CN112746176A - 控制esr铸锭中微量元素分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，利用管控不同成份之胚料作为电极锭，组合后再进行ESR精炼之方式，来控制钢铁或合金中易烧损之微量元素于长度方向之分布，以降低整体成份变异程度，产出微量元素分布较均匀之成品铸锭。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种控制ESR铸锭中微量元素分布的方法。
背景技术
真空感应熔炼实质就是真空下电流通过感应线圈产生的热量对金属进行熔炼的过程。其原理为真空感应熔炼炉是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料来进行熔炼的方法，将金属熔化的成套真空冶炼设备。适用于科研与生产单位对镍基合金及特殊钢、精密合金、高温合金、有色金属及其合金，在真空或保护气氛下进行熔炼和浇铸。也可用做稀土金属及贮氢材料的熔炼和浇铸。值得注意的有：①洗炉过程一定要使坩埚充分烧结、湿气排干净，否则影响之后的炼钢阶段的真空度不够并影响铸锭的组织。②加入合金元素一定要按次序加入并且充分合金化后再加入其它合金元素。③浇铸时金属液流速要均匀，防止缺陷的产生。
电渣重熔实质是在水冷结晶器中，利用电流通过熔渣时产生的电阻热将金属或合金重新熔化和精炼，并顺序凝固成铸锭的一种特种冶金方法。工作原理如图1所示，具体是指真空感应熔炼生产的电极锭并与电源接通的金属自耗电极的一端浸埋在熔融的熔渣中使电极端部熔化(交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量)，熔化产生的金属熔滴穿过渣池滴入金属熔池，然后不断地被水冷结晶器冷却后由下而上凝结成锭。
低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、机械性能，以及相对较为成熟的技术基础。目前世界各国均在发展和研究各自的RAFM钢，如日本的F82H合金和JLF21合金，欧洲EUROFER 97合金以及美国9Cr-2WVTa合金等。
充分利用各合金元素强化和除杂作用，有效提高合金的综合性能，并适当提高Ta的含量，在钢种加入Ta元素，可以产生大量的弥散碳化物、细化晶粒，提高材料的塑性和韧性。然而，金属钽熔点高难熔化，且与氧的亲和度很大，熔炼之条件和方式非常苛刻，易造成成分不均和烧损，高温下，Ta等元素的化学反应(化学平衡式如下)：
4Ta+5O2＝2Ta2O5
4Al+3O2＝2Al2O3
6Ta+5Al2O3＝2Ta2O5+10Al
经电炉或VIM熔炼后产出的一体式之CLAM合金铸锭，经ESR精炼过程，其配料加入Ta元素容易于高温制程中氧化，成为熔炼渣料，形成Ta之溶质之烧损，尤以铸锭底部较为严重。如真空感应熔炼时配入0.15％之Ta，经过ESR等熔炼制程，留存于胚料中的固溶量一般低于0.5％，因而无法发挥提升加工性质之效果。由于Ta等金属原料价格昂贵，大幅提高添加量将衍生成本增加的问题，且铸锭靠近底部烧损严重，会使得铸锭上下部分成分差异过大，不符合后续产品之成分要求。
镍铬(Ni-Cr)耐热合金因具有优异的高温抗氧化能力，作为结构和组件材料的应用优势，最典型的应用即为80Ni-20Cr的成份，用于加热用的线圈或电热丝，别名被称为NiChrome(可依据ASTM B 344中UNS N06003规范，除19-21％Cr,0.75-1.6％Si外，其余为Ni)；NiChrome的高耐腐蚀性，使之具有在机械零件的生产和航天上的应用。此外，Ni-Cr薄膜有较高电阻率，低温度电阻系数，以及优越的抗黏着性；不同成份比的Ni-Cr合金靶材，被广泛应用在溅镀薄膜、微电子组件，平面显示器与光储存媒体材料。
然而，80Ni-20Cr合金再热加工上有延性不佳的问题，于温度低于1050℃进行锻造或轧延，产品易发生如图2之开裂现象。
因此，针对80Ni-20Cr合金不易热加工的问题，一般可以添加微量元素Ce的合金设计调整，添加少量Ce等稀土元素可以改善80Ni-20Cr合金的热加工性质[F.Cosandey,D.Li,E.Sczerzeme and J.K,Tien,Metall Trans.A.14A(1983)pp.611-21.],[J.Kandra andF.Cosandey,The Effect Of Cerium Additions On The Tensile Ductility Of Nickel-Chromium-Cerium Alloys,Scripta Metall.,19(1985)397.](如图3)，并且能提高合金抵抗高温氧化的能力；但一般的合金中之固溶含Ce量需再145ppm wt.％以上，才能发挥改善热加工性质的效果。但Ce含量超过500ppmwt.％，则容易形成氧化物或析出相残留，对合金性质反而有不利影响。
然而，Ce具有很强的氧化倾向，故习知技术以电炉或VIM熔炼后再经ESR精炼，产出一体式之Ni-20Cr合金铸锭，其中配料加入之Ce元素容易于高温制程中氧化，成为熔炼渣料，上浮后被除去形成Ce之溶质之烧损，使得留存于铸锭中之Ce往往低于添加量的20％，尤以铸锭底部较为严重。如实务上熔炼时配入200ppm wt.％之Ce，经过ESR等熔炼制程，留存于胚料中的固溶量一般已<30ppm wt.％，因而无法发挥提升加工性质之效果。由于Ce等金属原料价格昂贵，大幅提高添加量将衍生成本增加的问题，且铸锭靠近底部烧损严重，会使得铸锭上下部分成分差异过大，不符合后续产品之成分要求。
发明内容
针对上述马氏体钢与镍合金所遭遇之问题，本发明即提出一种以纵向为多段组合(较佳为2段-5锻之组合)电极锭进行ESR之方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述方法利用管控成份之组合式电极锭进行ESR精炼制程之方式，来控制钢铁或合金铸锭中易烧损之微量元素于长度方向之分布，以降低铸锭整体成份变异之程度，产出微量元素均匀分布之铸锭。
进步地，上述微量元素为Ta、Y、Ce、Ti、Si或Mn，ESR产出铸锭之目标微量元素在50ppm wt.％-2.0wt.％之间。
上述组合式电极锭，可以2段至10段之胚料组合后进行ESR制程，其中较佳为以1-5段胚料组合成电极锭。
上述成份管控方式，选择安排组合电极下方先进行ESR重熔之电极具有较高之微量元素含量，且微量元素含量由电极锭中段到头端之含量递减。
上述组合式电极锭的组合采用端面钨极氩气保护焊接方式。
上述ESR制程中，可添加Al抑制氧化烧损，可在预熔渣中加Al量100g～600g(1t～5t钢锭)，亦可在电渣过程中采用定时定量加入，即15g～55g/15min～30min，加入量可依熔炼之钢种适当增减。
上述电极锭，选择利用VIM,VOD或电炉等方式进行熔炼生产，组合后进行ESR制程产出铸锭。
上述镍基合金各元素可用成分范围如下表所示(％)：
本发明应用的一种RAFM钢是在Fe-Cr-W系合金的研究基础上，采用Ta和V等元素的添加代替常规马氏体钢中的Mo、Nb、Ni等元素设计合金成分，并降低影响活化的杂质元素和气体含量的原则来设计合金成分(除8.0％-9.0％Cr，0.3％-0.7％Mn，1.3％-1.7％W，另外添加一些C、V、Ta等元素，其余为Fe)。本发明应用的一种镍合金是在Ni-Cr系合金的研究基础上。
本发明以纵向为多段组合(较佳为2段-5锻之组合)电极锭进行ESR之方法，将进入ESR之电极锭分为多个成分区间，使ESR之电极锭先进行重熔精炼的部分(即靠近底部，一般烧损较为严重)具有较高之Ce、Ta含量，ESR电极锭之上半部通常烧损较轻，故可以具有较低之Ce、Ta成分。利用上述多段不同成分之电极锭组合，可使产出之ESR铸锭具有较均匀之头尾成分，达成控制整体铸锭成分目标之目的，且可避免大量投料易烧损之高价元素，降低成本。
附图说明
图1为背景技术中所述电渣重熔炉的工作原理；
图2为背景技术中高温锻造80Ni-20Cr胚料完锻后之全宽表面照片(宽度约900mm)。
图3为背景技术中80Ni-20Cr合金添加Ce元素所对应高温拉伸试验之断面收缩率，显示确可改善高温加工性质[F.Cosandey and J.Kandra,Metall.Trans.A,18A(1987)pp.1239–48.]。
图4为实施例b中CLAM钢添加Ta元素进行以(VIM锭#2)1.5吨+(VIM锭#3)1.5吨之VIM电极锭二段对焊成电极锭，再进行ESR精炼之示意图。
图5为实施例c中CLAM钢添加Ta元素添加Ta元素进行(VIM锭#4)0.75吨+(VIM锭#5)0.75吨+(VIM锭#6)0.75吨+(VIM锭#7)0.75吨之VIM电极锭四段对焊成电极锭，再进行ESR精炼之示意图。
图6为实施例e中80Ni-20Cr合金添加Ce元素进行以(VIM锭#2)1.5吨+(VIM锭#3)1.5吨之VIM电极锭二段对焊成电极锭，再进行ESR精炼之示意图。
图7为实施例f中80Ni-20Cr合金添加Ce元素进行(VIM锭#4)1吨+(VIM锭#5)1吨+(VIM锭#6)1吨之VIM电极锭三段对焊成电极锭，再进行ESR精炼之示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练入员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
下面以3吨CLAM之ESR铸锭以及3吨80Ni-20Cr之ESR铸锭进行说明。1、3吨CLAM之ESR铸锭
以3吨CLAM之ESR铸锭，要达到整体铸锭之Ta成分控制在0.05％～0.18％之成分管控要求。
比较例a
传统直接熔炼方式，以单一整体(VIM锭#1)电极锭3吨进行ESR精炼，测试配料量与铸锭头尾成分分别列于表1与表2。
实施例b
如图4所示，以(VIM锭#2)1.5吨+(VIM锭#3)1.5吨之VIM电极锭二段对焊成电极锭，再进行ESR精炼，其中底部之VIM锭#2配料Ta含量相对较VIM锭#3为高，铸锭头尾成分亦分别列于表1与表2。
实施例c
如图5所示，以(VIM锭#4)0.75吨+(VIM锭#5)0.75吨+(VIM锭#6)0.75吨+(VIM锭#7)0.75吨，之VIM电极锭四段对焊成电极锭，再进行ESR精炼，其中Ta之配料量(wt.％)为:近底部之VIM锭#4>VIM锭#5>VIM锭#6>VIM锭#7，铸锭头尾成分亦分别列于表1与表2。
表1.以本发明生产CLAM合金铸锭实施例与比较例之投入原料(％)配料表
| CLAM | C | Mn | Fe | Cr | W | V | Ta |
| 标准Min | 0.08 | 0.4 | 余 | 8.5 | 1.3 | 0.15 | 0.05 |
| 标准Max | 0.12 | 0.5 | 余 | 9.5 | 1.5 | 0.25 | 0.18 |
| VIM#1配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.196 |
| VIM#2配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.196 |
| VIM#3配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.135 |
| VIM#4配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.196 |
| VIM#5配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.135 |
| VIM#6配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.115 |
| VIM#7配料 | 0.1 | 0.46 | 余 | 8.75 | 1.42 | 0.2 | 0.115 |
表2.以本发明生产CLAM合金铸锭实施例与比较例之Ta含量与均匀性比较
2、3吨80Ni-20Cr之ESR铸锭
以3吨80Ni-20Cr之ESR铸锭，要达到整体铸锭之Ce成分控制在150-400ppm wt.％之成分管控要求。
比较例d
传统直接熔炼方式，以单一整体(VIM锭#1)电极锭3吨进行ESR精炼，测试配料量与铸锭头尾成分分别列于表3与表4。
实施例e
如图6所示，以(VIM锭#2)1.5吨+(VIM锭#3)1.5吨之VIM电极锭二段对焊成电极锭，再进行ESR精炼，其中底部之VIM锭#2配料Ce含量相对较VIM锭#3为高，铸锭头尾成分亦分别列于表3与表4。
实施例f
如图7所示，以(VIM锭#4)1吨+(VIM锭#5)1吨+(VIM锭#6)1吨之VIM电极锭三段对焊成电极锭，再进行ESR精炼，其中Ce之配料量(wt.％)为:近底部之VIM锭#4>VIM锭#5>VIM锭#6，铸锭头尾成分亦分别列于表3与表4。
表3.以本发明生产80Ni-20Cr合金铸锭实施例与比较例之投入原料(wt.％)配料表
| 80Ni20Cr | C | Si | Mn | Ni | Cr | Fe | Al | Ce |
| 标准Min | 0 | 0.75 | 0 | 余 | 20 | 0 | 0 | 145ppm |
| 标准Max | 0.08 | 1.60 | 0.6 | 余 | 23 | 1.0 | 0.5 | 450ppm |
| VIM#1配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 800ppm |
| VIM#2配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 880ppm |
| VIM#3配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 500ppm |
| VIM#4配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 880ppm |
| VIM#5配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 500ppm |
| VIM#6配料 | 0.05 | 0.97 | 0.1 | 余 | 21 | 0.05 | 0.12 | 420ppm |
表4.以本发明生产80Ni-20Cr合金铸锭实施例与比较例之Ce含量与均匀性比较
从上述比较可确认，本发明以组合式电极锭进行ESR之方法，可达到降低投入微量元素总量(平均配入微量元素较低)与增加整体铸锭之成分均匀性之效果(微量元素于头/尾差异量小)，且协助铸锭命中铸微量元素之目标区间(达成成分合格)。
Claims (9)
1.控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述方法利用管控成份之组合式电极锭进行ESR精炼制程之方式，来控制钢铁或合金铸锭中易烧损之微量元素于长度方向之分布，以降低铸锭整体成份变异之程度，产出微量元素均匀分布之铸锭。
2.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述微量元素为Ta、Y、Ce、Ti、Si或Mn，ESR产出铸锭之目标微量元素在50ppm wt.％-2.0wt.％之间。
3.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述组合式电极锭，可以2段至10段之胚料组合后进行ESR制程，其中较佳为以1-5段胚料组合成电极锭。
4.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述成份管控方式，选择安排组合电极下方先进行ESR重熔之电极具有较高之微量元素含量，且微量元素含量由电极锭中段到头端之含量递减。
5.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述组合式电极锭的组合采用端面钨极氩气保护焊接方式。
6.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述ESR制程中，可添加Al抑制氧化烧损，可在预熔渣中加Al量100g～600g，亦可在电渣过程中采用定时定量加入，即15g～55g/15min～30min，加入量可依熔炼之钢种适当增减。
7.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述电极锭，选择利用VIM,VOD或电炉等方式进行熔炼生产，组合后进行ESR制程产出铸锭。
8.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述镍基合金各元素可用成分范围如下表所示(％)：
9.如权利要求1所述的控制ESR铸锭中微量元素分布的方法，其特征在于，所述低活化马氏体合金各元素可用成分范围如下表所示(％)：
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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