一种铁铬铝合金及其制备方法、电热元件与流程

1.本技术涉及铁铬铝合金制备领域，尤其涉及一种铁铬铝合金及其制备方法、电热元件。


背景技术：

2.金属型电热材料是国内外用于家用及工业用加热器使用最多的加热元件，尤其是fe-cr-al型合金最为普遍。铁铬铝合金依靠其优良的高温抗氧化性等优点在各个领域广泛应用。
3.铁铬铝合金由于可以形成稳定致密具有保护性且生长速度缓慢的氧化物薄膜，使其可以在1300℃的高温环境中正常工作。现有的铁铬铝合金在经过连续退火后，形成的氧化膜极薄，且al2o3含量少、fe3o4含量较多，导致其耐腐蚀、抗氧化的作用不强，进而导致使用寿命不长。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种铁铬铝合金及其制备方法、电热元件，以解决现有的铁铬铝合金表面氧化膜的耐腐蚀、抗氧化的作用不强的技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种铁铬铝合金，所述铁铬铝合金包括铁铬铝合金基体，以及附着在所述铁铬铝合金基体的至少部分表面的氧化膜；
6.以质量分数计，所述氧化膜的化学成分包括：al2o3＞90％。
7.进一步地，所述氧化膜的厚度为5～7μm。
8.进一步地，所述氧化膜的化学成分还包括：fe和cr。
9.进一步地，以质量分数计，所述铁铬铝合金基体的化学成分包括：cr：25～28％，al：4.7～5.1％。
10.进一步地，所述铁铬铝合金基体为直径为3.0-8.0mm的铁铬铝合金丝。
11.第二方面，本技术实施例提供了一种第一方面所述的铁铬铝合金的制备方法，所述制备方法包括：
12.得到铁铬铝合金基体；
13.于设定氧化性气氛和设定气压下，将所述铁铬铝合金基体在进行连续退火，后冷却，得到铁铬铝合金。
14.进一步地，所述氧化性气氛的化学成分包括氧气；所述氧气浓度＞80％。
15.进一步地，所述设定气压为1.5～2.5个大气压。
16.进一步地，所述连续退火的工艺参数包括：温度为800～1000℃。
17.第三方面，本技术实施例提供了一种电热元件，所述电热元件中的至少部分结构件包括第一方面所述的铁铬铝合金，和/或，所述电热元件中的至少部分结构件由第一方面所述的铁铬铝合金制得。
18.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
19.本技术实施例提供了一种铁铬铝合金，所述铁铬铝合金包括铁铬铝合金基体和氧化膜，所述氧化膜包覆在所述铁铬铝合金基体的外侧，所述氧化膜中al2o3的质量含量超过90％。该铁铬铝合金表面的氧化膜结构中的氧化铝含量高，而氧化膜中氧化铝的耐腐蚀、抗氧化的作用最强，因而使该铁铬铝合金表面的氧化膜的耐腐蚀性和抗氧化性增强，从而解决现有的铁铬铝合金表面氧化膜的耐腐蚀、抗氧化的作用不强的技术问题。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
21.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例提供的一种铁铬铝合金的氧化膜厚度图。
具体实施方式
23.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.除非另有特别说明，本技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
25.金属型电热材料是国内外用于家用及工业用加热器使用最多的加热元件，尤其是fe-cr-al型合金最为普遍。铁铬铝合金依靠其优良的高温抗氧化性等优点在各个领域广泛应用。
26.铁铬铝合金由于可以形成稳定致密具有保护性且生长速度缓慢的氧化物薄膜，使其可以在1300℃的高温环境中正常工作。现有的铁铬铝合金在经过连续退火后，形成的氧化膜极薄，且al2o3含量少、fe3o4含量较多，导致其耐腐蚀、抗氧化的作用不强，进而导致使用寿命不长。
27.本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
28.第一方面，本技术提供了一种铁铬铝合金，所述铁铬铝合金包括铁铬铝合金基体，以及附着在所述铁铬铝合金基体的至少部分表面的氧化膜；
29.以质量分数计，所述氧化膜的化学成分包括：al2o3＞90％。
30.本技术实施例提供了一种铁铬铝合金，所述铁铬铝合金包括铁铬铝合金基体和氧化膜，所述氧化膜包覆在所述铁铬铝合金基体的外侧，所述氧化膜中al2o3的质量含量超过90％。该铁铬铝合金表面的氧化膜结构中的氧化铝含量高，而氧化膜中氧化铝的耐腐蚀、抗氧化的作用最强，因而使该铁铬铝合金表面的氧化膜的耐腐蚀性和抗氧化性增强，从而解决现有的铁铬铝合金表面氧化膜的耐腐蚀、抗氧化的作用不强的技术问题。
31.作为本发明实施例的一种实施方式，所述氧化膜的厚度为5～7μm。
32.本技术中，氧化膜的厚度为5～7μm，较厚的氧化膜可使氧化膜的耐腐蚀性和抗氧
化性更强。
33.作为本发明实施例的一种实施方式，所述氧化膜的化学成分还包括：fe和cr。
34.本技术中，铁铬铝合金中金属元素fe、cr未向表面偏聚，氧原子直接与铁铬铝合金表面的金属al发生氧化，产生致密的al2o3的氧化膜。
35.作为本发明实施例的一种实施方式，以质量分数计，所述铁铬铝合金基体的化学成分包括：cr：25～28％，al：4.7～5.1％。
36.本技术中，铁铬铝合金基体除包括fe、cr、al元素外，还包括少量的稀土元素(la、ce、y等)。控制cr和al的含量，可控制表面氧化膜的成分。
37.作为本发明实施例的一种实施方式，所述铁铬铝合金基体为直径为3.0-8.0mm的铁铬铝合金丝。
38.第二方面，本技术实施例提供了一种第一方面所述的铁铬铝合金的制备方法，所述制备方法包括：
39.得到铁铬铝合金基体；
40.于设定氧化性气氛和设定气压下，将所述铁铬铝合金基体在进行连续退火，后冷却，得到铁铬铝合金。
41.本技术中，铁铬铝合金基体为按照现有技术方案获得的铁铬铝合金。
42.本技术中，通过控制氧化性气氛、气压，提高氧化速度，使得铁铬铝合金中金属元素fe、cr来不及向表面偏聚，氧原子直接与铁铬铝合金表面的金属元素al发生氧化。由于al的迁移速度最快，在氧充足的情况下，al优先氧化，表面al金属原子与氧结合，产生致密的al2o3氧化膜。表面形成的大量al2o3氧化膜，抑制了其他元素形成氧化膜。al的偏聚能-1.599，cr的偏聚能-0.648，铁的偏聚能最高，偏聚能越低，金属原子越易向表面发生偏聚，因此，al的偏聚力最强，al向表面偏聚速度高于cr、fe，所以在表面形成大量al2o3氧化膜。
43.作为本发明实施例的一种实施方式，所述氧化性气氛的化学成分包括氧气；所述氧气浓度＞80％。
44.本技术中，氧化性气氛即为氧气，可提高氧气含量，保证氧气充足，进而保证al优先氧化，并形成致密的al2o3氧化膜。
45.作为本发明实施例的一种实施方式，所述设定气压为1.5～2.5个大气压。
46.本技术中，氧化性气体通过吹气装置送入连续退火炉中，控制氧化性气体的压强为1.5～2.5个大气压，可加快其流速，进而加快氧化速度，加速形成氧化膜。同时，由于铝元素优先氧化，氧化铝优先形成，氧化铝致密性较好，耐腐蚀性好。但气压、气体流速太大时，气体流量过大，铁铬铝合金表面温度达不到，氧化速度会降低。
47.作为本发明实施例的一种实施方式，所述连续退火的工艺参数包括：温度为800～1000℃。
48.本技术中，退火温度与铁铬铝合金的力学性能有直接关系，温度高或者低，力学性能均下降，控制该温度可保证其力学性能最佳。退火时间采用常规时间，不是本技术的重点。
49.第三方面，本技术实施例提供了一种电热元件，所述电热元件中的至少部分结构件包括第一方面所述的铁铬铝合金，和/或，所述电热元件中的至少部分结构件由第一方面所述的铁铬铝合金制得。
50.本技术中，铁铬铝合金表面的氧化膜中氧化铝的含量较高，使其具有耐腐蚀性强、抗高温的特点，有利于提高合金的寿命，可使合金使用寿命提高50％左右，可作为生产电热元件的材料。
51.本技术中，铁铬铝合金可作为电热元件的高温绝缘膜、电阻丝材料等。
52.下面结合具体的实施例，进一步阐述本技术。应理解，这些实施例仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
53.实施例1
54.一种铁铬铝合金及其制备方法，其特征包括如下步骤：
55.(1)原料选取：一种直径为5mm的铁铬铝合金丝，其化学成分如表1所示(余量为fe及不可避免的杂质)；
56.(2)氧化膜制备：将铁铬铝合金丝在吹入压强为2个大气压的氧气气氛下、900℃进行连续退火，后进行冷却，得到铁铬铝合金。
57.实施例2
58.一种铁铬铝合金及其制备方法，其特征包括如下步骤：
59.(1)原料选取：一种直径为3.0mm的铁铬铝合金丝，其化学成分如表1所示(余量为fe及不可避免的杂质)；
60.(2)氧化膜制备：将铁铬铝合金丝在吹入压强为1.5个大气压的氧气气氛下、800℃进行连续退火，后进行冷却，得到铁铬铝合金。
61.实施例3
62.一种铁铬铝合金及其制备方法，其特征包括如下步骤：
63.(1)原料选取：一种直径为8.0mm的铁铬铝合金丝，其化学成分如表1所示(余量为fe及不可避免的杂质)；
64.(2)氧化膜制备：将铁铬铝合金丝在吹入压强为2.5个大气压的氧气气氛下、1000℃进行连续退火，后进行冷却，得到铁铬铝合金。
65.实施例4
66.一种铁铬铝合金及其制备方法，其特征包括如下步骤：
67.(1)原料选取：一种直径为6mm的铁铬铝合金丝，其化学成分如表1所示(余量为fe及不可避免的杂质)；
68.(2)氧化膜制备：将铁铬铝合金丝在吹入压强为1.8个大气压的氧气气氛下、950℃进行连续退火，后进行冷却，得到铁铬铝合金。
69.实施例5
70.一种铁铬铝合金及其制备方法，其特征包括如下步骤：
71.(1)原料选取：一种直径为4mm的铁铬铝合金丝，其化学成分如表1所示(余量为fe及不可避免的杂质)；
72.(2)氧化膜制备：将铁铬铝合金丝在吹入压强为2.2个大气压的氧气气氛下、850℃进行连续退火，后进行冷却，得到铁铬铝合金。
73.对比例1
74.将实施例1中的氧气气氛改为空气气氛，气压改为1个大气压，连续退火温度改为750℃，其余与实施例1相同。
75.将实施例与对比例制备的铁铬铝合金采用x射线衍射仪进行氧化膜成分检测，如表2所示，并进行氧化膜厚度检测，如表3所示。
76.表1铁铬铝合金丝的化学成分(以质量百分数计)
77.编号craltinimnsic实施例127.17％4.9％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％实施例225.2％4.7％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％实施例328％5.1％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％实施例426.4％4.8％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％实施例527.5％5.0％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％对比例127.17％4.9％0.135％0.168％0.198％0.47％0.109％
78.表2铁铬铝合金表面氧化膜成分
79.编号成分比例成分比例成分比例实施例1fe4.45％al2o395.49％cr0.5％实施例2fe9.25％al2o390.28％cr0.47％实施例3fe3.36％al2o396.12％cr0.52％实施例4fe5.77％al2o393.75％cr0.48％实施例5fe3.6％al2o395.89％cr0.51％对比例1fe77.65％al2o34.89％fe3o417.46％
80.表3铁铬铝合金表面氧化膜厚度
81.编号氧化膜厚度(μm)实施例17实施例26.1实施例36.7实施例45.4实施例55.7对比例13.4
82.根据pilling-bedworth氧化原理，体积比小于1的氧化物不足够覆盖金属且不具有保护作用。而当比率远远大于1时，氧化膜内应力增大，与基体的粘附力差，将发生开裂剥落，也不具备良好的抗氧化性。因此，最理想的比率是接近于1。al的氧化体积比1.28，cr的氧化体积比1.99，fe的氧化体积比1.77，因此al2o3形成的连续的致密的氧化物保护膜可以阻止氧向基体内部扩散，防止合金继续氧化，大大提高其抗氧化性。因此，本技术实施例提供的铁铬铝合金表面的氧化膜中al2o3含量比对比例高，其抗腐蚀性能好于对比例。
83.本技术的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本技术范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，
以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
84.在本技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本技术说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
85.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。