表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝

《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》是山東瑞泰新材料科技有限公司於2011年10月26日申請的發明專利，該專利的申請號為2011103291537，公布號為CN102409255A，公布日為2012年4月11日，發明人是陳偉、馬中鋼、王光華，該專利屬於特殊合金製備技術領域。

《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》合金化學成分質量百分比組成為：鉻10～35％、鋁2～10％、矽0～0.5％、錳0.1～1.0％、鈷0.2～0.5％、釩0.1～0.7％、鎢0.1～0.8％、鈮0.2～0.8％和鎳0.1～1.2％，餘量為鐵和不可避免的雜質；製備工藝包括熔化、精煉、脫氧、澆注和熱處理。該發明在鐵-鉻-鋁鐵素體抗氧化合金的基礎上通過添加微量合金元素，經過熱處理工藝後，材料中的鋁在熱處理過程中能在材料表面形成一層緻密的氧化鋁陶瓷層，該陶瓷層具有較高的電阻，合適的表面硬度和良好的耐磨能力。

2014年11月6日，《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

基本介紹

• 中文名：表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝
• 公布號：CN102409255A
• 公布日：2012年4月11日
• 申請號：2011103291537
• 申請日：2011年10月26日
• 申請人：山東瑞泰新材料科技有限公司
• 地址：山東省淄博市沂源縣城魯陽路31號
• 發明人：陳偉、馬中鋼、王光華
• 分類號：C22C38/52（2006.01）I
• 代理機構：青島發思特專利商標代理有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：耿霞

專利背景

氧化鋁陶瓷和酚醛樹脂由於具有良好的絕緣性，通常用作焊接中的絕緣器件。但是由於陶瓷材料脆性大，在使用環境中有衝擊力時易碎和折斷，由此而產生的更換時間成本在現代化的自動生產線上顯得尤其昂貴，而且成型需要模具，因而對尺寸特殊的器件加工就更困難，生產周期也較長，小批量成本十分高。酚醛樹脂也稱電木，是除氧化鋁陶瓷定位零件外的另一選擇，不過其不耐高溫以及抗衝擊力差的缺點也會影響到使用壽命。因此，具有電絕緣性能且同時具備良好的機加工性能、耐高溫和抗衝擊能力強的材料顯得尤其重要。

該文涉及的一種作為絕緣載體使用的鐵鉻鋁合金。作為一種特殊的鐵鉻鋁合金，其特點是，在鐵-鉻-鋁鐵素體抗氧化合金的基礎上通過添加特殊的合金元素，製成一種具有絕緣、耐磨、韌性好、硬度、強度及抗氧化性能高的高科技材料，而且經過特殊熱處理工藝後，具有表面低壓絕緣的特點。材料中的鋁在熱處理過程中能在材料表面形成一層緻密的氧化鋁陶瓷層，該陶瓷層具有很高的電阻，合適的表面硬度，而添加的特殊元素使得氧化鋁陶瓷層與材料的基體具有良好的附著力，而具有達到良好的耐磨能力。由於該鐵鉻鋁絕緣耐磨抗氧化合金材料兼具抗氧化合金良好的機加工性能與和抗氧化能力和陶瓷的絕緣和耐磨能力，因而在汽車生產線中焊接機器人中的絕緣器件使用中相比陶瓷材料與電木材料都占據了絕對優勢。陶瓷的硬度和絕緣性是完全沒有問題的，但由於陶瓷材料脆性大，在使用環境中有衝擊力時易碎和折斷，由此而產生的更換時間成本在現代化的自動生產線上顯得尤其昂貴。而且成型需要模具，因而對尺寸特殊的定位銷加工就更困難，生產周期也較長，小批量成本十分高。酚醛樹脂也稱電木是除陶瓷定位零件外的另一選擇，不過其不耐高溫以及抗衝擊力差的缺點也會影響到使用壽命。

要達到作為鐵鉻鋁絕緣耐磨抗氧化合金，在兼備基體硬度，良好機加工性，表面絕緣，耐磨以及抗氧化的種種性能。就必須在合金冶煉工藝過程中添加一系列可以分別實現這些功能的微量合金，這些微量合金的比例、添加時間、添加溫度都會影響產品最終的性能。

發明內容

專利目的

《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》的目的是提供一種表面具有絕緣性能的合金，製備的合金具有絕緣、耐磨且硬度高；同時提供了其製備工藝。

技術方案

《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》所述的表面具有絕緣性能的合金，其化學成分質量百分比組成為：鉻10～35％、鋁2～10％、矽0～0.5％、錳0.1～1.0％、鈷0.2～0.5％、釩0.1～0.7％、鎢0.1～0.8％、鈮0.2～0.8％和鎳0.1～1.2％，餘量為鐵和不可避免的雜質。

所述的表面具有絕緣性能的合金的製備方法，包括如下步驟：

（1）熔化：將鐵、鉻、鋁原料，在0.1～10帕真空條件下利用電磁感應電流進行熔化，頻率為2950～3050赫茲，功率為40～100千瓦；

（2）精煉：鐵、鉻、鋁原料熔化後，在氬氣5～40千帕分壓保護下進行脫氣精煉10～30分鐘；

（3）脫氧：加入脫氧劑進行鋼液脫氧2～5分鐘，脫氧劑為金屬矽、金屬錳和金屬鋁；

（4）澆註：加入鈷鎳鈮釩鎢微量元素合金包進行合金化，最後在氬氣5～50千帕分壓保護下澆注；

（5）熱處理：在空氣中，將澆注好的合金於900～1300℃下，保溫2～8小時，使合金表面氧化，在合金表面形成一層氧化鋁電絕緣層。

步驟（5）熱處理過程在馬弗爐中進行。

所述的鐵原料為純度為99％以上的純鐵或鐵質量含量在35％以上的鐵鉻合金。

所述的鉻原料為純度為99.9％以上的金屬鉻或鉻質量含量在60％以上的鐵鉻合金的。

所述的鋁原料為純度為99.7％以上的純鋁。

澆鑄出的合金鋼錠即絕緣合金的母材，絕緣合金的母材可通過鍛軋拔等工藝將母材製成所需的棒材，絲材或帶材等。

各種原材料所引入的碳總量不得超過0.02％；各種原材料所引入的硫總量不得超過0.03％；各種原材料所引入的磷總量不得超過0.02％。

有益效果

該發明在鐵-鉻-鋁鐵素體抗氧化合金的基礎上通過添加微量合金元素，經過熱處理工藝後，在合金表面形成一層緻密的氧化鋁陶瓷層，添加的特殊元素使得氧化鋁陶瓷層與材料的基體具有良好的附著力，該發明的合金具有較高的電阻，合適的表面硬度和良好的耐磨能力且製備工藝簡單易行。

權利要求

1.一種表面具有絕緣性能的合金，其特徵在於化學成分質量百分比組成為：鉻10～35％、鋁2～10％、矽0～0.5％、錳0.1～1.0％、鈷0.2～0.5％、釩0.1～0.7％、鎢0.1～0.8％、鈮0.2～0.8％和鎳0.1～1.2％，餘量為鐵和不可避免的雜質。

2.一種權利要求1所述的表面具有絕緣性能的合金的製備工藝，其特徵在於包括如下步驟：

（1）熔化：將鐵、鉻、鋁原料，在0.1～10帕真空條件下利用電磁感應電流進行熔化，頻率為2950～3050赫茲，功率為40～100千瓦；

（2）精煉：鐵、鉻、鋁原料熔化後，在氬氣5～40千帕分壓保護下進行脫氣精煉10～30分鐘；

（3）脫氧：加入脫氧劑進行鋼液脫氧2～5分鐘，脫氧劑為金屬矽、金屬錳和金屬鋁；

（4）澆註：加入鈷鎳鈮釩鎢微量元素合金包進行合金化，最後在氬氣5～50千帕分壓保護下澆注；

（5）熱處理：在空氣中，將澆注好的合金於900～1300℃下，保溫2～8小時，使合金表面氧化，在合金表面形成一層氧化鋁電絕緣層。

3.根據權利要求2所述的表面具有絕緣性能的合金的製備工藝，其特徵在於所述的鐵原料為純度為99％以上的純鐵或鐵質量含量在35％以上的鐵鉻合金。

4.根據權利要求2所述的表面具有絕緣性能的合金的製備工藝，其特徵在於所述的鉻原料為純度為99.9％以上的金屬鉻或鉻質量含量在60％以上的鐵鉻合金。

5.根據權利要求2所述的表面具有絕緣性能的合金的製備工藝，其特徵在於所述的鋁原料為純度為99.7％以上的純鋁。

實施方式

實施例和對比例所用原料中：純鐵中鐵的質量含量為99.5％，純鋁中鋁的質量含量為99.75％，金屬鉻中鉻的質量含量為99.9％，金屬鎳中鎳的質量含量為99.96％，金屬鈷中鈷的質量含量為99.98％，金屬鎢中鎢的質量含量為99.5％，金屬釩中釩的質量含量為99％，金屬鈮中鈮的質量含量為99.5％。作為脫氧劑使用的金屬錳中錳的質量含量為99％，金屬矽中矽的含量為99％，金屬鋁的含量為99.9％。

對比例1～2

合金化學成分質量百分比組成見表1，每個對比例原料配方中均含不可避免的雜質。

實施例1～16

合金化學成分質量百分比組成見表1，每個實施例原料配方中均含不可避免的雜質。

表1：合金原料配方表

/	鐵％	鉻％	鋁％	鎢％	釩％	鎳％	鈮％	錳％	矽％	鈷％
對比例1	餘量	12	3.5	<0.1	<0.1	<0.05	<0.05	0.5	0.11	<0.1
對比例2	餘量	25	3.5	0.12	<0.1	<0.05	<0.05	0.48	0.13	<0.1
實施例1	餘量	18	3.5	0.18	0.31	0.2	0.46	0.12	0.1	<0.1
實施例2	餘量	12	3.5	0.51	0.52	0.32	0.23	0.14	0.20	<0.1
實施例3	餘量	27	6	0.35	0.35	0.29	0.45	0.80	0.21	0.18
實施例4	餘量	27	4.5	0.42	0.51	0.46	0.49	0.34	0.17	0.3
實施例5	餘量	18	4	0.29	0.68	0.75	0.53	0.12	0.13	0.34
實施例6	餘量	12	4.5	0.48	0.5	0.83	0.54	0.23	0.13	0.3
實施例7	餘量	35	3	0.27	0.65	0.23	0.45	0.28	0.06	0.34
實施例8	餘量	12	4.5	0.44	0.53	0.28	0.76	0.31	0.27	0.3
實施例9	餘量	35	3.5	0.22	0.62	0.27	0.58	0.21	0.16	0.34
實施例10	餘量	27	7.5	0.21	0.32	0.27	0.33	0.09	0.13	0.34
實施例11	餘量	18	4	0.2	0.52	0.39	0.2	0.65	0.35	0.34
實施例12	餘量	35	6	0.21	0.27	0.85	0.29	0.78	0.28	0.41
實施例13	餘量	18	2.5	0.64	0.35	0.78	0.76	0.74	0.29	0.3
實施例14	餘量	12	4	0.35	0.61	0.55	0.49	0.47	0.34	0.28
實施例15	餘量	27	6	0.3	0.46	0.68	0.27	0.6	0.35	0.38
實施例16	餘量	35	7.5	0.24	0.39	0.27	0.35	0.13	0.12	0.44

按上表中的配方配置合金，並按下述步驟進行熔煉：

（1）熔化：將鐵、鉻、鋁原料，在0.1～10帕真空條件下利用電磁感應電流進行熔化，電流頻率為2950～3050赫茲，功率為40～100千瓦；

（2）精煉：鐵、鉻、鋁原料熔化後，在氬氣5～40千帕分壓保護下進行脫氣精煉10～30分鐘；

（3）脫氧：加入脫氧劑進行鋼液脫氧2～5分鐘，脫氧劑為矽、錳和鋁合金；

（4）澆註：加入鈷鎳鈮釩鎢微量元素合金包進行合金化，最後在氬氣5～50千帕分壓保護下澆注；

（5）熱處理：在空氣中，將澆注好的合金於900～1300℃下，保溫2～8小時，使合金表面氧化，在合金表面形成一層氧化鋁電絕緣層。

對比例1和對比例2在熔煉過程中不加入微量合金包，脫氧時間均為3±1分鐘，頻率為3000±50赫茲。實施例1～16脫氧時間均為3±1分鐘，電流頻率為3000±50赫茲。

經步驟（4）澆注出的合金鋼錠即絕緣合金的母材。將合金母材經鍛軋拔後形成直徑為13毫米和長為1米的圓棒，將圓棒用數控工具機加工成直徑為12毫米和長為20毫米的圓柱體，對比例1的圓柱體不進行熱處理，其他的圓柱體按照步驟（5）進行處理後隨爐冷卻，得到表面具有氧化鋁電絕緣層的絕緣試樣。

實施例和對比例的工藝參數見表2。

表2：實施例和對比例的工藝參數表

/	鐵原料	鉻原料	鋁原料	步驟（1） 真空度（帕）	步驟（1） 熔煉功率（千瓦）
對比例1	純鐵	純鉻	純鋁	5	80
對比例2	純鐵	純鉻	純鋁	5	100
實施例1	純鐵	純鉻	純鋁	0.8	40
實施例2	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	1.5	100
實施例3	純鐵	純鉻	純鋁	3.5	80
實施例4	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	6.8	80
實施例5	純鐵	純鉻	純鋁	8.5	60
實施例6	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	3.4	80
實施例7	純鐵	純鉻	純鋁	5	100
實施例8	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	5	100
實施例9	鐵質量含量為35%的鐵鉻合金	純鉻	純鋁	4.5	80
實施例10	純鐵	鉻質暈含暈為60%的鐵鉻合金	純鋁	8	40
實施例11	純鐵	純鉻	純鋁	9.7	40
實施例12	鐵質量含量為35%的鐵鉻合金	純鉻	純鋁	3	60
實施例13	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	0.8	80
實施例14	純鐵	純鉻	純鋁	3.5	100
實施例15	純鐵	鉻質量含量為60%的鐵鉻合金	純鋁	6	80
實施例16	鐵質量含量為35%的鐵鉻合金	純鉻	純鋁	7.6	40

/	步驟（2）氬氣分壓/千帕	步驟（2）脫氣精煉時間/分鐘	步驟（4）氬氣分壓/千帕	熱處理工藝參數
對比例1	30	15	40	無
對比例2	20	15	40	1100度，2小時
實施例1	8	10	5	900度，8小時
實施例2	5	15	10	1300度，6小時
實施例3	15	20	15	1100度，10小時
實施例4	25	30	15	900度，2小時
實施例5	30	30	5	1100度，4小時
實施例6	40	20	30	1300度，10小時
實施例7	40	10	20	900度，6小時
實施例8	30	15	50	900度，4小時
實施例9	20	20	15	1300度，2小時
實施例10	15	25	20	1300度，8小時
實施例11	5	30	15	1100度，2小時
實流例12	10	10	50	900度，6小時
實施例13	15	10	10	1100度，8小時
實施例14	20	20	25	900度，8小時
實施例15	25	30	20	1300度，8小時
實施例16	20	15	5	1300度，4小時

性能測試：採用絕緣耐壓測試儀（500伏交流））和萬用表在室溫下測試實施例和對比例的表面陶瓷層的絕緣性能，結果見表3（該表中的數據為5個取樣點的平均值）

表3：實施例和對比例性能數據表

配方編號	表面電阻（兆歐姆）	絕緣電阻（兆歐姆）
實施例1	1500	50
實施例2	2000	40
實施例3	2000	150
實施例4	2000	400
實施例5	2000	250
實施例6	1200	75
實施例7	1280	150
實施例8	1275	110
實施例9	2000	250
實施例10	2000	400
實施例11	2000	300
實施例12	2000	250
實施例13	1750	400
實施例14	2000	450
實施例15	1570	200
實施例16	2000	500
對比例1	0	0
對比例2	<50	0

從表3中可看到沒有經過熱處理的對比例1和經過熱處理的對比例2在500伏特交流電壓下絕緣電阻均為0，而實施例1～16中經過熱處理的試樣不論是表面電阻還是絕緣電阻都顯示其具有良好的絕緣性，合金中微量元素的加入和熱處理對合金的絕緣性能起到了顯著的作用。

榮譽表彰

2014年11月6日，《表面具有絕緣性能的合金及其製備工藝》獲得第十六屆中國專利優秀獎。