CN113862571A

CN113862571A - 镍铬高温合金及其制备方法与应用

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Publication number: CN113862571A
Application number: CN202111145672.8A
Authority: CN
Inventors: 王坦; 任意; 陈小龙; 吴学利; 姬会爽; 王长江
Original assignee: Jiangsu Yuti New Material Co ltd
Current assignee: Jiangsu Yuti New Material Co ltd
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明公开了一种镍铬高温合金，所述镍铬高温合金中包含按重量百分比计的如下元素：C:0.02％～0.04％，Si:0.15％～0.25％，Mn:0.10％～0.23％，S:0～0.001％，P:0％～0.001％，Ni:50.0％～52.5％，Cr:17.0％～19.0％，Al:0.45％～0.55％，Ti:0.80％～0.90％，Mo:3.0％～3.2％，Nb:5.55％～6.85％，Co:0～0.02％，V:0.6％～1.2％，B:0.004％～0.006％，余量为Fe。本发明还公开了所述镍铬高温合金的制备方法及其应用。本发明的镍铬高温合金，可以代替H13热作模具钢用于钛合金斜轧穿孔中作为顶头材料。

Description

镍铬高温合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种镍铬高温合金及其制备方法与应用。

背景技术

斜轧穿孔法是利用沿轧制坯料纵向和横向上的拉应力作用，使圆坯轴心区金属产生微裂纹，继而扩展为疏松区，最后形成孔腔这一物理现象。当轴心区金属出现疏松时顶头及时地参与塑性加工过程，因此顶头的选材十分重要，目前常规使用材质为H13热作模具钢。

H13热作模具钢具有良好的高温强度、耐磨性和耐热疲劳性，其使用温度一般不得高于540℃，超出540℃热强性和热稳定性则迅速下降。钛合金斜轧穿孔保温温度一般在β转变温度以下20℃，变形区温度能够达到920℃-990℃之间，H13顶头在此变形区温度区间内表面硬度降低、开裂倾向增加。同时因为钛合金变形抗力大，变形不容易向内部渗透导致顶头在穿管过程中顶头轴向力出现激增，极易出现早期裂纹、龟裂、粘钢、磨损较快等缺陷，造成顶头修磨及更换频繁，其使用寿命不超过100支，废品率在3％，显著增加了钛合金荒管的制造成本及周期。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种镍铬高温合金，以代替H13热作模具钢用于钛合金斜轧穿孔中作为顶头材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供了一种镍铬高温合金，所述镍铬高温合金中包含按重量百分比计的如下元素：C:0.02％～0.04％，Si:0.15％～0.25％，Mn:0.10％～0.23％，S:0～0.001％，P:0％～0.001％，Ni:50.0％～52.5％，Cr:17.0％～19.0％，Al:0.45％～0.55％，Ti:0.80％～0.90％，Mo:3.0％～3.2％，Nb:5.55％～6.85％，Co:0～0.02％，V:0.6％～1.2％，B:0.004％～0.006％，余量为Fe。

本发明中，在配料过程中不配入C元素，同时尽量减少其他元素中的C含量，在合金中C会与Nb生成碳化铌，碳化铌会降低材料强度和抗疲劳性能，同时增加疲劳源，增加合金在使用中的开裂风险。优选地，所述镍铬高温合金中，C元素的含量为0.02％～0.03％。

元素Nb通过促进合金内部析出大量均匀弥散分布的二次强化相获得较高的强度，元素Cr能够提高合金的耐磨性，并保证合金在高温条件下性能稳定性。因此，在保证合金组织稳定性的前提下，应尽可能地提高合金中Nb和Cr含量。优选地，合金中Nb元素的含量为5.85％～5.95％，Cr元素的含量为18.2％～18.5％。

元素V能够细化高温合金的晶粒和组织，并在高温下保持组织稳定性，优选地，V元素的含量为0.6％～0.8％。

本发明还提供了一种镍铬高温合金的制备方法，包括以下步骤：

S1.按照以下的元素比例，选择原料进行配料：C:0.02％～0.04％，Si:0.15％～0.25％，Mn:0.10％～0.23％，S:0～0.001％，P:0％～0.001％，Ni:50.0％～52.5％，Cr:17.0％～19.0％，Al:0.45％～0.55％，Ti:0.80％～0.90％，Mo:3.0％～3.2％，Nb:5.55％～6.85％，Co:0～0.02％，V:0.6％～1.2％，B:0.004％～0.006％，余量为Fe；

S2.采用真空感应熔炼和电渣重熔的方法，将选择的原料熔炼制备成电渣锭；

S3.将所述电渣锭进行均匀化处理；

S4.将均匀化处理后的电渣锭进行锻造，锻造过程为两墩两拔，每道次变形量控制在10-20％范围内；

S5.对锻造后的电渣锭进行固溶热处理和时效热处理，得到所述镍铬高温合金。

本发明步骤S1中，配料的原料包括Ni板、Cr块、Nb条、Si块、Mo板、Mn块、Fe块、Al板、OA级海绵钛、AlV合金块和B块。

本发明中，通过真空感应熔炼，能够有效去除易挥发杂质和高密度夹杂，控制硫磷含量，防止熔体与大气中氧氮氢接触，实现对合金化学元素最大程度的控制。进一步地，步骤S2中，真空感应熔炼时，保持真空度≤1.0*10^-4MPa，先用镁砂打炉，打炉完毕后用镍板洗炉；加料时首先加入Fe源和Ni源，中间加入Cr源、Mo源，最后加入Nb源；待精炼取样测定主元素后升温至1480～1500℃，保温15～20分钟后加入Si源和Mn源；保温15-20分钟再加入Al源、Ti源、V源和B源，待原料全部化清后均温12～15分钟，升温至浇注温度1520～1550℃浇注。

上述步骤中，主元素是指Ni、Cr、Fe、Nb、Mo，主元素检测合格后加入Si，增加铁水流动性的同时并能脱氧，Mn的作用是脱硫。脱氧脱硫需要一定的时间，再加入其他元素，这些元素是合金化元素，主要是改善铸锭组织性能。

进一步地，步骤S2中，为最大化降低铌偏析及提高合金纯净度，电渣重熔时采用80～85kg二元渣系(渣中添加适量的氧化钙、铝豆)，熔速为5.7～6.2kg/min。保护气体为氩气。其中，渣系添加量据铸锭重量确定的，采用的电极锭重量是1500Kg。二元渣系为CaF+Al₂O₃二元渣系。

进一步地，步骤S3中，所述均匀化处理的温度制度为：先加热至1050±5℃，保温1-2小时；接着继续升温至1120-1150℃，保温22-24小时；其中，自炉温升高至950-980℃时，升温速率不得高于10℃/min，升温至1150±5℃时，升温速率不得高于5℃/min。

进一步地，步骤S4中，所述锻造的温度制度为：以700℃以下的温度入炉，加热至(950-980)±5℃，保温1-2小时；接着继续升温至1150±5℃，保温3-4个小时，终锻温度为950±10℃。

进一步地，步骤S5中，所述固溶热处理的温度制度为：固溶温度1080±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷；所述时效热处理的温度制度为：时效温度780±5℃，保温时间8-10小时，以50±5℃/h的冷却速率冷却至620±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷。

本发明还提供了一种合金顶头，所述合金顶头是由所述的镍铬高温合金加工得到的。

本发明还提供了所述的合金顶头在钛合金斜轧穿孔中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.传统H13热作模具钢顶头成本高、工效低、使用寿命短，在钛合金斜轧穿孔时每支管坯穿孔后均需打磨顶头，实际生产中需安排专人打磨顶头，耗时费力。由于不断修磨顶头导致顶头尺寸偏差，致使成品管坯偏壁，改制品增多，为后续冷轧工序造成困扰。在使用过程中还容易发生塌鼻、粘钢、穿孔锥纵裂等顶头失效现象导致整支荒管直接报废的严重后果，顶头的平均使用寿命≤100支，废品率在3％。本发明中，通过在镍铬高温合金中添加了一定含量的铬、铌、钒、硅、锰、钛等合金元素，并尽量减少C元素的含量，从而提高了镍铬高温合金的强度、抗疲劳性、耐氧化性、耐磨性以及高温下的稳定性，避免在穿管过程中修磨顶头，长期反复修磨顶头会导致管材偏壁，内孔开裂及螺旋纹的产生。

2.本发明的镍铬高温合金，具有成本低、工效高、使用周期长的优点，在钛合金斜轧穿孔时无需修磨顶头，在使用过程中未发生塌鼻、穿孔锥纵裂等顶头失效现象，同时还提高了钛合金荒管内表面质量，大大的降低了荒管内表面开裂及发生螺旋纹的风险，减少修磨量提高了荒管成材率。使荒管成材率从90％增加到97％，顶头的平均使用寿命≥450支，远大于H13等传统顶头材料。该合金更适合用于钛合金斜轧穿孔的高温、交变载荷的使用环境，能够减少顶头更换频次，提高生产效率，减少改制品的产出。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

本实施例提供了一种镍铬高温合金顶头材料，按质量百分比计包括以下元素：C：0.03％，Si：0.23％，Mn：0.17％，S：＜0.001％，P：＜0.001％，Ni：51.2％，Cr：18.5％，Al：0.49％，Ti：0.82％，Mo：3.06％，Nb：5.92％，V：0.72％，B：0.0054％，余量为Fe。

本实施例的镍铬高温合金顶头材料的制备方法包括以下步骤：

1)原料配制：按照C：0.03％，Si：0.23％，Mn：0.17％，S：＜0.001％，P：＜0.001％，Ni：51.2％，Cr：18.5％，Al：0.49％，Ti：0.82％，Mo：3.06％，Nb：5.92％，V：0.72％，B：0.0054％，余量为Fe这一配比，选择电解Ni板、高纯Cr块、Nb条、Si块、Mo板、Mn块、Fe块、Al板、OA级海绵钛、AlV合金块和B块作为原料进行配料；

2)熔炼：在真空度不高于1.0*10^-4MPa的条件下，先用镁砂打炉，打炉完毕后用镍板洗炉；接着按照加料顺序依次加入原料，开始加热熔炼；加料时首先加入Fe块和电解Ni板，中间加入高纯Cr块、Mo板，最后加入Nb条；待主合金化清取样测定主元素后，升温至1480～1500℃，保温15～20分钟后加入Si块和Mn块，保温15～20分钟再加入Al板、OA级海绵钛、AlV合金块和B块，待原料全部化清后均温12～15分钟，升温至浇注温度1520～1550℃浇注；接着电极锭通身滚抛，焊接假电极电渣重熔。

3)均匀化处理：将铸锭加热至1050±5℃时保温1小时，继续升温至1120～1150℃，保温22～24小时；

4)锻造：将电渣锭进行锻造，两墩两拔，开坯至Φ96(-0，+2)mm，每道次变形量控制在10-20％范围内；锻造的温度制度为：以700℃以下的温度入炉，加热至(950-980)±5℃，保温1-2小时；接着继续升温至1150±5℃，保温3-4个小时，终锻温度为950±10℃；

5)热处理：对锻造后的电渣锭进行固溶热处理和时效热处理，固溶热处理的温度制度为：固溶温度1080±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷。时效热处理的温度制度为：时效温度780±5℃，保温时间8-10小时，以50±5℃/h的冷却速率冷却至620±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷。

将所制备的镍铬高温合金进行机加工形成顶头，并对顶头表面进行喷丸处理，即得到可用于钛合金斜轧穿孔中的合金顶头。

对本实施例的镍铬高温合金进行性能测试，其中洛氏硬度测试标准：GB/T230.1；力学性能试验取样位置和样品制备标准：GB/T2975；室温拉伸试验标准：GB/T228.1；高温拉伸试验标准：GB/T4338。

经测试，本实施例的镍铬高温合金，硬度：43-45HRC，抗拉强度：1100MPa，700℃高温抗拉强度：830MPa。

对比例1

本对比例为市购的Φ90圆棒，材料为H13热作模具钢，按质量百分比计包括以下元素：C：0.37％，Si：0.92％，Mn：0.41％，Cr：5.18％，Mo：1.53％，V：0.94％，S：≤0.15％，P≤0.15％，余量为Fe。

按照以下工艺对H13热作模具钢进行处理：

1)热处理：淬火工艺：随炉升温至350-400℃，保温30分钟，继续加热至800-850℃，保温1-2小时，升温至1040-1050℃，保温3-4小时，油冷；

2)回火工艺：二次回火，随炉升温至600℃，保温1.5-2小时，空冷。

将处理后的H13热作模具钢进行机加工形成顶头，并对顶头表面进行喷丸处理，得到用于钛合金斜轧穿孔中的合金顶头。

本对比例处理的H13热作模具钢，硬度：48-50HRC，抗拉强度：1270MPa。

表1为实施例与对比例的合金顶头在钛合金斜轧穿孔中使用情况对比。

表1

	实施例1	对比例1
			表面硬度是否降低	否	是
是否需要专人修磨顶头	否	是
			顶头是否塌鼻、穿孔锥纵裂	否	是
荒管内表面是否开裂及发生螺旋纹	否	是
			顶头使用寿命	≥450支	≤100支

从表1的结果可以看出，保持相同的穿孔温度、轧辊转速、前进角和顶头冷却方式下，实施例1的合金顶头每次可持续穿管450支以上(Φ88*8*2200，单只重量：25±2Kg)，能够保证正常磨损，无不良状况，大大缩短了顶头修磨与更换时间，保证连续生产，提高了斜轧穿孔的工作效率。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种镍铬高温合金，其特征在于，所述镍铬高温合金中包含按重量百分比计的如下元素：C:0.02％～0.04％，Si:0.15％～0.25％，Mn:0.10％～0.23％，S:0～0.001％，P:0％～0.001％，Ni:50.0％～52.5％，Cr:17.0％～19.0％，Al:0.45％～0.55％，Ti:0.80％～0.90％，Mo:3.0％～3.2％，Nb:5.55％～6.85％，Co:0～0.02％，V:0.6％～1.2％，B:0.004％～0.006％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的镍铬高温合金，其特征在于，所述镍铬高温合金中，C元素的含量为0.02％～0.03％，Nb元素的含量为5.85％～5.95％，Cr元素的含量为18.2％～18.5％，V元素的含量为0.6％～0.8％。

3.一种镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3.将所述电渣锭进行均匀化处理；

S4.将均匀化处理后的电渣锭进行锻造，锻造过程为两墩两拔，每道次变形量控制在10％-20％范围内；

4.根据权利要求3所述的镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S2中，真空感应熔炼时，保持真空度≤1.0*10^-4MPa，加料时首先加入Fe源和Ni源，中间加入Cr源、Mo源，最后加入Nb源；待精炼取样测定主元素后升温至1480～1500℃，保温15～20分钟后加入Si源和Mn源；保温15～20分钟再加入Al源、Ti源、V源和B源，待原料全部化清后均温12～15分钟，升温至浇注温度1520～1550℃浇注。

5.根据权利要求3所述的镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S2中，电渣重熔在氩气气氛下进行，采用80～85kg二元渣系，熔速为5.7～6.2kg/min。

6.根据权利要求3所述的镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述均匀化处理的温度制度为：先加热至1050±5℃，保温1-2小时；接着继续升温至1120～1150℃，保温22～24小时；其中，自炉温升高至950～980℃时，升温速率不得高于10℃/min，继续升温至1150±5℃时，升温速率不得高于5℃/min。

7.根据权利要求3所述的镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述锻造的温度制度为：以700℃以下的温度入炉，加热至(950-980)±5℃，保温1-2小时；接着继续升温至1150±5℃，保温3-4个小时，终锻温度为950±10℃。

8.根据权利要求3所述的镍铬高温合金的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述固溶热处理的温度制度为：固溶温度1080±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷；所述时效热处理的温度制度为：时效温度780±5℃，保温时间8-10小时，接着以50±5℃/h的冷却速率冷却至620±5℃，保温时间8-10小时，冷却方式为空冷。

9.一种合金顶头，其特征在于，所述合金顶头是由权利要求1或2所述的镍铬高温合金加工得到的。

10.权利要求9所述的合金顶头在钛合金斜轧穿孔中的应用。