CN105238934A - 一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法 - Google Patents

Abstract

一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法，属于高温合金冶炼技术领域。将铌这种强氮化物形成元素在化料后期加入，而不是随炉加入，待合金熔体中的N大多已脱除后再加入，从而减少难于分解的氮化物夹杂核心的形成；Al、Ti等易烧损且与N有较强亲和力的元素在精炼后期加入。优点在于：该方法只需调整原材料加入顺序，操作简单，易于实现，可以显著提高实际工业生产中高温合金的冶金质量。

Description

一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法

技术领域

本发明属于高温合金冶炼技术领域，特别涉及一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法。

背景技术

高温合金一般使用在600℃以上高温，并且承受较大的复杂应力，使用环境极为苛刻。无论是铸造高温合金还是变形高温合金，其质量及工作性能主要取决于母合金的冶金质量，因此如何获得低杂质高纯净的母合金是极其重要的。高温合金中的N与O、H等被称为残余气体而归为有害元素，该三种有害元素的存在提高合金中夹杂物含量，对合金的性能产生显著的不利影响。

尽管高温合金真空冶炼过程中可以利用碳作为脱氧剂形成活性气泡脱氧和脱氮，但由于氮和高温合金中的主要沉淀强化元素(如Al、Ti和Nb等)具有很强的亲和力，去氮并非易事。通常通过严格筛选原材料、提高真空度等手段来降低高温合金中的N，可接受的N含量水平是20～40ppm。随着技术的发展，对合金的冶金质量要求越来越严格，N含量的控制目标是10～20ppm以下。高温合金中含N量随Cr含量提高而线性增加，高Cr的抗热腐蚀铸造高温合金和变形高温合金中往往N含量偏高，因此必须通过改进冶炼工艺来进一步降低合金中的N含量。在镍基高温合金溶体中，N以固溶状态和氮化物颗粒团簇形式存在，“金属中的氮”冶金工业出版社，1981；“Solubilityofnitrogeninliquidnickel-basedalloys”《MetallMaterTransB》，2001,32(12):1103-1112等研究已证实，N在镍基合金溶体中的固溶度[N]遵循Sievert定律：

$\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{N}_2=\[N\]& \[N\]=k\frac{\sqrt{P_{N_2}}}{f_N}\end{array}$

式中：为N₂的分压，Pa；f_N为镍基合金液中N的活度系数；K为平衡常数。

Nb、Al、Ti等与N亲和力较强的元素，降低N的活度系数f_N，显著增加N在镍基高温合金液中的溶解度[N]，增加脱N困难。

高温合金传统的真空冶炼方法是将除Al、Ti、B等易烧损元素外的其他元素一起随炉加入，通过加入随炉碳的方法在熔炼过程中去气[专利：CN101994019A]，所需精炼温度高、精炼时间长，并且往往只对脱氧起作用，脱氮效果并不明显。而采用经脱气处理的高纯净度原料进行真空感应熔炼能够获得低杂质含量的母合金[专利：CN1552928A]，该方法工艺复杂，且极大提高了熔炼成本，降低产品的市场竞争力，因此，有必要需找一种简单可行、易于实现的降低高温合金中N含量的真空感应熔炼方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法，解决了高温合金现有真空冶炼技术脱氮效果不佳和生产成本高的问题。该方法将铌这种强氮化物形成元素在化料后期加入，而不是随炉加入，待合金熔体中的N大多已脱除后再加入，从而减少难于分解的氮化物夹杂核心的形成。Al、Ti等易烧损且与N有较强亲和力的元素在精炼后期加入。本方法相比于传统的将铌随炉加入方法能够显著降低冶炼合金中氮的含量，该方法只需调整原材料加入顺序，操作简单，易于实现，可以显著提高实际工业生产中高温合金的冶金质量。

一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法，具体步骤及参数如下：

1)合金的熔炼：在真空感应炉内的坩埚中从底部由下而上依次装入除Nb外的各合金。然后抽真空，当真空度达到≤2Pa时，以100～150KW功率加热，排出炉料上附着的气体；当真空度达到≤1Pa时，以220～270KW功率化料，直到炉料完全熔化；炉料完全熔化后，合金液熔清后，以5-10℃/分钟的速率降温，使合金液表面冷冻结膜；而后加入Nb，加Nb完毕后，以220～270KW大功率升温化料直到炉料全部熔化；

2)合金一次精炼：炉料全部熔化后，升温至1530～1580℃，高温精炼25～30分钟后停电结膜；

3)冷却结膜后，以220～270KW大功率升温破膜，破膜后加入Al、Ti、C，并且均匀搅拌；

4)合金二次精炼：继续升温，炉料温度在1500～1550℃时精炼3～10分钟；

5)浇注：炉温调至1450～1490℃，进行浇注。

本发明的优点在于：

1)本发明将铌这种强氮化物形成难熔元素在化料后期，熔清前期加入，能够显著减少在化料过程中难分解的氮化物夹杂的形成；

2)本发明精炼后期加入Al、Ti等易烧损且与N有强亲和力的元素，能够进一步减少氮化物夹杂的形成，并且能够精确控制Al、Ti等元素的成分；

3)本发明只需调整加料顺序，无需添加任何辅助设备，简单可行，易于实现。

具体实施方式

实施例1

本实施例中合金成分配入点及原材料纯度如表1所示

表1

元素	Cr	Mo	Fe	Al	Ti	Nb	C	Ni
									配入点(wt.％)	19.0	3.02	17.9	0.65	1.05	5.0	0.045	余
原材料纯度(％)	99.0	99.6	99.9	99.7	99.6	99.9	-	99.96

1)合金的熔炼：在真空感应炉内的坩埚中从底部由下而上依次装入40～50％Ni、全部Fe、随炉C、全部Mo、全部Cr和剩余Ni。然后抽真空，当真空度达到2Pa时，通过120KW功率加热排出炉料上附着的气体；当真空度达到1Pa时，开始以250KW功率化料，直到炉料完全熔化；炉料完全熔化，合金液熔清后，以5℃/分钟的速率降温，使合金液表面冷冻结膜。而后加入全部Nb；加Nb完毕后，以250KW大功率升温化料直到炉料全部熔化；

2)合金一次精炼：炉料全部熔化后，升温至1540℃，高温精炼25分钟后停电结膜；

3)冷却结膜后，以250KW大功率升温破膜，破膜后加入Al、Ti、C，并且均匀搅拌；

4)合金二次精炼：继续升温，炉料温度在1500℃时精炼5分钟；

5)浇注：炉温调至1480℃，进行浇注。

表2

元素	Cr	Mo	Fe	Al	Ti	Nb	C	Ni
									传统冶炼方法	18.79	3.10	余	0.69	1.10	4.95	0.039	52.86
本发明冶炼方法	18.83	3.08	余	0.66	1.10	4.94	0.032	52.92

在所用原材料批次、纯净度完全相同条件下，采用以上方法冶炼的高温合金的N含量明显降低，表3为分别采用传统的方法冶炼合金和本发明方法冶炼合金的N含量对比。

表3

元素	N(ppm)
		传统冶炼方法	69
本发明冶炼方法	32

实施例2

本实施例合金配入点及原材料纯度见表4

表4

元素	Cr	Fe	Al	Ti	Nb	C	Ni
								配入点(wt.％)	15.5	7.0	0.85	2.59	1.00	0.04	余量
原材料纯度(％)	99.0	99.9	99.0	99.0	99.9	-	99.9

1)合金的熔炼：在真空感应炉内的坩埚中从底部由下而上依次装入40～50％Ni、全部Fe、全部C、全部Cr和剩余Ni。然后抽真空，当真空度达到1Pa时，通过150KW功率加热排出炉料上附着的气体；当真空度达到0.8Pa时，开始以220KW功率化料，直到炉料完全熔化；炉料完全熔化，合金液熔清后，以6℃/分钟的速率降温，使合金液表面冷冻结膜，而后加入全部Nb；加Nb完毕后，以250KW大功率升温化料直到炉料全部熔化；

2)合金一次精炼：炉料全部熔化后，升温至1570℃，高温精炼30分钟后停电结膜；

3)冷却结膜后，以250KW大功率升温破膜，破膜后加入Al、Ti、C，并且均匀搅拌；

4)合金二次精炼：继续升温，炉料温度在1520℃时精炼6分钟；

5)浇注：炉温调至1490℃，进行浇注。

表5

元素	Cr	Fe	Al	Ti	Nb	C	Ni
								传统冶炼方法	15.43	7.49	0.79	2.48	1.01	0.033	余量
本发明冶炼方法	15.43	7.21	0.81	2.58	1.05	0.027	余量

在所用原材料批次、纯净度完全相同条件下，采用以上方法冶炼的高温合金的N含量明显降低，表6为分别采用传统的方法冶炼合金和本发明方法冶炼合金的N含量对比。

表6

元素	N(ppm)
		传统冶炼方法	12
本发明冶炼方法	7

Claims (1)

1.一种降低高温合金中氮含量的真空感应熔炼方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：

1)合金的熔炼：在真空感应炉内的坩埚中从底部由下而上依次装入除Nb外的各合金；然后抽真空，当真空度达到≤2Pa时，以100～150KW功率加热，排出炉料上附着的气体；当真空度达到≤1Pa时，以220～270KW功率化料，直到炉料完全熔化；炉料完全熔化后，合金液熔清后，以5-10℃/分钟的速率降温，使合金液表面冷冻结膜；而后加入Nb；加Nb完毕后，以220～270KW大功率升温化料直到炉料全部熔化；

2)合金一次精炼：炉料全部熔化后，升温至1530～1580℃，高温精炼25～30分钟后停电结膜；

3)冷却结膜后，以220～270KW大功率升温破膜，破膜后加入Al、Ti、C，并且均匀搅拌；

4)合金二次精炼：继续升温，炉料温度在1500～1550℃时精炼3～10分钟；

5)浇注：炉温调至1450～1490℃，进行浇注。