鎳基耐蝕合金及其制造方法
【摘要】本發(fā)明公開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，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)入市場的，其目的是在一個(gè)相對較低的Ni含量 下滿足耐熱、耐蝕的需求。在過去的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，通過成分對比，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，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 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)施例和對比例的化學(xué)成分百分含量對比圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例和對比例的力學(xué)性能對比圖。
【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， 含量過高不利于保證其耐腐蝕性。該元素冶煉過程中常有殘留，選擇其質(zhì)量百分含量范圍 <1. 5%〇
[0048] Α1和Ti :主要通過影響位錯(cuò)行為來強(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 粒度等級達(dá)到3. 5-5級。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)工藝流程簡單、產(chǎn)品質(zhì)量優(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)的成分對比表。
[0067]
[0068]
[0069] 如圖2和圖3所示，下面通過多次實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)施例和對比例的數(shù)據(jù)比較來說明 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)性能測試檢測屈服強(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，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)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明， 而并非用作為對本發(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】C22C38/50GK105839027SQ201510016065
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月13日
【發(fā)明人】馬天軍, 鄭宏光, 李元, 徐文亮
【申請人】寶鋼特鋼有限公司