CN108715951B

CN108715951B - 一种多相组织的镍铬铁系高温合金及制备方法

Info

Publication number: CN108715951B
Application number: CN201810329562.9A
Authority: CN
Inventors: 胥忠伟; 李济林; 李先全; 郭键; 胡乐
Original assignee: Chongqing City Beibei District Alfa Alloy Materials Research Institute
Current assignee: Chongqing Alfa metal material Co.,Ltd.
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: CN108715951A

Abstract

本发明涉及一种多相组织的镍铬铁系高温合金及制备方法，其中合金的各组分重量百分含量为：Ni：35.0～45.0%；Cr：30.0～42.0%；Fe：余量；W：0～3.00%；Nb：0～3.00%；C：0.30～1.10%；Si≤2.00%；Mn≤2.00%；Al≤1.00%；B≤0.02%；V≤1.00%；S≤0.035%；P≤0.035%；La≤0.5%。该合金组分中的W、Nb、C、Si、Mn、Al、B、V、La等，起固溶、晶界及二相强化作用，采用高纯净熔炼+电渣重熔双联冶金工艺技术，通过热加工、热处理改善合金的组织力学性能，所得合金具有抗渗碳、抗焦化、抗硫化、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的性能。

Description

一种多相组织的镍铬铁系高温合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种镍铬铁系高温合金，特别涉及一种多相组织的镍铬铁系高温合金及制备方法。

背景技术

在碳素厂、焦化炉、熔融硅酸盐、熔融硫酸盐环境条件下，需要具有高温高强度、优异的抗氧化特性、良好的耐腐蚀能力的合金材料，制作成可在高应力高温腐蚀条件下长时工作的零部件，如保护管、漏板、通气管、过热管、溢流口、喷管及塔等装置部件。

在不同环境条件下工作的零部件，对材料的要求是不同的，既要求材料的性能，也要求材料的可加工性，更要考虑材料的经济性。

目前，在碳素厂、焦化炉、熔融硅酸盐、熔融硫酸盐等环境条件下可使用的合金材料，有K407、GH5K、GH3007、MGH4755 等合金材料，这类合金材料都有其局限性，且经济性不高。如：K407铸造合金塑性低，不易做复杂件；MGH4755弥散强化合金可加工性差，难于做长大件；GH3007强度低，高温耐温性不够；即使GH5k在高温高强度、抗氧化、耐腐蚀等综合特性相对较好，也难以满足零部件加工特性及服役工况条件要求，从而影响零部件可使用性、寿命及可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多相组织的镍铬铁系高温合金及制备方法，发明所述合金具有高温高强度、优异的抗氧化、耐腐蚀及耐磨损的能力，以及较好的经济特性。发明所述合金为多相复合强化合金，具有抗焦化、抗渗碳、抗硫化、抗氧化、抗磨损特性及优良的耐腐蚀、优异的高温高强度能力，并具有较好的热加工塑性，适合制作在高温承受持久应力及各种强腐蚀服役环境工作的零部件。

本发明所述镍铬铁系高温合金，各组分重量百分含量为：Ni：35.0～45.0%；Cr：30.0～42.0%；Fe：余量；W：0～3.00%；Nb：0～3.00%；C：0.30～1.10%；Si≤2.00%；Mn≤2.00%；Al≤1.00 %；B≤0.02%；V≤1.00%；S≤0.035%；P≤0.035%；La≤0.5%。

上述的镍铬铁系高温合金，较好的技术方案是，C：0.30～0.80%；Cr：32.0～37.0%；Ni：37.0～43.0%；Nb：0.75～2.00%；W：0.25～2.00%；Si：1.00～2.00%；Mn≤1.00%；Al：0.15～0.30%；B：0.004～0.01%；V：0.05～0.2%；S≤0.01%；P≤0.015%；La：0.1～0.2%；余量为Fe。

所述组分中W+Nb为1～3%，以保证合金的高温高强度及耐磨损性能；Al+B+V+La≤0.8%，既保障合金的力学性能，又维持好的热加工性能。

上述合金的多相组织为GAMMA+M₂₃C₆+G +MC或GAMMA+M₂₃C₆+G + SIGMA或GAMMA+M₂₃C₆+G +BCC。

上述镍铬铁系高温合金的制备方法，有以下步骤：

1)真空感应炉熔炼

按照上述的配比，将Ni、Cr、Fe、Nb、W装入真空感应炉坩埚中，熔化后1550～1650℃精炼15～45分钟，真空度≥5Pa；加入C、Si、Mn，熔化后1500～1600℃精炼10～25分钟，真空度优于3Pa；再充氩气保护下加入Al、V、B、La，熔化后1450～1550℃精炼5～15分钟后，浇铸成电渣重熔电极棒；

2)电渣重熔

用CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO及SiO₂作为渣料，将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，将步骤1）所得电渣重熔电极棒下降并***熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为4000±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，凝固成电渣锭；

3)热加工

步骤2）所得的电渣锭热加至1080～1220℃，保温1～4h，1040～1180℃热加工成棒材；

4)热处理

步骤3）所述的棒材进行固溶热处理，其工艺参数为：1040～1120℃×0.5～2.5h，水淬。

步骤2）所述渣料各组分重量百分含量为：CaF₂为50～70%、Al₂O₃为10～30%、CaO为5～15%、MgO为0～10%、SiO₂为0～8%。

当W+Nb为1～3%；Al+B+V+La≤0.8%时，步骤4）所述合金固溶处理后的力学性能，室温：抗拉强度Rm≥800MPa，屈服强度Rp0.2≥450MPa，延伸率A≥30%，1100℃：抗拉强度Rm≥65MPa，屈服强度Rp0.2≥40MPa，延伸率A≥30%。

本发明所述高温合金，其中主要元素的作用为：

Ni价格贵，但作为合金基体，可溶解较多的Cr、Fe、Nb、W、Si等合金元素进行合金化，且仍然保持γ奥氏体相的稳定性，保障合金的强度、韧性及耐蚀性。

Cr提高合金的热稳定性，加入Cr可形成富Cr₂O₃的抗氧化和耐热腐蚀的保护层，同时还通过Cr 的固溶强化、MC、Cr₂₃C₆等第二相强化来提高合金热强性及耐磨性，其越高，变形难度越大。

Fe降低合金耐蚀性能，但廉价，当它加入到价格贵的镍为基体的高温合金中，不仅可以降低成本，而且其晶格常数与镍相差3%，由于晶格膨胀而引起长程应力场，阻碍位错运动。降低镍基奥氏体的堆垛层错能，起固溶强化作用，提高合金屈服强度，使合金具有好的综合性。

C是奥氏体强烈形成元素，节约价格贵的奥氏体基体镍元素。C一部分溶于γ固溶体中，引起晶格畸变，产生弹性应力场强化，从而提高γ固溶体强度，起到固溶强化作用；一部分与Cr、Nb及W形成一系列碳化物M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C及M₂（C、N），主要分布于晶界，起晶界强化；C含量越多，合金的热强性越高，但过高则增加加工工艺难度，因此，本发明C的百分含量为0.3～1.10%。

Si溶于镍基奥氏体中提高合金的强度及耐硫酸融盐腐蚀的能力，加入Si在氧化气氛中可形成一层SiO₂薄膜，提高合金高温抗氧化性。

Nb溶入Ni基奥氏体合金中，起固溶强化和固碳作用，提高合金的高温性能，一部分与C生成MC型碳化物，在热处理或使用过程中分解生成低碳高Nb的化合物M₂₃C₆或M₆C，主要分布于晶界、起晶界强化，能提高合金的耐蚀磨损能力，过高增加变形抗力。

W在合金中除形成碳化物外，部分也溶入固溶体中，主要作用是增加合金的红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性，过高同样增加加工工艺难度。

所述合金的组分中应同时含有一定量的W及Nb，以提高合金的耐蚀、耐磨及抗冲击性能，本发明的W+Nb含量为1～3%。

Al、B、V及La元素起净化组织和细化晶粒作用，综合提高合金的加工性能、热强性、耐磨性、抗氧化性及耐蚀性，本发明Al、B、V及La元素的总百分含量控制在不超过零点八的水平。

本发明所述合金的有益效果是：以Ni-Cr-Fe系为合金基体，采用C、Nb、W、Si共同合金化，以及Al、B、V及La元素共同微合金化，使合金具有抗渗碳、抗焦化、抗硫化、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损及抗高温持久应力的性能。采用真空熔炼及电渣重熔的双联冶金工艺，纯净了合金成分，改善了合金组织性能，保障了合金材料的加工性、结构部件的使用特性及经济性。与背景技术所述的几种合金相比，本发明所述高温合金在抗热、抗蚀、抗磨及经济性等综合性能方面有明显优势。

本发明所述高温合金可用于抗渗碳、耐熔（硅酸、硫酸、硝酸）盐等复杂苛刻环境条件下的保护管、漏板、通气管、过热管、溢流口、喷管及塔等结构部件。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

附图说明

图1为本发明所述合金的固溶热处理后组织图；

图2为本发明所述合金的相组成曲线图。

具体实施方式

本发明所述合金组分及含量如表1所示：

表1 镍铬铁系高温合金组分含量

上述高温合金按照以下方法制备：

1)真空感应炉熔炼

按上述配比将Ni、Nb、W、Cr、Fe放入真空感应炉中，熔化后1550～1650℃精炼15～45分钟，真空度优于5Pa；加入C、Si、Mn，熔化后1500～1600℃精炼10～25分钟，真空度优于3Pa；再充氩气保护下加入Al、B、V、La，熔化后1450～1550℃精炼5～15分钟后，浇铸成电渣重熔电极棒；

2)电渣重熔

用CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO及SiO₂作为渣料，渣料各组分的重量百分含量：CaF₂为50～70%、Al₂O₃为10～30%、CaO为5～15%、MgO为0～10%、SiO₂为0～8%将渣料加热至熔融状态。将步骤1）所得电极棒***结晶器中，下降至将近电渣炉底板位置，并倒入熔融渣料，通电，调整电渣重熔电流，其电流为4000±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，电渣重熔成电渣锭；

3)热加工

4)热处理

步骤3）所述的棒材进行固溶热处理，其工艺参数如下：1040～1120℃×0.5～2.5h，水淬；

表2为表1所述高温合金制备技术工艺参数及性能试验结果：

表2 镍铬铁系高温合金制备技术工艺参数及性能试验结果

Claims

1.一种多相组织的镍铬铁系高温合金，其特征在于，各组分重量百分含量为，C：0.30～1.10%；Cr：30.0～42.0%；Ni：35.0～45.0%；Nb：0～3.00%；W：0～3.00%；Si≤2.00%；Mn≤2.00%；Al≤1.00 %；B≤0.02%；V≤1.00%；S≤0.035%；P≤0.035%；La≤0.5%；余量为Fe；所述合金组分中Al+B+V+La≤0.8%，所述合金组分中W+Nb为1～3%；

该合金采用以下步骤制备得到：

1)真空感应炉熔炼

2)电渣重熔

用CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO及SiO₂作为渣料，将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，将步骤1）所得电渣重熔电极棒缓慢下降并***熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为4000±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，凝固成电渣锭；

3)热加工

4)热处理

2.根据权利要求1所述的镍铬铁系高温合金，其特征在于，各组分重量百分含量为：

C：0.30～0.80%；Cr：32.0～37.0%；Ni：37.0～43.0%；Nb：0.75～2.00%；W：0.25～2.00%；Si：1.00～2.00%；Mn≤2.00%；Al：0.15～0.30%；B：0.004～0.01%；V：0.05～0.2%；S≤0.01%；P≤0.015%；La：0.1～0.2%；余量为Fe。

3.根据权利要求1-2任一所述的镍铬铁系高温合金，其特征在于：该合金的多相组织为GAMMA+M₂₃C₆+G +MC或GAMMA+ M₂₃C₆ +G + SIGMA或GAMMA+ M₂₃C₆+G +BCC。

4.镍铬铁系高温合金的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1)真空感应炉熔炼

按照权利要求1-2任一所述的配比，将Ni、Cr、Fe、Nb、W装入真空感应炉坩埚中，熔化后1550～1650℃精炼15～45分钟，真空度≥5Pa；加入C、Si、Mn，熔化后1500～1600℃精炼10～25分钟，真空度优于3Pa；再充氩气保护下加入Al、V、B、La，熔化后1450～1550℃精炼5～15分钟后，浇铸成电渣重熔电极棒；

2)电渣重熔

3)热加工

4)热处理

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤2）所述渣料各组分重量百分含量为：

CaF₂为50～70%、Al₂O₃为10～30%、CaO为5～15%、MgO为0～10%、SiO₂为0～8%。