鎳基耐蝕合金及其制造方法
【摘要】本發(fā)明公開(kāi)了鎳基耐蝕合金及其制造方法。鎳基耐蝕合金的質(zhì)量百分含量為：C 0.06～0.10％、Si≤1.0％、Mn 0～1.50％、Cr 18.0～25.0％、P≤0.035％、S≤0.010％、N≤0.020％、Ni 26.0～35.0％、Ti 0.15～0.60％、Al 0.15～0.60％、Mg 0.001～0.005％、Cu+O≤0.5％、余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其中，Ti+Al的質(zhì)量百分含量控制在0.5～1.2。鎳基耐蝕合金的制造方法主要包括：煉鋼、連鑄、修磨、熱軋、熱軋鋼板退火酸洗、冷軋、冷軋鋼板退火酸洗和分卷。本發(fā)明的鎳基耐蝕合金及其制造方法鎳基耐蝕合金通過(guò)元素種類和含量的合理設(shè)計(jì)，具有力學(xué)性能*、抗高溫蠕變優(yōu)良等特點(diǎn)，適用于制造加熱爐、反應(yīng)器等的零部件。
【說(shuō)明】
鎮(zhèn)基耐蝕合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及耐蝕合金的成分和制造方法，更具體地說(shuō)，涉及鎳基耐蝕合金及其制 造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎳基耐蝕合金是20世紀(jì)50年代進(jìn)入市場(chǎng)的，其目的是在一個(gè)相對(duì)較低的Ni含量 下滿足耐熱、耐蝕的需求。在過(guò)去的50多年間，此類鎳基耐蝕合金因其高溫強(qiáng)度、耐氧化性 及其他高溫耐蝕性能而得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用包括熔爐裝置、油管、油槽、熱交換器、蒸汽動(dòng)力 渦輪等。這些裝置的性能和運(yùn)行可靠性，將直接影響重要設(shè)備整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 本發(fā)明是一種新型鎳基耐蝕合金，在高溫下具有較高強(qiáng)度和持久蠕變性能。
[0003] 鎳基耐蝕合金具有全奧氏體顯微組織?；瘜W(xué)工業(yè)使用的幾乎所有的鎳基耐蝕合金 都是固溶強(qiáng)化狀態(tài)。部分合金添加有效硬化元素，如Mo和Cu，提高合金的強(qiáng)度。也采用添 加 Al、Ti等幾種微合金元素來(lái)強(qiáng)化合金基體，確保鎳基耐蝕合金具有設(shè)計(jì)要求的性能。然 而，部分品種添加 Mo和Cu等合金成分會(huì)顯著增加成本，并且增加生產(chǎn)工藝的難度。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中存在3種Ni-Cr-Fe為基體的耐熱鎳基合金，通過(guò)成分對(duì)比，具體內(nèi)容 如下：
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)1，該合金的化學(xué)成分（重量％ )為：
[0006] C0. 05 ~0· 5%，SiO. 2 ~2· 0%，Μη0· 2 ~2. 0%，Cr25. 0 ~32. 0%，Nil5 ~25%， Col5 ~25 %，W+Mo2. 0 ~5. 0 %，Nb0.0 1 ~3. 0 %，Y0. 05 ~0· 2 %，Zr0.0 2 ~0· 10 %， B0. 002 ~0· 010%，余為 Fe。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)2,該合金的化學(xué)成分（重量％ )為：
[0008] Cr :19-21 %, Ν?30-35 %, Mnl. 5-2. 5%, Mo2-3 %, SiO. l-〇. 4%, TiO. 3-0. 5 %, NbO. 1-0. 3 %, V0. 1-0. 5 %, P0. 001-0. 005 %, C0.0 8-0. 12 %, N0.0 1-0. 03 %, B0. 005-0. 01%，F(xiàn)e 余量。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)3,該合金的化學(xué)成分（重量％ )為：
[0010] Crl5-30%，Ni7-45%，Μη 彡 3. 0%，C 彡 0· 1%，S 彡 0· 003%。
[0011] 表1給出了相關(guān)典型鋼種的化學(xué)成分。表2給出了相關(guān)典型鋼種的力學(xué)性能和澆 鑄方式。
[0012] 表1相關(guān)典型鋼種的化學(xué)成分（wt % )
[0013]
[0014] 表2相關(guān)典型鋼種的力學(xué)性能和澆鑄方式
[0015]
[0016]
[0017] 由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的部分鎳基耐蝕合金還不能*目前使用和制造的要 求，需要開(kāi)發(fā)一種強(qiáng)度高、蠕變性能好、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的鎳基耐蝕合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的鎳基耐蝕合金強(qiáng)度、蠕變性能和生產(chǎn)成本均不理想的問(wèn) 題，本發(fā)明的目的是提供鎳基耐蝕合金及其制造方法
[0019] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0020] 一種鎳基耐蝕合金，其質(zhì)量百分含量為：C 0· 06~0· 10%、Si彡1. 0%、Μη 0~ 1.50%、Cr 18.0 ~25·0%、Ρ 彡 0.035%、S 彡 0·010%、Ν 彡 0.020%、Ni 26.0 ~35.0%、 Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0· 001 ~0· 005%、Cu+0 彡 0· 5%、余量為 Fe 和 不可避免的雜質(zhì)。其中，Ti+Al的質(zhì)量百分含量控制在0.5~1.2%。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，Ti的質(zhì)量百分含量為0. 2~0. 5%。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，A1的質(zhì)量百分含量為0. 2~0. 5%。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，0的質(zhì)量百分含量彡0. 001%。
[0024] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：
[0025] -種鎳基耐蝕合金的制造方法，依次包括以下幾個(gè)步驟：煉鋼、連鑄、修磨、熱乳、 熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，煉鋼步驟依次包括：電爐冶煉、氬氧脫碳冶煉（A0D)和鋼 包精煉（LF)。在A0D冶煉結(jié)束后，加入部分A1和Ti，在LF精煉末期再補(bǔ)加 Al、Ti和Mg， 并進(jìn)行軟攪拌。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，連鑄步驟的拉速控制為0. 4-1. Om/min，加強(qiáng)電磁攪拌的 電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，連鑄后的板坯等軸晶比例彡40%。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，熱乳步驟括粗乳和精乳，粗乳的溫度為1150 - 1250°C， 精乳的溫度為1050 - 1150°C。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，冷乳的壓下率為60-95%。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，熱乳鋼板退火酸洗的溫度為1050_1200°C。
[0031] 在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的鎳基耐蝕合金及其制造方法鎳基耐蝕合金通過(guò)元素 種類和含量的合理設(shè)計(jì)，具有力學(xué)性能*、抗高溫蠕變優(yōu)良等特點(diǎn)，適用于制造加熱爐、 反應(yīng)器等的零部件。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是本發(fā)明高強(qiáng)度鎳基耐蝕合金的成分含量示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例和對(duì)比例的化學(xué)成分百分含量對(duì)比圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例和對(duì)比例的力學(xué)性能對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0036] 本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度鎳基耐蝕合金，能夠滿足熱交換器、蒸汽動(dòng)力 渦輪使用環(huán)境，具有良好的蠕變性能、焊接性能以及抗高溫氧化腐蝕性能。
[0037] 本發(fā)明在成分設(shè)計(jì)上采用高鋁、鈦設(shè)計(jì)，不需要添加 Mo、Cu等昂貴的金屬元素。通 過(guò)添加適量Al、Ti，控制適當(dāng)?shù)腗g，控制較低含量的0,這樣使材料既有較高的強(qiáng)度，良好的 加工成型性能、以及抗高溫氧化腐蝕性能。且材料成本相對(duì)較低。
[0038] 因此，如圖1所示，本發(fā)明所提供的鎳基耐蝕合金，其成分質(zhì)量百分比含量為：
[0039] C 0· 06 ~0· 10%、Si 彡 1. 0%、Μη 0 ~1. 50%、Cr 18. 0 ~25. 0%、P 彡 0· 035%、 S 彡 0· 010%、N 彡 0· 020%、Ni 26. 0 ~35. 0%、Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0. 001~0. 005%、Cu+O彡0. 5%、余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0040] 優(yōu)選地，Ti的質(zhì)量百分含量為0. 2~0. 5%，A1的質(zhì)量百分含量為0. 2~0. 5%， 〇的質(zhì)量百分含量彡0.001%。
[0041] 下面將上述本發(fā)明采用的合金成分進(jìn)行說(shuō)明：
[0042] C和N :本發(fā)明鋼種屬于鎳基耐蝕合金，在這種情況下，C含量主要影響碳化物的析 出量和析出溫度范圍。Ti和Cr均是很強(qiáng)的碳化物形成元素，但在平衡態(tài)下，TiC比％3(：6先 析出。實(shí)驗(yàn)分析證明，C在晶界偏聚并產(chǎn)生細(xì)小顆粒狀的二次TiC，它可以阻止晶界滑動(dòng)和 裂紋形成，有利于持久性能的提高，但C含量太高時(shí)，晶界二次TiC析出太多，甚至形成TiC 薄膜，這會(huì)使晶界變脆，裂紋易于擴(kuò)展，持久性能下降。
[0043] 碳和氮具有一定的強(qiáng)化作用，但是，過(guò)高的碳和氮含量會(huì)降低材料的耐蝕性能。目 前冶煉設(shè)備的生產(chǎn)能力能夠滿足將碳和氮控制在所要求的范圍內(nèi)。這樣，既有利于改善材 料力學(xué)性能，又能夠提高材料的抗腐蝕性能。
[0044] Ni :鎳基耐蝕合金中的基體元素，具有很好的相穩(wěn)定性，相比Fe基和Co基高溫合 金能固溶更多合金元素而不生成有害的相。隨著Ni含量的增加，高溫拉伸強(qiáng)度逐漸升高， 這是由于合金含Ni量較低時(shí)，Ni大部分固溶于奧氏體中，擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，提高了合金的 再結(jié)晶溫度，使得合金的高溫蠕變能力得以提高。通過(guò)調(diào)節(jié)Ni與其他合金元素的配比可以 控制合金中強(qiáng)化相的數(shù)量，優(yōu)化合金的高溫力學(xué)性能。
[0045] Cr :是提高耐蝕性和強(qiáng)度的主要合金元素。Cr提高鎳基耐蝕合金在氧化性酸中的 耐蝕性，提高其在氯化物溶液中的耐應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等耐局部腐蝕能力。Cr元 素主要起固溶強(qiáng)化作用，也是碳化物形成元素。一方面Cr能固溶于基體相中強(qiáng)化組織，另 一方面能與碳結(jié)合形成M23C6型化合物，在一定程度上起到沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的作用。Cr 是穩(wěn)定合金表面最重要的元素，它在基體材料的表面能形成抗氧化和抗腐蝕的保護(hù)層。
[0046] Si :在鋼中可以提高的高溫強(qiáng)度，但是，Si是易偏析元素，對(duì)鋼的成型性和韌性不 利，必須在冶煉凝固上嚴(yán)格控制。因此，選擇其質(zhì)量百分含量范圍< 1.0%。
[0047] Μη :較弱的奧氏體元素，可抑制鎳基耐蝕合金中S的有害作用，改善熱塑性。但是， 含量過(guò)高不利于保證其耐腐蝕性。該元素冶煉過(guò)程中常有殘留，選擇其質(zhì)量百分含量范圍 <1. 5%〇
[0048] Α1和Ti :主要通過(guò)影響位錯(cuò)行為來(lái)強(qiáng)化合金。鎳基耐蝕合金的高溫性能一定程度 上取決于Al、Ti加入總量和Ti-Al比。增加 Al、Ti總量可以明顯地提高提高固溶溫度、蠕 變強(qiáng)度，但有損塑性。Al、Ti都是增加合金蠕變強(qiáng)度的重要元素，但A1增加蠕變強(qiáng)度的作 用比Ti小，在降低韌性方面A1的作用更強(qiáng)。低Ti-Al比合金一般是用于較高的工作溫度， 高Ti-Al比合金則具有較好的抗熱腐蝕性能。
[0049] Cu、0 :Cu主要來(lái)于鎳基耐蝕合金廢鋼中，加入Cu可以改善腐蝕性能，但加入Cu既 增加材料成本，同時(shí)也導(dǎo)致廢鋼管理成本增加，在滿足腐蝕性能條件下，不添加 Cu。0是鋼 中的雜質(zhì)元素之一，主要以氧化物夾雜形式存在，較高的總氧含量表明夾雜物較高。降低鋼 中總氧含量有利于提高材料的成形性能和抗腐蝕性能。選擇其質(zhì)量百分含量< 〇. 003%，可 以保證材料具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。一般應(yīng)控制（Cu+0) <0.5%。
[0050] P和S :鐵素體鎳基耐蝕合金中P和S會(huì)嚴(yán)重影響鎳基耐蝕合金的耐蝕性和加工性 能，必須嚴(yán)格控制，一般希望控制為P彡0. 035%，S彡0. 003%。
[0051] 本發(fā)明公開(kāi)的鎳基耐蝕合金在使用狀態(tài)下是奧氏體組織，呈面心立方晶體結(jié)構(gòu)。 它具有膨脹系數(shù)小、抗高溫氧化腐蝕優(yōu)良等特點(diǎn)。適用于制造耐高溫腐蝕的零部件。
[0052] 此外，本發(fā)明還提供了上述鎳基耐蝕合金的一種制造方法，包括煉鋼、連鑄、修磨、 熱乳、熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。
[0053] 其中，煉鋼依次包括電爐冶煉、A0D冶煉和LF精煉，在A0D冶煉結(jié)束后，加入部分 A1和Ti，在LF精煉末期再補(bǔ)加 Al、Ti和Mg，并進(jìn)行軟攪拌。在生產(chǎn)過(guò)程中，加入Mg主要 采用加入含鎂合金的方式實(shí)現(xiàn)。一段時(shí)間的軟攪拌能促使鋼中形成細(xì)小的MgO或Mg0Al203夾雜物。
[0054] 優(yōu)選地，連鑄步驟中，拉速控制為0. 4 - 1. Om/min，加強(qiáng)電磁攪拌的電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，所述連鑄后的板坯等軸晶比例彡40%。連鑄板坯修磨可在常 溫下進(jìn)行。
[0055] 進(jìn)一步優(yōu)選地，熱乳包括粗乳和精乳，粗乳的溫度為1150 - 1250°C，精乳的溫度 為1050 - 1150Γ。熱乳前首先去除板坯表面的氧化皮，再進(jìn)行5~7道次粗乳（溫度區(qū)間 1150 - 1250°C )，之后經(jīng)過(guò)5~7道次精乳（溫度區(qū)間1050 - 1150°C )。
[0056] 優(yōu)選地，熱乳鋼板退火酸洗的溫度為1050_1200°C。
[0057] 優(yōu)選地，冷乳的壓下率為60-95%。
[0058] 冷乳之后冷乳板退火酸洗，通過(guò)控制退火溫度和時(shí)間使冷乳板充分再結(jié)晶，且晶 粒度等級(jí)達(dá)到3. 5-5級(jí)。這樣有利于提高全面力學(xué)性能，獲得綜合性能滿足要求的冷乳鎳 基耐蝕合金產(chǎn)品。
[0059] 與相關(guān)典型鋼種相比，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是
[0060] 1.添加了微量元素 Mg。
[0061] 2.采用立式連鑄工藝生產(chǎn)。
[0062] 與現(xiàn)有高強(qiáng)度鎳基耐蝕合金相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0063] 1、合金設(shè)計(jì)中Mg不僅可以改善鋼的強(qiáng)度性能，而且有利于蠕變性能。加入的Mg 形成細(xì)小質(zhì)點(diǎn)有利于提高連鑄坯的等軸晶比例，同時(shí)也改善了材料的綜合力學(xué)性能。
[0064] 2、采用連鑄生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良。
[0065] 3、降低了生產(chǎn)成本。
[0066] 下表所示的是本發(fā)明鎳基耐蝕合金的成分與現(xiàn)有技術(shù)的成分對(duì)比表。
[0067]
[0068]
[0069] 如圖2和圖3所示，下面通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)施例和對(duì)比例的數(shù)據(jù)比較來(lái)說(shuō)明 本發(fā)明鎳基耐蝕合金的優(yōu)點(diǎn)。其中，圖3為實(shí)施例鋼和對(duì)比例鋼的力學(xué)性能和點(diǎn)蝕電位比 較。在圖3中，力學(xué)性能測(cè)試檢測(cè)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、蠕變強(qiáng)度，并且蠕變強(qiáng)度是 在650°C下測(cè)定的值。實(shí)驗(yàn)中取3個(gè)平均值計(jì)算最終結(jié)果，得到的性能結(jié)果如圖3所示。
[0070] 由圖2和圖3可見(jiàn)，適當(dāng)提高Al、Ti含量可以提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)可以改善耐蝕 性能和焊接性能。另一方面，添加適量Mg，可以促使合金中形成細(xì)小的MgO、MgO A1203夾雜 物，從而細(xì)化合金的晶粒，改善材料的延塑性和蠕變強(qiáng)度。從圖3可以看出，本發(fā)明的鎳基 耐蝕合金具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，延伸率，和較高的蠕變強(qiáng)度，明顯優(yōu)于對(duì)比鋼種。
[0071] 本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明， 而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變 化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鎳基耐蝕合金，其特征在于，其質(zhì)量百分含量為： C 0· 06 ~0· 10 %、Si 彡 1. 0 %、Μη 0 ~1. 50 %、Cr 18. 0 ~25. 0 %、P 彡 0· 035 %、 S 彡 0· 010%、N 彡 0· 020%、Ni 26. 0 ~35. 0%、Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0. 001~0. 005%、Cu+O彡0. 5%、余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)； 其中，Ti+Al的質(zhì)量百分含量控制在0. 5~1. 2%。2. 如權(quán)利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，Ti的質(zhì)量百分含量為0. 2~ 0· 5%〇3. 如權(quán)利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，A1的質(zhì)量百分含量為0. 2~ 0· 5%〇4. 如權(quán)利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，0的質(zhì)量百分含量彡0. 001 %。5. -種如權(quán)利要求1所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，依次包括以下幾 個(gè)步驟： 煉鋼、連鑄、修磨、熱乳、熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。6. 如權(quán)利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述煉鋼步驟依次包 括： 電爐冶煉、氬氧脫碳冶煉和鋼包精煉； 在氬氧脫碳冶煉結(jié)束后，加入部分A1和Ti，在鋼包精煉末期再補(bǔ)加 Al、Ti和Mg，并進(jìn) 行軟攪拌。7. 如權(quán)利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述連鑄步驟的拉速 控制為0. 4 - 1. Om/min，加強(qiáng)電磁攪拌的電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，所述 連鑄后的板坯等軸晶比例彡40 %。8. 如權(quán)利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述熱乳步驟括粗乳 和精乳，所述粗乳的溫度為1150 - 1250°C，所述精乳的溫度為1050 - 1150°C。9. 如權(quán)利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述冷乳的壓下率為 60-95 %〇10. 如權(quán)利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述熱乳鋼板退火酸 洗的溫度為1050-1200°C。
【文檔編號(hào)】C22C38/50GK105839027SQ201510016065
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年1月13日
【發(fā)明人】馬天軍, 鄭宏光, 李元, 徐文亮
【申請(qǐng)人】寶鋼特鋼有限公司