碳和氮元素对镍铬（铁）电热合金性能的影响

1.碳对合金性能的影响

在镍铬（铁）电热合金中，通常碳的质量分数为0.06%～0.15%。碳作为杂质元素由冶炼原材料带入，对合金下列性能造成不利影响。碳属于冶炼过程应低控的元素。

（1）降低合金的冷、热加工塑性 常温下碳在奥氏体中的溶解度小于0.02%，合金中多余的碳与铬形成碳化铬。钢液凝固后，碳化铬沿晶界区聚积析出，造成晶界脆化，引起合金塑性下降。因此，合金的塑性随含碳量的升高而下降。同时使合金的强度增加，变形抗力和冷加工硬化倾向增强，导致热、冷加工的性能下降。

（2）降低合金的抗氧化性能 合金在其使用温度下，以碳化物的形式存在的碳，同O₂或CO₂等发生氧化反应产生气态CO。CO气泡从氧化膜下逸出，导致氧化膜破裂，加速了合金的氧化。随着合金含碳量的增加，其氧化速度加快，缩短了电热元件的使用寿命。

由于碳对镍铬（铁）电热合金的影响是害多利少，在冶炼成分控制时，应将含碳量（质量分数）低控在0.04%～0.08%。

2.氮对合金性能的影响

作者曾经研究了氮对镍铬（铁）电热合金性能的影响。研究结果归纳为以下两点。

（1）氮降低合金的高温塑性 图13-10示出Cr20Ni80合金含氮量与锻造成坯率的关系。大量的生产统计数据（40炉次，每炉合金重量1000kg）表明：当合金中的含氮量（质量分数）大于0.030%时，合金的高温塑性明显下降，钢锭锻造裂纹增多，锻造成坯率从90%下降到75%。

经过电镜和能谱仪分析确认：造成Cr20Ni80合金热塑性下降的原因，是合金中的氮化铬同稀土氧硫化物形成复合化合物所致。这种复合化合物的显微硬度为1500HV，而合金基体的硬度为350HV。复合化合物沿晶界分布，为不变形的脆性夹杂物。合金热变形时，在其周围产生裂纹，裂纹扩展导致开裂。这种脆性复合夹杂物的数量，随着合金含氮量的升高而增加。因此，要改善合金的高温塑性，必须严格控制含氮量。当氮的质量分数低于0.030%时，合金的热塑性达到正常水平，锻造成坯率达到90%左右。(www.xing528.com)

图13-10 Cr20Ni80合金含氮量与锻造成坯率的关系（40炉生产统计数据）

（2）降低合金的快速寿命值试验 通过生产检验的统计结果得出表13-10列出的含氮量对Cr20Ni80合金快速寿命值的影响。表中数据表明：随着含氮量的增加，合金快速寿命值缩短。当含氮量（质量分数）超过0.030%时，产生急速下降。氮对快速寿命值的不良影响，与脆性夹杂物Cr₂N和复合型夹杂物的析出有直接关系。在快速寿命值试验时产生的热疲劳应力的作用下，脆性夹杂物是产生裂纹的源头，最终导致试样提前断裂。

表13-10 含氮量对Cr20Ni80合金快速寿命值的影响

注：分子表示范围值，分母表示平均值。

① 每组含氮量为6炉18只试样平均值。

总之，氮是镍铬（铁）电热合金中有害的杂质元素，通过冶炼工艺和选用原材料进行严格控制，使氮含量（质量分数）小于0.030%。