一种非晶态合金带材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及电加热材料技术领域，尤其涉及一种非晶态合金带材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着电加热产品的迅速发展与不断普及，电加热产品应用领域越来越广，对电加热材料的性能要求也越来越高。传统的电加热金属材料，如：钨丝、镍铬丝等存在着电热转换效率低、寿命短、防腐性能差，容易出现功率衰减等缺点；其它电热产品，如碳纤维加热产品、石墨烯电热产品等电热转换效率虽然相对比较理想，但均不适合户外高湿度、高腐蚀、具有一定力学冲击的环境下使用。因此，目前市面上缺少一种既具有高电阻率，又能很好地耐腐蚀、耐磨损，抗冲击的电加热材料。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种非晶态合金带材料及其制备方法和应用，所述非晶态合金带材料作为电加热材料具有高电阻率，同时具有良好的耐腐蚀、耐磨损，抗冲击能力。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种非晶态合金带材料，包括以下原子百分含量的元素：fe 20～30％、ni 30～40％、si 15～20％、cr 9～12％、mo 0.7～1.0％、b 6～10％和cu 0.2～1.0％；所述fe、ni、si、cr、mo、b和cu的原子百分含量之和为100％。
6.本发明提供了上述方案所述非晶态合金带材料的制备方法，包括以下步骤：
7.对应非晶态合金带材料的组成，将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到合金钢液；
8.将所述合金钢液通过喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到非晶态合金带材料。
9.优选的，所述熔炼在真空感应熔炼炉中进行。
10.优选的，所述熔炼在惰性气体保护下进行。
11.优选的，所述铜辊旋转的线速度为20～30m/s。
12.优选的，所述喷嘴的嘴缝宽度为0.25mm。
13.优选的，所述精炼的温度为1320℃～1360℃，保温时间为5～15min。
14.本发明提供了上述方案所述非晶态合金带材料或上述方案所述制备方法制备得到的非晶态合金带材料作为电加热材料的应用。
15.本发明提供了一种非晶态合金带材料，包括以下原子百分含量的元素：fe 20～30％、ni 30～40％、si 15～20％、cr 9～12％、mo 0.7～1.0％、b 6～10％和cu 0.2～1.0％；所述fe、ni、si、cr、mo、b和cu的原子百分含量之和为100％。本发明通过添加cr和mo提高材料的耐腐蚀性、硬度(抗磨损)，通过添加si提高材料的电阻率，但由于si的添加会使韧度降低，因此同时需要通过调整ni的含量，改善材料的韧度(抗冲击)，本发明提供的非晶态合金带材料作为电加热材料具有高电阻率，同时具有良好的耐腐蚀、耐磨损，抗冲击能
力。
具体实施方式
16.本发明提供了一种非晶态合金带材料，包括以下原子百分含量的元素：fe 20～30％、ni 30～40％、si 15～20％、cr 9～12％、mo 0.7～1.0％、b 6～10％和cu 0.2～1.0％；所述fe、ni、si、cr、mo、b和cu的原子百分含量之和为100％。
17.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括fe 20～30％，优选为20～26％，更优选为25～26％。在本发明的实施例中，具体分别为20.6％、26.5％或30％。
18.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括ni 30～40％，优选为35～40％，更优选为38～40％。在本发明的实施例中，具体分别为35.3％、40％或30％。
19.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括si 15～20％，优选为16～20％，更优选为19～20％。在本发明的实施例中，具体分别为16％、19.3％或19.5％。
20.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括cr 9～12％，优选为10～12％，更优选为11.5～12％。在本发明的实施例中，具体为11.7％、12％或9.3％。
21.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括mo 0.7～1.0％，优选为0.8～1.0％，更优选为0.85％～1.0％。在本发明的实施例中，具体分别为0.72％、0.85％或1.0％。
22.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括b 6～10％，优选为6～9％，更优选为6～8.5％。在本发明的实施例中，具体分别为6.02％、8.5％或9.8％。
23.以原子百分含量计，本发明提供的非晶态合金带材料包括cu 0.2～1.0％，优选为0.4～1.0％，更优选为0.6～1.0％。在本发明的实施例中，具体分别为1.0％、0.6％或0.23％。
24.在本发明中，所述fe、ni、si、cr、mo、b和cu的原子百分含量之和为100％。
25.本发明提供了上述方案所述非晶态合金带材料的制备方法，包括以下步骤：
26.对应非晶态合金带材料的组成，将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到合金钢液；
27.将所述合金钢液通过喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到非晶态合金带材料。
28.本发明对应非晶态合金带材料的组成，将各制备原料依次进行熔炼和精炼，得到合金钢液。
29.本发明对所述制备原料没有特殊的限定，根据最终非晶态合金带材料的化学组成选择即可。在本发明的实施例中，具体是选择纯铁棒、低铝金属硅、17％的硼铁、纯镍、纯铬、纯钼、电解铜作为制备原料。
30.在本发明中，所述熔炼优选在真空感应熔炼炉中进行，所述熔炼优选在惰性气体保护下进行，更优选在氩气保护下进行，所述氩气的纯度优选为99.999％。
31.在本发明中，所述熔炼优选包括以下步骤：先将一半的fe及cr和mo加入真空感应熔炼炉中进行熔炼，形成中间合金，其目的是为了降低中间合金的熔点，使高熔点材料(fe及cr和mo)在前期先充分熔融且混合得更均匀，熔炼温度为1430～1450℃，保温时间为10min；待完全熔融后，再将剩余的一半fe放入，继续熔炼，熔炼温度为1380～1400℃，保温时间为10min；待上步骤加入的fe完全融化后，再加入ni、cu继续熔炼，熔炼温度为1360～
1380℃，保温时间为5min；最后加入易挥发、烧损大的b、si，进行最后精炼，保温精炼温度为1320～1360℃，保温时间为5～15min。本发明优选每次加料后先预抽真空到规定的真空度要求，然后关闭真空泵，充入惰性气体，在惰性气体气氛保护下进行熔炼和精炼。在本发明中，所述真空度优选为≤5pa。
32.得到合金钢液后，本发明将所述合金钢液通过喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到非晶态合金带材料。
33.在本发明中，所述铜辊旋转的线速度优选为20～30m/s，更优选为22～28m/s，进一步优选为24～26m/s。在本发明中，所述喷嘴的嘴缝宽度优选为0.25mm。本领域技术人员优选根据带材的宽度选择合适的喷嘴长度。
34.在本发明中，所述非晶态合金带材的厚度优选为20～25μm。
35.本发明提供了上述方案所述非晶态合金带材料或上述方案所述制备方法制备得到的非晶态合金带材料作为电加热材料的应用。
36.下面结合实施例对本发明提供的非晶态合金带材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
37.实施例1
38.实施例1所述室内用非晶合金带材，其配方包括：fe、ni、si、cr、mo、b、cu，其中，按原子百分含量计，包括fe 26.5％、ni 35.3％、si 16％、cr 11.7％、mo 1.0％、b 8.5％和cu1.0％。
39.实施例1所述室内用非晶合金带材，其制造工艺如下：
40.1)配比称料：按照各元素的原子百分比换算成质量百分比，再按照质量百分比称料。
41.2)熔炼和精炼：第一步：先将上述原料中的fe(先放入一半)、及cr和mo加入高真空感应熔炼炉中进行冶炼，形成中间合金，冶炼温度1430～1450℃，保温时间为10min；第二步：待完全熔融后，再将剩余的一半fe放入，继续熔炼，冶炼温度1380～1400℃，保温时间为10min；第三步：待上步骤加入的fe完全融化后，再加入ni、cu继续熔炼，冶炼温度1360～1380℃，保温时间5min；第四步：最后加入易挥发，烧损大的b、si，进行最后精炼，保温精炼温度1320～1340℃，保温时间10min。每次加料后先预抽真空到规定的真空度要求，然后关闭真空泵，充入惰性气体，在惰性气体气氛保护下进行上述步骤的熔炼和精炼。所述惰性气体为纯度为99.999％的高纯氩气，真空度为≤5pa。
42.3)制备带材：将经过熔化的钢液，通过嘴缝宽度为0.25mm，嘴缝长度为15mm的喷嘴，喷射在高速旋转(线速度为28m/s)的铜辊上，经过冷却铜辊的快速冷却凝固，获得厚度为25μm左右，宽度为15mm的非晶态合金带材。
43.实施例1所述室内用非晶合金带材，具有以下优点：
①
高电阻率，使其具备良好的导热性能；
②
硬度高，使其具有优异的耐磨性能；
③
断裂韧性好，使其具有优异的抗冲击能力。其相关技术参数测试方法和结果如下：
44.1、用高精度电阻测试仪测试所制备的非晶合金带材的电阻率。截取长度为l的上述非晶合金带材，测量其横截面面积s，利用电阻测试仪测量其电阻r，根据电阻率公式ρ＝rs/l得到非晶合金的电阻率。测量结果表明，本发明的非晶态合金具有优异的电、热性能，具有高的电阻率，电阻率达到157μω
·
cm，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的电阻率水平
(约120μω
·
cm)。
45.2、对所制备的非晶合金带材，参照国标《gb 4334.1-2016-t不锈钢10％草酸浸蚀试验方法》进行耐腐蚀试验，经过试验后的非晶合金带材未出现点蚀、裂纹、气泡、生锈等腐蚀现象，具有优异的防腐性能，能够保证在强腐蚀环境下使用时不会出现腐蚀和功率衰减的现象，使用寿命比现有金属类电加热产品更长。
46.3、对所制备的非晶合金带材进行维氏硬度hv测试，测试结果为780kg/mm2，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的硬度水平(约620kg/mm2)，具有非常优异的耐磨性能。
47.4、对所制备的非晶合金带材，参照gb2038-91《金属材料延性断裂韧度jic试验方法》进行断裂韧度的测试，测试结果为：1733mpa，明显优于304不锈钢材料的韧度(约700mpa)，及普通非晶带材(1k101牌号)的韧度(约1600mpa)，能耐受较大冲击而不会断裂破损。
48.实施例2
49.实施例2所述室外用非晶合金带材，其配方包括：fe、ni、si、cr、mo、b和cu，具体的，fe 20.6％、ni 40％、si 19.93％、cr 12％、mo 0.85％、b 6.02％，cu 0.6％。
50.实施例2所述室外用非晶合金带材，其制造工艺如下：
51.1)配比称料：按照各元素的原子百分比换算成质量百分比，再按照质量百分比称料。
52.2)熔炼和精炼：第一步：先将上述原料中的fe(先放入一半)、及cr和mo加入高真空感应熔炼炉中进行冶炼，形成中间合金，冶炼温度1430～1450℃，保温时间为10min；第二步：待完全熔融后，再将剩余的一半fe放入，继续熔炼，冶炼温度1380～1400℃，保温时间为10min；第三步：待上步骤加入的fe完全融化后，再加入ni、cu继续熔炼，冶炼温度1360～1380℃，保温时间5min；第四步：最后加入易挥发，烧损大的b、si，进行最后精炼，保温精炼温度1320～1340℃，保温时间10min。每次加料后先预抽真空到规定的真空度要求，然后关闭真空泵，充入惰性气体，在惰性气体气氛保护下进行上述步骤的熔炼和精炼。所述惰性气体为纯度为99.999％的高纯氩气，真空度为≤5pa。
53.4)制备带材：将经过熔化的钢液，通过嘴缝宽度为0.25mm，嘴缝长度为25mm的喷嘴，喷射在高速旋转(线速度为26m/s)的铜辊上，经过冷却铜辊的快速冷却凝固，获得厚度为25μm，宽度为25mm的非晶态合金带材。
54.实施例2所述室外用非晶合金带材，具有以下优点：
①
高电阻率，使其具备良好的导热性能；
②
硬度高，使其具有优异的耐磨性能；
③
断裂韧性好，使其具有优异的抗冲击能力；
④
防腐性能优异，使其在室外恶劣环境下下使用时不被腐蚀，使用寿命长。测试方法同实施例1，测试结果如下：
55.1、电阻率为167μω
·
cm，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的电阻率水平(约120μω
·
cm)。
56.2、对所制备的非晶合金带材参照国标《gb 4334.1-2016-t不锈钢10％草酸浸蚀试验方法》进行耐腐蚀试验，经过试验后的非晶合金带材未出现点蚀、裂纹、气泡、生锈等腐蚀现象，具有优异的防腐性能，能够保证在强腐蚀环境下使用时不会出现腐蚀和功率衰减的现象，使用寿命比现有金属类电加热产品更长。
57.3、对所制备的非晶合金带材进行维氏硬度hv测试，测试结果为850kg/mm2，远高于
普通非晶带材(1k101牌号)的硬度水平(约620kg/mm2)，具有非常优异的耐磨性能。
58.4、对所制备的非晶合金带材按gb2038-91《金属材料延性断裂韧度jic试验方法》进行断裂韧度的测试，测试结果为：1785mpa，明显优于304不锈钢材料的韧度(约700mpa)，及普通非晶带材(1k101牌号)的韧度(约1600mpa)，非常适合在一些具有较大冲击性的户外场所(如高速公路、桥梁、机场跑道)使用。
59.实施例3
60.实施例3所述非晶合金带材，主要在对防腐性能、硬度/耐磨性能、韧度要求不高的产品上应用，相比于实施例1和实施例2，其材料成本相对要更低，其配方包括：fe、ni、si、cr、mo、b和cu，具体的，fe 30％、ni 30％、si 19.95％、cr 9.3％、mo 0.72％、b9.8％，cu 0.23％。
61.实施例3所述非晶合金带材，其制造工艺如下：
62.1)配比称料：按照各元素的原子百分比换算成质量百分比，再按照质量百分比称料。
63.2)熔炼和精炼：第一步：先将上述原料中的fe(先放入一半)、及cr和mo加入高真空感应熔炼炉中进行冶炼，形成中间合金，冶炼温度1430～1450℃，保温时间为10min；第二步：待完全熔融后，再将剩余的一半fe放入，继续熔炼，冶炼温度1380～1400℃，保温时间为10min；第三步：待上步骤加入的fe完全融化后，再加入ni、cu继续熔炼，冶炼温度1360～1380℃，保温时间5min；第四步：最后加入易挥发，烧损大的b、si，进行最后精炼，保温精炼温度1320～1340℃，保温时间10min。每次加料后先预抽真空到规定的真空度要求，然后关闭真空泵，充入惰性气体，在惰性气体气氛保护下进行上述步骤的熔炼和精炼。所述惰性气体为纯度为99.999％的高纯氩气，真空度为≤5pa。
64.5)制备带材：将经过熔化的钢液，通过嘴缝宽度为0.22mm，嘴缝长度为25mm的喷嘴，喷射在高速旋转(线速度为29m/s)的铜辊上，经过冷却铜辊的快速冷却凝固，获得厚度为20μm，宽度为25mm的非晶态合金带材。
65.实施例3所述非晶合金带材，具有以下优点：
①
高电阻率，使其具备良好的导热性能；
②
硬度高，使其具有优异的耐磨性能；
③
断裂韧性好，使其具有优异的抗冲击能力；
④
防腐性能优异，使其在室外恶劣环境下下使用时不被腐蚀，使用寿命长。测试方法同实施例1，测试结果如下：
66.1、电阻率为163μω
·
cm，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的电阻率水平(约120μω
·
cm)。
67.2、对所制备的非晶合金带材参照国标《gb 4334.1-2016-t不锈钢10％草酸浸蚀试验方法》进行耐腐蚀试验，经过试验后的非晶合金带材未出现点蚀、裂纹、气泡、生锈等腐蚀现象，具有优异的防腐性能，能够保证在强腐蚀环境下使用时不会出现腐蚀和功率衰减的现象，使用寿命比现有金属类电加热产品更长。
68.3、对所制备的非晶合金带材进行维氏硬度hv测试，测试结果为710kg/mm2，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的硬度水平(约620kg/mm2)，具有较好的耐磨性能，适合在一些耐磨损要求不高的室内场所使用。
69.4、对所制备的非晶合金带材按gb2038-91《金属材料延性断裂韧度jic试验方法》进行断裂韧度的测试，测试结果为：1700mpa，明显优于304不锈钢材料的韧度(约700mpa)，
也优于普通非晶带材(1k101牌号)的韧度(约1600mpa)，适合在一些冲击性不大的室内场所使用。
70.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
71.对比例1
72.对比例1所述非晶合金带材未添加cr和mo元素，相比于实施例3，其材料成本进一步降低，其配方包括：fe、ni、si、b和cu，具体的，fe 30％、ni 40％、si 20％、b9％，cu 1％。
73.对比例1所述非晶合金带材，其制造工艺如下：
74.1)配比称料：按照各元素的原子百分比换算成质量百分比，再按照质量百分比称料。
75.2)熔炼和精炼：第一步：先将上述原料中的fe加入高真空感应熔炼炉中进行冶炼，冶炼温度1380～1400℃，保温时间为10min；第二步：待上步骤加入的fe完全融化后，再加入ni、cu继续熔炼，冶炼温度1360～1380℃，保温时间5min；第三步：最后加入易挥发，烧损大的b、si，进行最后精炼，保温精炼温度1320～1340℃，保温时间10min。每次加料后先预抽真空到规定的真空度要求，然后关闭真空泵，充入惰性气体，在惰性气体气氛保护下进行上述步骤的熔炼和精炼。所述惰性气体为纯度为99.999％的高纯氩气，真空度为≤5pa。
76.3)制备带材：将经过熔化的钢液，通过嘴缝宽度为0.22mm，嘴缝长度为25mm的喷嘴，喷射在高速旋转(线速度为29m/s)的铜辊上，经过冷却铜辊的快速冷却凝固，获得厚度为20μm，宽度为25mm的非晶态合金带材。
77.对比例1所述非晶合金带材的性能如下：
78.1、电阻率为169μω
·
cm，远高于普通非晶带材(1k101牌号)的电阻率水平(约120μω
·
cm)。
79.2、对所制备的非晶合金带材参照国标《gb 4334.1-2016-t不锈钢10％草酸浸蚀试验方法》进行耐腐蚀试验，经过试验后的非晶合金带材出现了轻微点蚀现象，防腐性能相对于实施例1、实施例2、实施例3明显要差。
80.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。