长寿命Cr20Ni80电热合金丝高温氧化行为研究

发布时间：2020-03-11 20:32

【摘要】：Cr20Ni80电热合金由于具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性、较大的电阻率和稳定的电阻率值、较高的高温强度等综合性能,被广泛应用在家用电器、工业炉及医疗、通信、核电等领域内的电热元器件制备。而加热温度和时间是影响Cr20Ni80电热合金材料性能的重要因素,决定着电热元件在使用过程中表面氧化膜的生成和破坏,对合金元器件的使用寿命有着极其重要的作用。本论文所研究的Cr20Ni80电热合金丝用于铝熔炼炉加热器件,在论文中研究了 Cr20Ni80电热合金的氧化动力学过程以及氧化膜的形貌,探讨了氧化膜的形成和生长机理。采用箱式电阻炉对8 mmCr20Ni80电热合金丝进行氧化实验。研究选用了恒温氧化法和循环氧化法两种实验方法来进行实验,恒温氧化法温度设为700℃～1000℃,时间设为1h～100h,循环氧化法温度设为1000℃,氧化时间分别为4h,10h,25h,50h。主要采用精密电子天平对氧化前后的试样进行称重,然后基于氧化前后的质量变化拟合不同温度下的氧化动力学曲线,采用金相(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)等方法对试样表面形成的氧化膜进行分析,研究结果主要如下:研究表明,在同一氧化温度下,随着氧化时间的延长,氧化动力学曲线出现了分阶段现象。在氧化初期的氧化速率与后期相比,要快很多。且随着温度的升高,氧化速率逐渐变大,在氧化过程中,材料的抗氧化级别始终为完全抗氧化性(抗氧化性指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性,完全抗氧化性指材料的平均氧化速度均小于0.1 g/m2· h)。在氧化初期,试样表面快速形成一层氧化膜,随着氧化时间的延长,在氧化膜内部应力和热应力的作用下,氧化膜开始出现剥落现象,随后在氧化膜剥落的区域又开始形成新的氧化膜。经XRD分析,组成氧化膜的主要氧化物为Cr2O3,且氧化膜中含有尖晶石结构的NiCr2O4, Cr2O3与NiCr204相互交错,构成了致密均匀的氧化膜,使材料具有了很好的抗氧化性能和抗腐蚀性能。在氧化过程中,如果氧浓度较低,会造成扩散驱动力较小,在这种条件下,铬离子的扩散方式主要为沿晶界以及缺陷的短路扩散,这会导致Cr20Ni80电热合金试样表面形成网状的氧化膜,由于这种初期形成的氧化膜有很多孔,这就为后期铬离子的向外扩散提供了快速的扩散通道,有利于致密均匀氧化膜的形成,随着氧化时间的延长,八面体形状的NiCr2O4尖晶石会逐渐变为层片状和棒状。在1000℃条件下,在Cr20Ni80电热合金试样氧化前期,在试样表面产生了由球状或椭球状氧化物(主要由Cr2O3构成)组成的表面氧化膜,且随着氧化时间的延长,这些球状或椭球状的氧化物长大并破裂。循环氧化条件下,与恒温氧化相比,试样氧化相同的时间增重较大,且表面氧化膜中Cr2O3较多,这是因为在冷热循环的交替作用下,先期形成的氧化膜不断剥落,新的氧化膜不断形成,且随着氧化时间的延长,试样表面的氧化物颗粒由前期的多孔变得均匀且致密。
【图文】：

电热合金,持久强度

铝合金的高温蠕变强度低于镍铬、镍铬铁合金，所以工作条件为应力的应该优先逡逑选择镍铬或者镍铬铁电热合金；高温持久强度为规定的温度、时间下，试样产生逡逑断裂的应力值，如图１．１［４］为电热合金的持久强度；对电热合金禽温短时抗拉强逡逑度影响最大的是其金相组织，奥氏体的高温强度更高一些。逡逑１．３．２电热合金的一般物理性能逡逑热膨胀系数、电阻温度系数以及电阻率等皆为衡量电热合金物理性能的关键逡逑参数［３］，这些参数对于电热合金的使用以及研究起着举足轻重的作用。逡逑１．３．２．１热膨胀系数逡逑物体由于温度的升高或降低会有膨胀或收缩的现象，其变化能力以在一定的逡逑压强下，单位温度的变化值所导致的长度值的改变，这个值可用热膨胀系数来表逡逑示。在实际条件下，经常使用的有两种热膨胀系数，Ｂ卩：线膨胀系数和体膨胀数，逡逑不同物体的热膨胀系数一般不同，一般金属的热膨胀系数单位为°Ｃ＇逡逑，０Ｄｉ逦逦ｎ逦逦逡逑１邋Ｖｒ邋ｉｏｏ邋ｉ．ｉ）0ｏ邋ｉｏ．ｏｏｃ邋ｒ＆ｏＴ邋0ｆｘ？逡逑图１．１电热合金的持久强度［３］逡逑研究中主要关注线膨胀系数

横截面形貌,杂志,湿度

这些粒子具有如下性质：假设它们是不能溶解的，他们在水蒸气中过饱和时，他逡逑们聚积长大的速度低于预期；这个速度通过它们的重力沉降速度来测量；当在较逡逑低的湿度下凝结时，它们会形成链状的结构如图１．３所示，而在高的湿度下凝结逡逑时，形成近似球状的结构如图１．４所示，当在较低的湿度下形成链状结构时，可逡逑以通过提高湿度，其会变成球状结构；如果这些粒子是可溶解的，，上述结论是成逡逑立的，但是Ｃｒ２０３是不溶解的氧化物，不能让粒子产生易溶解性的特点。可溶性逡逑的Ｃｒ０３可以很好的解释以上现象。Ｃｒ０３的存在可以通过收集装置内的玻璃管壁逡逑的气溶胶，利用斑点实验来确认。在１２５０°Ｃ的条件下，气溶胶由Ｃｒ３＋和Ｃｒ６＋的铬逡逑８逡逑
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG132.3

【参考文献】