本呈线性关系。B C 为氧化膜破坏 阶段，在此阶段氧化膜会出现裂纹，最终导致氧化膜 的破坏。 加热时问- 图l电热合金高温氧化示意‘1 1 F i g ．1O x y g e n a t i o ns c h e m eo fe l e c t r i c r e s i s t a n c e a l l o yi nh i g ht e m p e r a t u r e ．●毯覃f草球 万方数据 第4 期刘天佐等影响C r 2 0 N i 8 0 电热合金使用寿命因素的研究现状 3 5 C r 2 0 N i 8 0 合金中的N i 和c r 等元素从5 0 0 ℃时 开始发生氧化反应，其氧化速率随温度的升高而增 大。当温度升高的9 0 0 0 C 以上时，合金中的N i O 可 以同C r O ，形成尖晶石型复合化合物N i C r 0 。，氧化 膜变得疏松易脱落，失去了保护作用。 1 ．2 C r 2 0 N i S 0 的高温力学性能 电热合金的高温力学性能包括高温短时抗拉强 度、高温持久强度、高温蠕变强度和高温抗弯曲变形 等。高温短时抗拉强度只是表示合金在大应力作用 下的抵抗变形的特点，不能反映电热元件在实际使 用过程中的应力．应变关系，所以只是设计电热元件 时的参考指标。高温持久强度和高温蠕变强度比较 接近电热元件在高温使用时的应力．应变关系。高 温持久强度是在规定的时间和温度条件下使试样断 裂的应力值卜- 。高温蠕变强度是在规定的时间内 产生规定的变形量时，试样承担的应力值，蠕变强度 更接近电热元件的实际使用情况。这两个高温强度 指标是设计电热元件时的主要依据。C r 2 0 N i 8 0 是 奥氏体组织，具有较好的高温力学性能。 由此可见，电热元件的高温持久抗拉强度和高 温蠕变强度越好，元件在高温时的使用时间就越长， 元件在服役时变形量越小，其使用寿命也是越长。 1 ．3 C r 2 0 N i 8 0 的室温力学性能 电热合金在使用时根据用户的要求制成不同的 形状，要求电热合金具有良好的室温力学性能，尤其 是室温塑性。以保证合金的成品率和加工性能。 奥氏体C r 2 0 N i 8 0 具有优良的室温塑性，可以在 不预热的情况下，进行复杂的形变，加工成复杂形状 的电热元件。 2影响C r 2 0 N i 8 0 性能的因素 2 ．1 影响C r 2 0 N i S 0 抗氧化性能的因素 周文辉⋯研究指出，合金丝的表面质量，合金 中非金属夹杂物的数量、颗粒大小及分布，合金晶粒 长大的趋势等都是影响合金快速寿命的因素。而其 中最主要的是合金表面氧化膜的特性。 C r 2 0 N i 8 0 合金中存在的少量的合金元素对其 抗氧化性能有一定的影响。在镍．铬系电热合金中， C r 和S i 元素能够提高合金的抗氧化性能，而N i ， F e ，M n ，C 等元素则对合金的高温抗氧化性能起不 利的影响。当稀土元素L a ，c e ，Y 等在合金中的残 存量达到一个适当值时，能显著提高合金的高温抗 氧化性能1 。合金元素的具体作用有所不同。 1 铬的作用。在C r 2 0 N i 8 0 合金中，c r 元素对其高温 抗氧化性能起主要的作用p 。。因为C r 能在 C r 2 0 N i 8 0 电热元件表面形成一层致密的C r ，0 ， 膜一。，此种氧化膜与基体金属之间有很强的附着 力，是一种保护性的氧化膜，它能够阻碍氧和其他腐 蚀性气体向金属基体扩散’10 | 。因此，能保证电热元 件在较高的温度下长期使用。 2 硅的作用。s i 在 高温下的氧化产物是S i O ，这种氧化产物主要分布 在金属基体与氧化膜的界面处，阻碍氧的扩散。同 时S i O 也可进入氧化膜以弥补C r 0 ，产生的缺陷， 提高了氧化膜的致密性。硅既可以提高合金的高温 抗氧化性能，且同时提高镍基合金的塑性⋯1 。 3 稀土元素的作用。合金中加入稀土元素后，可显著 提高其抗氧化性能。稀土元素可以改善合金的氧化 膜特性‘1 “。稀土元素与氧、氮、硫等元素结合，减少 合金中非金属夹杂物的数量、细化夹杂物颗粒、使夹 杂物呈弥散状分布。稀土元素能够抑制合金晶粒长 大，细化合金的晶粒，提高合金的塑性。稀元素加 强了表面氧化膜与基体的结合力⋯，抑制裂纹的产 生，从而提高了合金的高温抗氧化性能。1 3 ] 。 总之，合金表面的氧化膜特性对电热元件的使 用寿命起主要的作用，氧化膜越致密，与基体金属之 间的结合力越强，电热元件在高温下使用寿命就越 长。一旦氧化膜遭到破坏，氧气和其他腐蚀性气体 就会渗入基体，电热元件很快就会因氧化而失效。 2 ．2 影响C r 2 0 N i 8 0 高温力学性能和室温力学性 能的因素 由图2 所示N i ．C r 二元相图可知⋯，C r 2 0 N i 8 0 在其使用温度范围起均匀的奥氏体组织，从室温到 高温不发生相变，合金中除了镍铬外，还有少量游离 态的碳、氮、氧等元素，由于杂质元素的存在，合金中 不能避免的会形成一些夹杂物。这些元素会与镍铬 和其他杂质元素形成非金属夹杂物，从而影响合金 的高温和室温的力学性能。 1 氮的影响。氮在合 金中以原子态存在，当合金中含有A I 和T i 时，氮会 同它们形成A 1 N 和T i N 等化合物。在晶界上析出， 导致晶界硬化“。当氮的含量超过一定值时，会同 合金中的氧、稀土元素形成稀土氮氧化物“。氮对 合金力学性能的危害主要是氮化物，特别是稀土氮 氧化物，它会聚集在晶界，形成裂纹源，对合金的高 温塑性产生不利的影响。 2 氧的影响。氧在合金 中以两种状态存在，一种是以氧化物状态存在的结 合氧，另一种是溶解在基体中以原子状态存在。在 C r 2 0 N i 8 0 合金中，氧主要以非金属夹杂物的形式存 在。破坏了合金的连续性“，是疲劳裂纹的萌生地 万方数据 有 色金属第6 2 卷 及扩展通道，影响合金的高温持久强度和高温蠕变 强度Ⅲo 。 3 碳的影响。以游离态存在的碳能与铬 形成碳化铬，这种碳化物在合金凝固时会沿晶界析 出，大量的碳化铬聚集会形成裂纹源，引起合金塑性 的下降。然而，碳化铬可以提高合金的高温强 度8 | ，为此合金中仍有一定量的碳存在。 合金中还有其他有害的杂质元素如铅、锡、锑、 磷、硫等元素。这些元素在镍铬合金中的溶解度很 小，它们能同镍、铬形成低熔点化合物和共晶。当合 金自高温冷却凝固时，这些低熔点化合物和共晶在 晶界上富集析出，导致合金晶界脆化，从而降低了合 金的热加工塑性和热强性“ 1 ，使得合金在锻造开 坯、热轧开坯和热轧过程中产生裂纹，使成品率下 降，使用性能恶化。 1 9 0 0 1 7 0 0 1 5 J o 芝1 3 0 0 魁 赠1 1 0 0 9 【】0 “ o 5 0 1 C Y ／％ 原子 、蒂莎7 1 4 5 5 ‘卜 ／夕， ％‰ _ L L ，。上。，h 』／医4 5 七J ∥ C r ’’‘ 4 7 ．．0 - j 乍1 ．0 1一7 2 ．7 1 、 - ●- 仆m l ／l ’， ， 、 、 l ’I - ；I ，J7 u 1 _ _ 一1 一 r ，7 1 I 、 C r ／％ 质量 图2 镍．铬二元合金相图⋯ F i g ．2 B i l a t e r a lp h a s ec h a r tf o rc h r o m i u m - n i c k e la l l o y 总之，由于这些杂质元素的存在，合金的室温和 高温力学性能受到严重的影响，致使合金的塑性下 降，合金在使用过程中容易断裂和失效，合金的使用 寿命下降。 3 环境介质对C r 2 0 N i 8 0 的作用 电热元件除了在空气中使用外，还会与不同性 质的介质相接触，如N ，H 2 ，N 2 H 2 ，C O ，C 0 2 ，C H 。， S O ，S O ，，S ，C l 以及真空、耐火材料和绝缘材料 等“。在高温下，不同的介质与C r 2 0 N i 8 0 会发生 物理和化学作用，如使电阻率升高、塑性下降、产生 “绿蚀”现象⋯，使氧化膜产生缺陷导致脱落等程度 不同的侵蚀作用，缩短了电热元件的使用寿命。 4结语 C r 2 0 N i 8 0 电热元件大多数是在空气中使用，其 使用寿命主要受制于其高温抗氧化性能，但其力学 性能和环境介质的作用也不可忽视。通过查阅文献 可以得到合金元素对C r 2 0 N i 8 0 某些性能的影响结 果，但目前尚缺乏有关与C r 2 0 N i 8 0 使用寿命的文献 资料。电热合金生产在我国已有5 0 多年的历史，虽 然某些生产企业都以添加稀土元素来提高 C r 2 0 N i 8 0 的使用寿命，但与国外相比，我国电热合 金产品的质量和寿命还有待于提高。相信经过不断 的努力会找出延长C r 2 0 N i 8 0 使用寿命简单有效的 办法。 参考文献 [ 1 ] 王振东，宫元生．电热合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 6 l l o ． [ 2 ] 周文辉．C r 2 0 N i 8 0 电热合金的试制和生产[ J ] ．冶金丛刊，1 9 9 4 ， 1 1 5 1 7 ． [ 3 ] D i n gcH ，Y a n gzM ，Z h a n gHT ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r ea n dt e n s i l es t r e n g t ho fP M 3 0 4c o m p o s i t e J ] ．C o m p o s i t e sP a r tA ，2 0 0 7 ， 3 8 2 3 4 8 3 5 2 ． [ 4 ] 刘瑞堂．工程材料力学性能[ M ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 1 2 4 6 2 4 9 ． [ 5 ] 朱松，孙宏晨，张经纬，等．烤瓷用镍铬合金阳极钝化处理的表面氧化膜研究[ J ] ．华西口腔医学杂志，2 0 0 6 ，2 4 4 3 7 4 3 7 7 ． [ 6 ] M r o w e c aS ，G r z e s i k aZ ，R a j c h e lB ，e ta 1 ．T h ei n f l u e n c eo fa l i o v a l e n ti m p u r i t i e so nt h eo x i d a t i o nk i n e t i c so fn i c k e la th i g h t e m p e r a t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r yo fS o l i d s ，2 0 0 5 ，6 6 1 1 1 5 1 2 0 ． [ 7 ] 周文辉．稀土元素对C r 2 0N i 8 0 寿命的影响[ J ] ．冶金丛刊，1 9 9 4 ， 1 1 0 1 2 ． [ 8 ] W y l i eCM ，S h e l t o nRM ，F l e m i n gGJP ，e ta 1 ．C o r r o s i o no fn i c k e l b a s e dd e n t a lc a s t i n ga l l o y s [ J ] ．D e n t a lM a t e r i a l s ，2 0 0 7 ，2 3 6 7 1 4 7 2 3 ． [ 9 ] 林化春，林晨，丁润刚，等．铬对镍基合金抗高温氧化性能的影响[ J ] ．兵器材料科学与工程，1 9 9 7 ，2 0 5 2 3 2 6 ． [ 1 0 ] 何业东．氧化物薄膜促使镍铬合金高温选择氧化的研究[ J ] ．中国有色金属学报，1 9 9 5 ，5 3 4 8 5 3 ． [ 11 ] N a m k u n gJ ，K i mMC ，P a r kCG ．E f f e c to fS ia d d i t i o no nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fm e l t q u e n c h e dN i F ea l l o ys t r i p [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 7 ，4 4 9 1 4 3 0 4 3 4 ． 万方数据 第4 期刘天佐等影响C r 2 0 N i 8 0 电热合金使用寿命因素的研究现状 3 7 [ 1 2 ] 欧阳志英，毛协民，红梅．R E 对铝合金表面氧化膜保护效果的影响[ J ] ．特种制造及有色合金，2 0 0 6 ，2 6 1 0 6 6 6 6 6 8 ． [ 1 9 ] 王爱荣，杨庆祥， 王飞，侯晶， 王振东，金潮， 胡文豪，金进文， 任学军 朱建平 襄志林 叶俊辉 稀土对高镍铬合金铸铁热疲劳性能的影响[ J ] ．中国稀土学报，1 9 9 6 ，1 4 1 5 2 5 5 ． 镍基高温合金脱氮工艺的研究[ J ] ．真空，2 0 0 5 ，4 2 5 5 3 5 5 ． 等．氮对镍基合金锻造塑性的影响[ J ] ．上海金属，1 9 9 4 ，1 6 2 4 2 4 6 ． 浅谈夹杂物对钢质量的影响及其控制[ J ] ．浙江冶金，2 0 0 3 ， 4 9 一1 3 ． 王国全，韩笑，王飞，等．镍基高温合金脱氧的研究[ J ] ．真空，2 0 0 5 ，4 2 3 4 0 4 2 ． I v a n c h e n k oM ，N e v d a c h aV ，Y a g o d z i n s k y yY ，e ta 1 ．I n t e r n a lf r i c t i o ns t u d i e so fc a r b o na n di t sr e d i s t r i b u t i o nk i n e t i c si nI n c o n e l 6 0 0a n d6 9 0a l l o y su n d e rd y n a m i cs t r a i na g i n gc o n d i t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 6 ，4 4 2 1 ／2 4 5 8 4 6 1 ． K u b i s z t a lJ ，B u d n i o k A ，L a s i aA ．S t u d yo ft h eh y d r o g e ne v o l u t i o nr e a c t i o no nn i c k e l - b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n g sc o n t a i n i n g m o l y b d e n u mp o w d e r [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r g y ，2 0 0 7 ，3 2 9 1 2 1 l 一1 2 1 8 ． A d v a n c e si nR e s e a r c ho nI n f l u e n t i a lF a c t o r so fL o n g e v i t yf o rC r 2 0 N i 8 0 E l e c t r i c - r e s i s t a n c eA l l o y L I UT i a n ．g U 0 1 ，L I U Ⅳ0 1 ，S H E NJ i e l ”，W A N GX i a o - j u n l ，X I AT i a n ．d o n g ‘ 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n - r e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ；2 ．I n s t i t u t ef o rR e s e a r c h i n ga n dD e s i g n i n go f N i c k e la n dC o b a l t ，L a n z h o u7 3 0 1 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea d v a n c e si nr e s e a r c ho ni n f l u e n t i a lf a c t o r so fl o n g e v i t yf o rC r 2 0 N i 8 0e l e c t r i c - r e s i s t a n c ea l l o yi sr e v i e w e d ． T h eo x i d ef i l mo fC r 2 0 N i 8 0i sa ni m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fC r 2 0 N i 8 0 ，t h ec o m p a c t e rt h eo x i d e f i l mi s 。t h el o n g e rt h el o n g e v i t yi s ．T h ei n f l u e n c e so ft h er e s te l e m e n t s ，s u c ha sN ，0 ，C ，S ia n dR Eo no x i d e r e s i s t a n c ea n dm e c h a n i cp e r f o r m a n c e sa r ec o m p l i c a t e d ．T h ei n f l u e n c eo ft h ea l l o yw o r k i n ge n v i r o n m e n tcann o tb e n e g l e c t e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；C r 2 0 N i 8 0 ；r e v i e w ；e l e c t r i c r e s i s t a n c ea l l o y ；l o n g e v i t y ；o x i d a t i o nf i l m ；a l l o y i n g e l e m e n t 万方数据