CN1400611A - 电阻材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电阻材料，包括有一种Fe－Cr－Ni合金，该合金具有的组成为：C最高达0.1质量％、Si最高达5质量％、Mn最高达6质量％、Cr9－32质量％、Ni6－25质量％、N最高达0.2质量％、Mo0－3质量％、Cu0－4质量％、Al0－5质量％、Ti0－0.4质量％、Nb0－0.4质量％、B0－0.005质量％以及余量基本上为Fe，同时其条件为，式(1)所规定的A值和式(2)规定的B值分别不小于78和14。该电阻材料电阻率高同时具有较小的温度关系，由此制得的电阻器工作良好而在电流通过时没有噪声。A＝0.008×(％Cr)3－0.43×(％Cr)2+8.03×(％Cr)+6.8×(％Si)+10.9×(％Al)+0.56×(％Mo)+0.92×(％Ni)(1);B＝(％Ni)+(％Cu)+0.6×(％Mn)+9.69×(％C+％N)+0.18×(％Cr)－0.11×(％Si)2(2)。

Description

电阻材料
技术领域
本发明涉及用作设置在中性点的电源变压器或发电机中的接地电阻器、电阻控制机动车的主或制动电阻器等所代表的电阻器的电阻材料。
背景技术
一个电阻器应具有的特性是，其电阻率不受环境的变化所影响，而仍保持在恒定的值。然而，电阻器经常受到焦耳热加热，例如，由于强电流，动力或车辆电阻器被加热至高达400℃左右。由于金属电阻器具有的缺点是，通常当温度升高时其电阻率降低，所以迄今已将具有较低电阻率温度关系的高电阻材料用于动力或车辆电阻器。
作为高电阻材料已知有一种Fe-Cr-Al合金，例如FCH1或FCH2。由于FCH1或FCH2含有17-26质量％Cr和2-6质量％Al，所以其电阻率高同时具有较低的温度相关性。然而，FCH1或FCH2是铁磁性的，因此电流通过电阻器产生磁场。磁场引起电阻器振动并出现噪声。该振动和噪声可通过使用非磁性材料，例如NCH1、NCH2或NCH3作为电阻器得到抑制。然而，NCH1、NCH2和NCH3由于含有高比例的Ni价格昂贵并且还由于在升高温度时的抗变形性热加工性低劣以及在热轧时产生表面缺陷(乱丝缺陷)。
同时，含有18质量％左右Cr的不锈钢，如SUS304，具有高于普通钢70μΩ·cm的电阻率，但与常规电阻材料比较，该电阻率根据温度变化而大大改变。此外，在退火状态为非磁性的不锈钢SUS304，通过机械变形而改变成铁磁状态。结果，通过使不锈钢板成形成目的形状而制得的电阻器，由于生成磁场而产生巨大噪声。可通过增加Si和Al含量而使不锈钢SUS304的电阻率更高。但是，增加Si和Al使得钢板更硬并且弯曲可成形性低劣，并且还加剧产生铁磁性状态。
发明内容
本发明的一个目的是为了通过采用适于提高电阻率和降低磁导率的合金化设计提供电阻材料，该材料电阻率高同时温度关系较小并且几乎不产生在电流流通时由磁场引起的噪音。
本发明提出了新的电阻材料，该材料的组成如下：C最高达0.1质量％、Si最高达5质量％、Mn最高达6质量％、Cr9-32质量％、Ni6-25质量％、N最高达0.2质量％、Mo0-3质量％、Cu0-4质量％、Al0-5质量％以及余量除不可避免的杂质外为Fe，同时其条件为，将式(1)规定的A值和式(2)规定的B值分别调节至不小于78和14。
A＝0.008×(％Cr)3-0.43×(％Cr)2+8.03×(％Cr)+6.8×(％Si)
   +10.9×(％Al)+0.56×(％Mo)+0.92×(％Ni)       ........(1)
B＝(％Ni)+(％Cu)+0.6×(％Mn)+9.69×(％C+％N)
   +0.18×(％Cr)-0.11×(％Si)2                   ........(2)
所建议的电阻材料还可含有一种或多种最高达0.4质量％Ti、最高达0.4质量％Nb和最高达0.005质量％B。
附图说明
图1是说明室温时电阻率与20-400℃范围内电阻率的平均温度系数关系的曲线图。
图2是说明B值对磁导率μ作用的曲线图。
具体实施方式
本发明人已经对电导率及其温度关系试验了不同种类的电阻材料，并寻找了热加工性及弯曲成形性良好且还在使用时几乎不产生噪声的电阻材料。较低的电阻率温度关系对于在电流通过时经常被加热至400℃左右的动力或车辆电阻器是必要的。具体的是，在20-400℃范围时，电阻率的平均温度系数将被控制在不大于1.0007/℃的值。
如图1所示，根据本发明人对在20-400℃范围内，电阻率与平均湿度系数关系的研究，发现了电阻率不小于85μΩ·cm对控制平均温度系数不大于1.0007/℃是必要的。另一方面，为了抑制产生由生成磁场所引起的噪声，电阻材料将是非磁性的。
考虑到这些要求，本发明人已详尽地研究了Fe-Cr-Ni合金组成对电阻率的作用，并发现了电阻率R可由下式表示：
R＝0.008×(％Cr)3-0.43×(％Cr)2+0.83×(％Cr)+6.8×(％Si)
   +10.9×(％Al)+1.0×(％Mo)+0.92×(％Ni)+7.4
该关系意味着通过将式(1)所规定的A值控制在78或更高使电阻率R调节至不小于85μΩ·cm的水平。
通常，通过磁导率评价非磁性。通常是通过将电阻材料片折叠成锯齿形状而制成的电阻器，因为它必需被容纳在狭窄的空间中。当电阻材料即使在锯齿折叠状态保持磁导率不大于1.010时，噪声的产生被抑制。锯齿折叠生成的应变度最多相应于20％冷轧比。在这一意义上，本发明人已对退火状态下的试样和在20％下冷轧的试样研究了合金化组成与磁导率μ的关系，并如图2所示，发现了磁导率μ是由式(2)所规定的B值所预测。磁导率μ与B值的关系证明了即使在20％冷轧状态时通过将B值控制在不小于14的水平，磁导率μ保持不大于1.010。这样低的磁导率μ意味着即使在已锯齿折叠后，该电阻材料仍是非磁性的。
新近提出的Fe-Cr-Ni合金组成被设计成使得满足用作电阻材料的A≥78和B≥14。通过如下解释，该合金的各个组份的作用将变得显而易见。
C是一种对非磁性有效的元素，但过量添加大于0.1质量％的C会使合金更硬并且弯曲成形性低劣。
Si是提高电阻率的一种元素，但过量添加大于5质量％的Si会使合金更硬并且弯曲成形性低劣。
Mn是一种保持非磁性状态的合金化元素，但过量添加大于6质量％Mn会引起精炼时难溶材料的破坏。
Cr是一种提高电阻率以及耐腐蚀和高温氧化的合金化元素。比例在9质量％或更高时典型地表明了这些作用。然而，过量添加高于32质量％Cr在热轧时引起在合金板表面产生划痕并且还使合金板的韧性和加工性恶化。较佳的是将Cr含量的上限确定为20质量％。
Ni是一种保持非磁性状态并提高电阻率的合金化元素。通过增加Ni含量不会使Fe-Cr-Ni合金怎么变硬。为保证加工性，至少6质量％Ni是必要的，但过量添加高于25质量％Ni在升高温度时造成抗变形性的提高并且在热轧步骤中产生来自合金板表面上晶粒边界的破裂。较佳的是将Ni含量的上限确定为15质量％。
N是一种保持非磁性状态有效的元素，但过量添加大于0.2质量％N会固溶硬化Fe-Cr-Ni合金。可以将N含量调节到正常水平(即小于0.03质量％)，在常规精炼工艺中N以该含量被包含在合金中，而不是有意添加。
Mo是一种提高电阻率的任选元素，但过量添加高于3质量％Mo使Fe-Cr-Ni合金固溶硬化，导致不良加工性。
Cu是一种具有较小的固溶硬化，保持非磁性状态的任选元素。然而，过量添加高于4质量％Cu使高温展延性恶化并在热轧时引起产生耳子裂纹。
Al是一种对提高电阻率最有效的任选元素，但过量添加高于5质量％Al加速了大量产生Al-N金属间化合物并使高温展延性恶化。较佳的是将Al含量的上限确定为2质量％。
Ti是一种改进弯曲成形性的任选元素，但过量添加高于0.4质量％Ti造成在由连铸工艺制得的板钢表面上产生划痕。
Nb是一种改进高温强度的任选元素，但过量添加高于0.4质量％Nb使Fe-Cr-Ni合金的展延性恶化。
当代表非磁性的B值超过17时，易于在热板的表面上产生来自晶粒边界的裂纹。B是抑制这些裂纹的元素。然而，过量添加高于0.005质量％B使晶粒边界处的熔化温度降低，导致不良的热加工性。
实施例
在高频真空炉(30kg)中将具有表1所示组成的一些Fe-Cr-Ni合金熔化。通过铸造，初轧，热轧，退火，酸洗，冷轧，最终退火，酸洗并而后最终冷轧由各个熔体中制得厚度为2mm的Fe-Cr-Ni合金板。
在热轧步骤中，本发明人研究了合金板表面上的裂纹以及还有合金板边缘的裂纹。本发明的合金Nos.1-8为热轧成目的形状而在其表面或边缘设有裂纹。对比合金Nos.11和12也是被热轧而设有裂纹，但在对比合金No.13的热轧板表面上检测到显著的裂纹。
                                                       表1：Fe-Cr-Ni合金的化学组成
  合金号 合金化组份(质量％) 值 注
  C  Si  Mn  Ni  Cr  Cu  Nb  Al  Mo  Ti  N  B   A   B
  1  0.06  4.2  4.9  13.0  19.2  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.15  0.004   92   19 发明实施例
  2  0.06  3.3  0.8  12.8  19.0  0.0  0.2  0.0  0.0  0.0  0.03  0.000   86   16
  3  0.06  3.2  0.6  15.0  18.5  0.0  0.0  0.7  0.0  0.0  0.03  0.000   95   18
4 0.04 2.5 0.8 13.1 17.3 0.0 0.0 0.1 2.5 0.0 0.03 0.000 84 17
  5  0.06  3.0  0.4  11.9  18.3  2.0  0.0  0.0  0.8  0.0  0.01  0.003   84   17
  6  0.09  4.0  3.0  8.0  22.0  3.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.03  0.000   88   16
  7  0.04  0.6  0.8  20.0  25.0  0.0  0.0  0.6  2.5  0.0  0.03  0.003   87   26
  8  0.04  3.0  0.4  13.0  19.5  2.0  0.0  0.0  0.8  0.2  0.04  0.003   85   19
  11  0.06  0.6  0.8  8.1  18.3  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.04  0.000   63   13 对比例
  12  0.05  3.6  1.5  8.9  18.3  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.03  0.000   84   12
  13  0.06  0.4  2.9  14.0  18.7  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.15  0.000   67   21
由各个Fe-Cr-Ni合金切下试验块并使经受如下的电阻率、电阻率温度关系，以及磁导率μ试验：
通过JISC2526所规定的电阻率-温度研究试验在不同温度下测量电阻率。由测量值计算出20-400℃范围内平均温度系数α20-400。
将所切下以20％冷轧的各合金板的试验块用于使用磁秤测量磁导率μ。
示于表2的结果证明了本发明Fe-Cr-Ni合金具有的电阻率温度关系小于1.0007/℃。在以20％冷轧状态的任何本发明合金的磁导率μ的值均为适于抑制噪声的小于1.010。
另一方面，A和B值两者皆小的对比合金板No.11显示出大的电阻率温度关系，由此制得的电阻器在使用时产生高噪声。对比合金板No.12由于A值大于85，显示出小的电阻率温度关系，但由于B值小，由此制得的电阻器产生高噪声。对比合金板No.13由于B值是适于抑制噪声的19，是非磁性的，但由于A值小，显示出不适于电阻材料的大的电阻率温度关系。
                       表2：各种Fe-Cr-Ni合金的性能
实施例号    合金号   电阻率(μΩ·cm) 20-400℃范围内电阻率温度关系(/℃)  20％冷轧状态下磁导率μ   注
  1     1     99     1.00024     1.002 发明实施例
  2     2     93     1.00051     1.003
  3     3     100     1.00021     1.002
  4     4     91     1.00055     1.003
  5     5     90     1.00056     1.003
  6     6     95     1.00048     1.003
  7     7     94     1.00051     1.00 1
  8     8     92     1.00039     1.002
  9     11     71     1.00092     1.126   对比例
  10     12     92     1.00054     1.562
  11     13     74     1.00082     1.002
本发明的电阻材料包括一种Fe-Cr-Ni合金，该合金的组成被设计成使得满足表示各种合金化元素对电阻率作用的A值不小于78以及表示各种合金化元素对非磁性作用的B值为不小于14。由于所控制的A和B值，该Fe-Cr-Ni合金在具有较小温度关系同时具有高的电阻率，并且由此制得的电阻器工作良好而没有由于电流产生的磁场引起的噪声。结果，该电阻材料用作发电机、电阻控制机动车或各种工业领域不同目的的电阻器。

Claims (2)

1.电阻材料，该材料的组成如下：C最高达0.1质量％、Si最高达5质量％、Mn最高达6质量％、Cr9-32质量％、Ni6-25质量％、N最高达0.2质量％以及余量除不可避免的杂质外为Fe，同时其条件为，将式(1)规定的A值和式(2)规定的B值分别调节至不小于78和14。
A＝0.008×(％Cr)3-0.43×(％Cr)2+8.03×(％Cr)+6.8×(％Si)
   +10.9×(％Al)+0.56×(％Mo)+0.92×(％Ni)       ........(1)
B＝(％Ni)+(％Cu)+0.6×(％Mn)+9.69×(％C+％N)
   +0.18×(％Cr)-0.11×(％Si)2                   ........(2)
2.如权利要求1所述的电阻材料，其中该材料还包含有一种或多种最高达3质量％的Mo、最高达4质量％的Cu、最高达5质量％的Al、最高达0.4质量％的Ti、最高达0.4质量％的Nb以及最高达0.005质量％的B。
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