專利名稱：一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金材料及其制備工藝，材料具有良好的高溫強(qiáng)度和耐氧化、硫化等腐蝕性能，可以適用于石油和化工領(lǐng)域長(zhǎng)期在高溫的氧化、硫化環(huán)境中的接頭和閥門(mén)等可以鑄造成型的承壓部件，冶煉方法不采用鎳基合金常用的真空冶煉方法，屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎳基合金相對(duì)于以鐵為基的不銹鋼等在諸多復(fù)雜的腐蝕環(huán)境和高溫條件下具有強(qiáng)度和耐腐蝕性能方面的明顯優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空和航天、電力、石油和化工等諸多領(lǐng)域 中。石油和石化廠中的壓力容器、管道、閥門(mén)、接頭及其它設(shè)備使用了不同種類的鐵基和鎳基合金材料。其中在溫度較低和壓力很小的情況下，最常用的是各種以鐵為基的鋼。雖然些材料可以用于高達(dá)四、五百攝氏度的溫度條件下，但是大多數(shù)的情況下，使用溫度限制在350°C左右以下的范圍內(nèi)，因?yàn)闇囟仍俑呔蜁?huì)明顯降低強(qiáng)度，而且氧化和其它形式的腐蝕也會(huì)逐漸嚴(yán)重。鐵基合金增加鉻含量和添加一定量的鑰后，最高使用溫度可以提高到600°Co由于它們的成本相對(duì)低，強(qiáng)度較高，具有耐氧化和硫化的作用，以及在有些情況下它們可以適用于耐某些非腐蝕但卻能夠削弱其性能的環(huán)境，如含有氫的環(huán)境中，從而成為一些領(lǐng)域可以選用的材料。不過(guò)這些低合金相對(duì)于許多Ni-Cr高合金適用的高溫環(huán)境而言，耐蝕性還不夠強(qiáng)，硫化氫和氨都是最常見(jiàn)的這種同溫環(huán)境。對(duì)于碳鋼或低合金鋼等不適用的領(lǐng)域，最常選用的是ISCr-SNi奧氏體不銹鋼系列材料。這些耐蝕不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)許多環(huán)境下的腐蝕，以及在溫度高達(dá)700-800°C時(shí)的耐氧化性。但當(dāng)溫度高于650°C時(shí)，它們的強(qiáng)度開(kāi)始下降。在必須考慮高溫強(qiáng)度的場(chǎng)合時(shí)，經(jīng)常使用耐熱性更好的鎳基合金。在航空、航天、煉油和石化以及現(xiàn)今的超超臨界電站工業(yè)中，所涉及的溫度范圍從低到高，可能要使用各種不銹鋼和鎳基耐熱合金，特別是在較高溫度和腐蝕性強(qiáng)的部位工作的部件，鎳基合金的用途廣，且不斷增加。產(chǎn)品的形式多種多樣，包括壓力容器、管道、集管、旋流器、閥門(mén)、接頭和法蘭等。其中，就包括一些在溫度很高、氧化或硫化嚴(yán)重的的環(huán)境條件下使用的鑄造部件，如閥門(mén)、接頭和法蘭等部件。另一方面，在現(xiàn)今的以化石燃煤為主的電廠中，都面臨提高發(fā)電效率和降低污染物的排放兩大問(wèn)題。在全世界范圍內(nèi)，都正在進(jìn)行不懈的努力，試圖通過(guò)提高蒸汽溫度和壓力的方式，以實(shí)現(xiàn)提高燃煤電站鍋爐的效率和降低煤耗這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。當(dāng)前，世界上運(yùn)行的600°C等級(jí)超超臨界電站的效率一般不超過(guò)45%，在進(jìn)一步提高蒸汽溫度和壓力后，可以繼續(xù)提高效率，如當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到700°C壓力達(dá)到35Mpa時(shí)，電站效率將達(dá)到50%左右，這就是近些年世界各國(guó)都在努力的方向。長(zhǎng)期工作在高溫高壓和硫化/氧化腐蝕環(huán)境條件中，首先需要考慮的就是材料需具有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化/硫化腐蝕性能。在此類電站機(jī)組中，一些管道的接頭和閥門(mén)以及氣缸等，就承受著很高的蒸汽溫度和壓力，一般都采用鑄造部件。在很高的蒸汽溫度和壓力下，使用鎳基合金直接鑄造成型，就是必然的選擇。
在制造方法上，由于現(xiàn)有的鎳基合金主要應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域中，如果逐漸擴(kuò)大在民用領(lǐng)域的延伸和使用，冶煉和制備過(guò)程也需要加以改變和優(yōu)化。合金的冶煉和制備過(guò)程中，對(duì)合金元素的成分、有害元素的含量和夾雜物的控制上要求嚴(yán)格，原來(lái)基本上都采用真空冶煉和真空澆注的制備工藝路線，真空冶煉一般包括真空感應(yīng)熔煉、真空自耗重熔以及電渣重熔等，而且鑄造多采用真空條件下的熔模精密鑄造方法，這樣的情況下，鑄件的重量和尺寸都很小，不能適用于民用領(lǐng)域的大型鑄件。本發(fā)明所涉及到的鎳基鑄造合金，通過(guò)Ni、Cr、Co、Mo、Nb、Ti、Al等元素的合理選擇，采用非真空冶煉方法，可以 直接將合金鑄造鑄造成接頭、閥門(mén)、法蘭等鑄件，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，可以在1000°c以下的高溫范圍內(nèi)及氧化或硫化的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，具有高溫強(qiáng)度耐腐蝕性能的良好結(jié)合，具有在高溫度、高腐蝕性和高壓力下的石油和化工以及電廠中使用的廣闊應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有高溫強(qiáng)度、塑性、相穩(wěn)定性、韌性和耐氧化/硫化/氫化/碳化性能的良好結(jié)合，適合于在高溫度下的含硫氣氛中長(zhǎng)期使用的奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可以通過(guò)以下基本化學(xué)成分的設(shè)計(jì)和技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)合金的化學(xué)組成中(質(zhì)量分?jǐn)?shù))含有< 0.08%的碳(C)、21.0% -25. 0%的鉻(Cr)、8. 0% -10. 0 % 的鈷(Co)、5. 0-8. 0 % 的鑰(Mo), < 4. 0 % 的鐵(Fe)、< 0. 6 % 的硅(Si)、<0.6% 的錳(Mn)、3. 0-4. 5% 的鈮(Nb) ,0. 2% -0.5% 的鈦(Ti) ,0. 2% -0.5% 的鋁(Al)、<0.015%的磷(P)、< 0.015%的硫(S)，余量為鎳(Ni)以及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明所提供的奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其制造工藝步驟是(I)將廢鋼、鉻鐵在非真空的電弧爐中熔化，鋼水熔清后加入鎳板、鎢鐵、鑰鐵、鈷鐵、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C，加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧，加入鋁終脫氧，然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化；(2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀鈮鐵、鋯、鑭(La)或稀土元素(Re)稀土鎂合金所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理；(3)將經(jīng)過(guò)包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過(guò)的鋼水在氬氧脫碳爐+LF鋼包吹氬精煉工藝進(jìn)行精煉；(4)將所精煉好的鋼水在氬氣保護(hù)下直接鑄造成型。合金中的每一種合金化元素選取的范圍根據(jù)其各自的功能具有合理性，其合理性如下所述。Cr是本發(fā)明合金的關(guān)鍵成分，因?yàn)镃r保證了必須的耐高溫氧化和硫化保護(hù)膜的形成。與合金中少量Si (最多0.6%) —起，使得高溫下保護(hù)膜的保護(hù)本質(zhì)更加加強(qiáng)和有效，增加了保護(hù)膜的粘附性、膜的致密性和抗分解能力。Cr含量的最小值保證了能夠在合金表明形成完整Cr的氧化膜。在硫化氣氛和水蒸氣氣氛中，Cr含量的最小值應(yīng)大于20. 0%，Cr含量更高時(shí)加速氧化膜的形成，但是不改變合金表明氧化膜的本質(zhì)。Cr含量的最大值由合金的穩(wěn)定性和加工性決定，其值不超過(guò)25. 0%，以免形成有害相。
Co是一種重要的基體成分，Co有益于在高溫范圍內(nèi)熱硬度和強(qiáng)度的保持，而且對(duì)抗高溫?zé)岣g有益。但是，由于Co的價(jià)格較貴，使其保持一個(gè)不導(dǎo)致有害相析出的、適宜的含量。Co含量的可取范圍為8.0-10.0%。 Mo是重要的固溶強(qiáng)化元素，含量分別控制在小于5. 0-8. 0%之間，當(dāng)過(guò)量加入時(shí)，對(duì)合金的抗氧化和硫化明顯有害，而且可能不利于加工性能。Nb的成分含量在3. 5-4. 5%之間，是本發(fā)明合金中重要的強(qiáng)化元素和晶粒尺寸控制元素。一方面和Al與Ti元素一起作為沉淀強(qiáng)化元素，另一方面Nb和Ti與C反應(yīng)形成一次碳化物(Ti，Nb)C，在鑄造時(shí)作為晶粒穩(wěn)定劑，控制晶粒尺寸。同時(shí)，過(guò)量的Nb降低氧化膜的保護(hù)性能。Al是合金的強(qiáng)化元素，不僅因?yàn)锳l有益于抗氧化，而且它與Ti和Nb —起與Ni形成強(qiáng)化相。Al含量限制在0.2-0. 5%之間。過(guò)高的Al含量將顯著降低合金的塑性、穩(wěn)定性和韌性，降低合金的加工溫度范圍。同時(shí)，在高溫硫化環(huán)境中，也因?yàn)楦逜l含量導(dǎo)致內(nèi)氧化和硫化腐蝕增加。Ti在0. 2-0. 5%之間，是一種重要的強(qiáng)化元素。Ti元素同時(shí)也是重要的晶粒尺寸穩(wěn)定劑，與Nb —起形成一次碳化物(Ti，Nb)C。Ti含量過(guò)高時(shí)將容易發(fā)生內(nèi)氧化而導(dǎo)致降低合金基體的塑性。Mn和Si —般在合金的冶煉時(shí)可以作為脫硫劑使用，而且作為可能作為雜質(zhì)元素廣泛存在于合金中，對(duì)氧化膜的組成有影響。Fe降低合金的耐高溫腐蝕性能，其氧化后與表面的Cr氧化膜組成FeCr2O4尖晶石相而降低Cr2O3的完整性，因此，F(xiàn)e含量應(yīng)當(dāng)保持在4. 0%以下。CO. 08%以下，與Ti和Nb —起形成一次碳化物有助于控制晶粒尺寸，有助于強(qiáng)化晶界提聞持久性能。Ni最重要的基體組成元素，為了保證相穩(wěn)定性、足夠的高溫強(qiáng)度、塑性、韌性和良好的加工能力。本發(fā)明鑄造合金通過(guò)非真空的冶煉方法冶煉并鑄造部件，優(yōu)選的冶煉程序?yàn)橄冗M(jìn)行電弧爐熔煉，再進(jìn)行AOD熔煉，并進(jìn)行鋼包爐精煉，盡量采用氬氣保護(hù)，減少雜質(zhì)，并在氬氣保護(hù)氣氛下鑄造。隨后，在1200°C下進(jìn)行熱處理。表I和圖1-3為在本發(fā)明鎳基鑄造合金成分范圍內(nèi)冶煉實(shí)例的檢測(cè)結(jié)果，分別給出了合金的室溫和高溫的拉伸強(qiáng)度和拉伸塑性結(jié)果、顯微組織分析結(jié)果和不同溫度下的氧化和硫化動(dòng)力學(xué)行為。本發(fā)明鎳基鑄造合金尤其適用于制造大型機(jī)械裝備的管道接頭、閥門(mén)和法蘭等可以直接鑄造成型的承壓部件，并長(zhǎng)期在高的溫度和高的腐蝕環(huán)境工作。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明合金所設(shè)定的元素組合適合于在高溫和高腐蝕性環(huán)境中長(zhǎng)期應(yīng)用。通過(guò)控制Cr含量范圍(21.0-25.0% )，達(dá)到足夠的耐腐蝕性能和不產(chǎn)生相關(guān)的脆性相的目的，獲得不影響合金鑄件應(yīng)用的綜合性能。一般情況下，在努力獲得最大耐高溫腐蝕性能時(shí)，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度的損失。本發(fā)明通過(guò)合金基體元素Ni、Cr、Co和固溶強(qiáng)化元素Mo以及析出硬化元素Nb、Ti、Al的組合和有效平衡，不降低塑性和韌性，又保持強(qiáng)度和耐腐蝕性能。


圖I為本發(fā)明范圍內(nèi)鎳基合金鑄造試樣的時(shí)顯微組織圖像。圖2為本發(fā)明范圍內(nèi)鎳基合金鑄造試樣熱處理后的顯微組織圖像。圖3為本發(fā)明范圍內(nèi)鎳基合金的高溫氧化和硫化動(dòng)力學(xué)曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。 (I)將廢鋼、鉻鐵在非真空的電弧爐中熔化，鋼水熔清后加入鎳板、鎢鐵、鑰鐵、鈷鐵、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C，加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧，加入鋁終脫氧，然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化；(2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12_以下的顆粒狀鈮鐵、鋯、鑭(La)或稀土元素(Re)稀土鎂合金所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理；(3)將經(jīng)過(guò)包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過(guò)的鋼水在氬氧脫碳爐+LF鋼包吹氬精煉工藝進(jìn)行精煉；(4)將所精煉好的鋼水在氬氣保護(hù)下直接鑄造成型。奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金化學(xué)成分見(jiàn)表1，合金的力學(xué)性能見(jiàn)表2。表I奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金化學(xué)成分(重量百分比)
權(quán)利要求
1.一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其特征在于，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，含有 碳(C) :< 0. 08% ;鉻(Cr) 21. 0% -25. 0% ;鈷(Co) :8. 0% -10. 0% ;鑰(Mo) :5. 0-8. 0% ； 鐵(Fe) :< 4.0% ;硅(Si) :< 0.6% ;錳(Mn) :< 0.6% ;鈮(Nb) :3.0-4.5% ;鈦(Ti)0.2% -0. 5% ;鋁(Al) :0. 2% -0. 5% ;磷(P) < 0. 015% ;硼(B):硫(S) < 0. 015% ;余量為鎳(Ni)和冶煉過(guò)程中的不可避免的雜質(zhì)元素；其制造工藝步驟是(1)將廢鋼、鉻鐵在非真空的電弧爐中熔化，鋼水熔清后加入鎳板、鎢鐵、鑰鐵、鈷鐵、硅鐵、錳鐵，控制碳含量達(dá)到要求，爐前調(diào)整成分合格后，將熔體溫度升高至1560 1620°C， 加入硅鈣合金進(jìn)行預(yù)脫氧，加入鋁終脫氧，然后依序加入鈦鐵和硼鐵熔化；(2)當(dāng)鈦鐵和硼鐵全部熔化后，將小于12_以下的顆粒狀鈮鐵、鋯、鑭(La)或稀土元素(Re)稀土鎂合金所組成的復(fù)合變質(zhì)孕育劑用薄鐵皮包好，經(jīng)160 200°C的溫度烘烤后放在鋼水包的底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)冶煉好的鋼水進(jìn)行變質(zhì)孕育處理；(3)將經(jīng)過(guò)包內(nèi)變質(zhì)孕育處理過(guò)的鋼水在氬氧脫碳爐+LF鋼包吹氬精煉工藝進(jìn)行精煉；(4)將所精煉好的鋼水在氬氣保護(hù)下直接鑄造成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量 ％ 計(jì))21-25% 的鉻(Cr)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))8-10%的鈷(Co)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))5-8%的鑰(Mo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))< 4%的鐵(Fe)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))< 0.6%的硅(Si)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))< 0.6%的錳(Mn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))3.0-4. 5% 的鈮(Nb)、0. 2-0. 5% 的鋁(Al)和 0. 2-0. 5% 的鈦(Ti)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))< 0. 015%的磷⑵。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，其含有(以質(zhì)量％計(jì))< 0. 015%的硫(S)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種奧氏體耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，所述合金采用EAF+AOD+LF方法冶煉，在冶煉和鑄造過(guò)程中采用氬氣保護(hù)。
全文摘要
一種耐蝕鎳基鑄造合金及其制造工藝，屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，其化學(xué)組成，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，含有＜0.080％的碳(C)、21.0％-25.0％的鉻(Cr)、8.0-10.0％的鈷(Co)、5.0-8.0％的鉬(Mo)、＜4.0％的鐵(Fe)、3.0-4.5％的鈮(Nb)、＜0.6％的硅(Si)、＜0.6％的錳(Mn)、0.2％-0.5％的鈦(Ti)、0.2％-0.5％的鋁(Al)、＜0.015％的磷(P)、＜0.015％的硫(S)，余量為鎳(Ni)和不可避免的雜質(zhì)元素。采用非真空的電弧爐中熔化，氬氧脫碳爐+LF鋼包吹氬精煉工藝進(jìn)行精煉，在氬氣保護(hù)下直接鑄造成型。
文檔編號(hào)C22C1/06GK102628126SQ20121014085
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者丁剛, 丁家偉, 唐華平, 姚紀(jì)龍, 孫健, 耿德英, 趙雙群 申請(qǐng)人:丹陽(yáng)恒慶復(fù)合材料科技有限公司