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摘要：从电热合金的氧化机理着手，分析讨论电热合金的抗氧化性能，提出相应延长电热合金寿命的策略，为电热合金的生产单位和使用用户提供一定的借鉴。
关键词：电热合金；寿命；抗氧化性能
电热合金是一种能利用导体自身电阻加热而产生热量的金属材料，主要用于制造工作温度500-1400℃范围内的电热元件，其具有线路简单、不需要复杂的加热装备、使用方便、价格便宜等优点，在各种加热炉和干燥设备以及家用电器上得到广泛应用，如今最广泛使用的有铁铬铝系（如0Cr25Al5）和镍铬系（如Cr20Ni80）.
作为电热合金寿命的重要指标抗氧化性能，提高了材料的抗氧化性能即可延长电热合金的寿命。抗氧化性能是表示合金在高温时抵抗氧化气氛的腐蚀能力，性能的高低用合金的氧化速度表示。
1电热合金的氧化机理
电热合金高温氧化过程分氧化膜形成、稳定和破坏三个阶段。初期，合金快速被氧化，在表面形成一层连续的氧化膜，此为第一阶段；当合金表面现成氧化膜后，氧继续向合金内部缓慢渗透，与膜下的合金元素发生氧化反应，形成内氧化层，此为第二阶段；当内氧化发展到一定限度时，氧化膜产生裂纹，导致内部的合金大量被氧化，氧化膜开始出现大量裂纹直致破坏，此为第三阶段。总之电热合金的氧化过程就是一种破坏过程的反映，直接影响电热合金的寿命。
镍铬系合金的氧化反应过程：从温度500℃开始，合金主要元素Ni、Cr、Fe、Si和氧反应生产NiO、Cr2O3、Fe2O3和SiO2氧化物，900℃时形成以较致密、附着性也较强的Cr2O3为主的氧化膜，起到一定的保护作用；当温度升到900℃以上时，镍开始大量氧化生成的NiO同Cr2O3形成尖晶石型化合物NiCr2O4，这种化合物的出现会使氧化速度急剧增长，1000-1100℃时氧化膜转变成双层机构，变得疏松致密度下降。在1000℃时合金中的Si元素和NiO、Fe2O3进行还原反应生产SiO2，分布在氧化膜与基体金属的界面处，可以提高氧化膜的致密性，阻碍氧的渗入，降低合金的氧化速度。而高温下锰会氧化成MnO并同Cr2O3结合形成锰尖晶石MnCr2O4，铁的作用和锰相似，故合金中锰和铁会降低合金的抗氧化性能，增加氧化速度。
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图1 Cr20Ni80中硅含量与氧化增重的关系 图2 碳对0Cr25AL5电热合金高温抗氧化性能的影响
铁铬铝系合金的氧化反应过程：温度700℃以下Fe、Cr、Al氧化反应生产Fe2O3、Cr2O3、Al2O3氧化物，温度700℃以上Fe2O3和Cr2O3被Al还原反应生产Al2O3。温度较低时氧化膜主要以Cr2O3、Al2O3和FeAl2O4尖晶石组成，保护作用一般，温度越高，氧化时间越长，氧化膜转变成稳定的Al2O3，氧化膜的致密性进一步提高，阻碍氧离子继续渗透，降低合金的氧化速度。合金中碳在高温下和Cr生产Cr3C2，并与氧反应生产Cr和气体CO，生产的CO气泡从氧化膜下逸出从而破坏氧化膜的致密性，加快合金的氧化速度，图2为碳对铁铬铝0Cr25AL5电热合金高温抗氧化性能的影响。
稀土元素的作用，稀土作为钢铁工业的味精现在广泛应用于合金材料中，电热合金中稀土的加入能细化合金晶粒，稀土氧化后在氧化膜中出现次相的稀土氧化物，改变了氧化膜的组成和结构，形成的稀土氧化物富集在界面层内，阻缓氧向合金内扩散，增强氧化膜同基体金属的附着力，形成“钉扎”作用，增加了氧化膜的致密性，从而提高了电热合金的抗氧化能力。
表1 镍铬系合金中稀土元素含量与氧化速度的关系
2延长电热合金寿命的方法
2.1保证电热合金中合理的铬、铝、硅元素含量
铬是提高镍铬系电热合金抗氧化性能的关键元素，图1可以看出硅含量1-2%之间时，对镍铬系合金的抗氧化性能达到最佳效果；铁铬铝电热合金中，铝和铬是提高抗氧化性能的主要元素，其中铝的作用大于铬，适量的硅也能提高抗氧化性能。
2.2控制电热合金中锰、铁、碳元素含量
合金中锰、铁、碳能降低抗氧化性能、影响合金寿命，其含量要严格控制，锰的含量控制在0.5%以下比较合理；出于经济原因好多生产厂家生产的Cr20Ni80仍保持较高的铁含量，这会大大影响电热合金的寿命，Cr20Ni80合金中铁的含量应控制在1%以下；图2显示氧化速度和0Cr25AL5电热合金中碳含量呈线性关系，控制铁铬铝电热合金中碳含量能有效提高抗氧化性能，延长电热合金的寿命。
2.3电热合金中加入适量的稀土元素
研究表明在电热合金冶炼时加入微量的镧、铈、钇或混合稀土合金能显著提高合金的抗氧化性能，表1/2显示合金中稀土元素的加入明显降低了合金的氧化速度，有效的延长了电热合金寿命。
2.4电热合金的预氧化处理
电热合金使用前进行预氧化处理，通电加热至足够温度保温足够长时间，然后停电缓慢冷却，让表面形成具有理想的保护性好的氧化膜，其中温度是最重要条件，它必须高于正常使用温度。镍铬系电热合金预处理温度不应低于900℃，合金表面形成以Cr2O3、NiO为主的氧化护膜；铁铬铝电热合金预处理温度高于1000℃以上，使其表面形成以Al2O3为主的氧化保护膜。尤其在电热合金已经做成元件的情况下，预氧化处理不失为一种有效的延长合金寿命的办法。
3结语
电热合金是种高效的电能转化热能材料，也是使用中正常损耗的材料，有效的延长合金的使用寿命，可以降低电热合金的更换频率，提高电热合金的利用率。
参考文献：
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