易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐蝕合金的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種合金，特別涉及一種易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐 蝕合金。
【背景技術】
[0002] 通常鎳基結構材料除了基體元素鎳之外，還含有鉻、鉬、鈮、鎢、銅、鈦和鋁等有益 元素。鎳基合金根據強化方式可分為固溶強化型和時效強化型，前者可通過冷加工提高強 度，但無法制造較大型的復雜的零件。相比之下，時效強化型合金則無此限制，可通過時效 熱處理制成具有較高強度的較大型零件，因此在很多重要工業領域得到了廣泛應用。
[0003] 從成分的角度看，鎳基高溫合金和耐蝕合金都是通過添加足量或適量的鉻、鉬、 鈮、鎢、銅、鈦和鋁等合金元素來獲得設計的高溫性能和耐蝕性能。而高合金含量的代價不 僅使合金成本變高、市場競爭力降低，而且往往導致合金的工藝性能變差，比如高溫變形溫 度太窄、熱塑性較差、硬化速率過大等等。當工藝性能差到某種程度，工業生產就難以實現。 這是部分鎳基合金無法通過常規熱穿孔而只能用熱擠壓甚至機械打孔方法生產無縫管的 主要原因，導致市場上鎳基超合金無縫管的成本高，甚至難以獲得。
[0004] γ '和/或γ"強化型鎳基合金的性能水平與微觀組織密切相關，如晶粒尺寸、強化 相的形貌、大小和分布、其它碳化物及金屬間相的形貌等，這些因素均由熱處理工藝來控制 的，而合金的組織性能歸根結底都是由先天性基因一一成分所決定的。由于鎳基合金成本 相對較高，相比之下鐵鎳基合金更具成本優勢。再加上部分鐵鎳基合金的綜合性能絲毫不 比普通鎳基合金差，這就使得鐵鎳基合金具有較強的市場競爭力。不過鐵鎳基合金的合金 含量還是很高，同樣存在高溫變形溫度太窄、熱塑性較差、硬化速率過大等問題，因此市場 上高性能鐵鎳基合金無縫管依然存在"一管難求"的局面，只能通過機械打孔的方式獲得厚 壁管。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐蝕合金，該 合金能改善合金的熱加工塑性，降低熱加工過程中熱裂的傾向，其強度高、韌塑性好、耐腐 蝕性好，綜合性能優良。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] 易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐蝕合金，其各組分的重量百分比為：
[0008] Ni :40~45%、Cr:20~25%、Μο:2~5%、Cu: 1 ~3%、Ti : 1.5~3%、A1:0· 1 ~ 0.5%、V:0.01~0.5%、Zr:0.001~0.05%、B:0.001~0.005%、Mg:0.005~0.05%、Nb< 1.0%、C<0.05%、Si <0.5%、Mn<0.5%、Fe:余量。
[0009] 本發明較好的技術方案是，所述合金各組份的重量百分比為：
[0010] Ni :41-45% ；Cr :20-25% ；Mo：2-5% ；Cu： 1-3% ；Ti ： 1.5-2.5% ；A1 ：0.2-0.50% ；V： 0.025-0.45% ；Zr :0.015-0.45% ； B ： 0.0025-0.0045 % ； Mg ： 0.010-0.25 % ；Nb：0.3〇- 0.645% ;C:0.001-0.04% ;Si:0.10-0.35% ;Μη:0·30-0·5% ;Fe:余量。
[0011] 本發明所述合金采用以下方法制備：
[0012] 合金采用真空感應熔煉加電渣重熔或真空感應熔煉加真空自耗重熔雙聯工藝獲 得合金錠，經均勻化熱處理、熱鍛成擠壓棒坯，再經熱擠壓獲得厚壁無縫管。均勻化處理溫 度為1160~1190°C、時間為24~72小時;熱鍛造溫度為950~1150°C、保溫時間為60~180分 鐘;熱擠壓溫度為1050~1200°C、保溫時間為60~120分鐘。然后進行固溶加時效熱處理，制 得強度高、韌塑性好、高耐腐蝕的的合金。
[0013] 該合金制成厚壁無縫管，經過精密機加工，可廣泛用于制造對耐腐蝕有較高要求 的零部件產品。
[0014] 合金中各元素的主要作用如下：
[0015] (l)Ni:較高含量的Ni是獲得以Ni為基的奧氏體的關鍵，同時也是合金獲得優異耐 腐蝕性能，特別是耐應力腐蝕及硫化物應力腐蝕開裂能力的重要基礎。
[0016] (2)Cr:相對高的Cr含量是獲得耐腐蝕性的保證，特別是提高合金在氧化性介質中 耐蝕能力的關鍵。但過高的Cr含量將促進σ相的析出，進而損害合金的熱穩定性和熱塑性。
[0017] (3)Μο:較高的Mo含量主要是為了提高合金耐點蝕、縫蝕等局部腐蝕能力，尤其是 提高合金在鹵素離子、還原性介質中的腐蝕能力。但過高的Mo含量同樣會促進〇相的析出， 有害于合金的熱穩定性和熱塑性。
[0018] (4)Cu:適量的銅含量，有利于提高合金耐還原性介質的腐蝕能力，比如，以銅合金 化的Ni-Fe-Cr-Mo合金能顯著提高在還原性酸尤其在熱硫酸中的耐蝕性;含銅的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金在硫酸中比不含銅者更易于鈍化且有良好的耐蝕性。而與鉻、鉬結合，合金可具 有較高的耐混合性酸腐蝕的能力，比如，含有較高的鉻量和適量鉬、銅的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合 金具有良好的耐氧化性、還原性和氧化-還原性介質的腐蝕、點蝕、縫蝕和應力腐蝕等性能。 但過高的銅含量不利于合金的熱加工性能和熱穩定性。
[0019] (5)Nb:當Nb含量較高時，它是強韌化相Y"（Ni3Nb)的組成元素，對合金的時效強 化效應有重要作用，是合金獲得高強度和高韌性的保證。但過高的Nb含量會在鑄態時過分 偏析，大大增加了后續均勻化處理的難度。當Nb含量較低時，其主要作用是固碳，減輕碳化 鉻形成而導致的貧鉻傾向。
[0020] (6)Ti、Al:少量的Ti、Al有脫氧作用，適量Ti、Al的加入對合金的時效強化效應有 積極作用，促進次要強韌化相γ '（Ni3(Al，Ti))的有效析出，有助于合金獲得高強度和高韌 性。過高的Ti、Al和Nb含量會消耗過量Ni，不利于基體的穩定，同時加工難度也會成倍增大。 [0021 ] (7)Si、Mn:少量Si、Mn有脫氧作用，但在高合金中，Si、Mn對有害中間相的析出非常 敏感，使析出相復雜化且損害有益析出相的熱穩定性，增加了控制難度，通常需要嚴格控 制。
[0022] (8)C:有固溶強化作用，也能穩定奧氏體基體，但過高的C含量不僅會損害合金的 耐腐蝕性能，而且對焊接性能有害。
[0023] (9)￥、2匕8、1%;有益微量元素￥、2匕8、1^及其精確配比對合金的熱加工性能大有 好處。
[0024]發明所述合金以鐵-鎳為基，同時含有較高的鉻、鉬含量，適量的鈦、鋁、鈮和微量 的鋯、釩、硼等有益元素，屬于時效強化型鐵鎳基奧氏體合金，能通過適當的熱處理，可析出 γ'強韌化相，從而獲得較高的強度、硬度和韌塑性，同時由于鎳、鉻、鉬含量高，耐腐蝕性能 特別是抗應力腐蝕開裂能力很強，并使其熱加工性能得到明顯改善，可用于各種高腐蝕性 環境，如高含硫油氣開采、石油化工、化學工程及海洋工程等領域等。
[0025]與固溶強化型鎳基合金相比，本發明所述合金的不僅強度高（可達到llOksi甚至 120ksi級別），而且能通過時效熱處理制造其它固溶處理和/或冷加工方法所不能制造的較 大型或較復雜零件，與其它時效強化型鎳基高合金相比，由于微量有益元素的配入，熱塑性 得到改善，熱加工過程中熱裂傾向降低，整體工藝性能更優，工藝成本更低。
【具體實施方式】
[0026] 按照下列配比選取合金各組分：
[0027] 重量百分含量％
[0028]
[0030] 按照實施例1-4所述配比，用下列方法制備本發明所述合金：
[0031] 采用真空感應熔煉加電渣重熔或真空感應熔煉加真空自耗重熔雙聯工藝獲得合 金錠，經均勻化熱處理、熱鍛成擠壓棒坯，再經熱擠壓獲得厚壁無縫管。
[0032] 均勻化處理溫度為1160~1190°C、時間為24~72小時；熱鍛造溫度為950~1150 °C、保溫時間為60~180分鐘；熱擠壓溫度為1050~1200°C、保溫時間為60~120分鐘。然后 進行常規γ '相強化型鎳基或鐵鎳基合金所通常采取的固溶熱處理加雙級時效熱處理，制 得綜合性能優良的合金。
[0033] 實施例1-4所得合金的力學性能
[0034]
[0035] 實施例1-4所得合金的耐腐蝕性能
[0036]
[0037] 實施例5
[0038] 采用真空感應熔煉合金1000kg，成分組成如下：Ni :43.7 %、Cr :23.6 %、Mo: 3.55%、Cu: 1.78%、Ti:2.23%、Α1:0·28%、ν:0·025%、Zr:0.029%、B:0.0025%、Mg: 0.015%、Nb:0.36%、C:0.032%、Si :0.25%、Μη:0·32%、Fe:余量。合金澆鑄成Φ220mm的圓 棒，再電渣重熔成Φ380πιπι的鋼錠，置于高溫井式爐中進行均勻化熱處理，后經鐓粗拔長制 成Φ 230mm的圓棒，棒材經機加工制成擠壓管坯，再經熱擠壓制成Φ 108 X 22mm的厚壁無縫 管，經上述的固溶熱處理加雙級時效熱處理制出合格產品，最后機加工成封隔器用于川東 某氣田。
[0039] 實施例6
[0040] 采用真空感應熔煉合金3000kg，成分組成如下：Ni :42.4%、Cr:22.75%、Mo: 2.45%、Cu:2.67%、Ti: 1.83%、A1:0.48%、V:0.041%、Zr:0.019%、B:0.003%、Mg: 0.013%、恥：0.43%、(： :0.04%、5丨：0.32%、]\111:0.46%小6:余量。合金澆鑄成〇300_的圓 棒，再電渣重熔成Φ500πιπι的鋼錠，后置于高溫井式爐中進行均勻化熱處理，后經快鍛機鐓 粗拔長開坯，以及徑向鍛機鍛造制成Φ230_的圓棒，經機加工制成擠壓管坯，再經熱擠壓 制成Φ 200 X 30mm的厚壁無縫管，經上述的固溶熱處理加雙級時效熱處理制出合格產品，最 后經機加工成井下管道懸掛器用于新疆某酸性油田。
【主權項】
1. 一種易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐蝕合金，其特征在于，該合金各組 份的重量百分比為： Ni:40~45%、Cr:20~25%、Mo:2~5%、Cu:l~3%、Ti:1.5~3%、Al:0.1~0.5%、V: 0.01 ~0.5%、Zr:0.001 ~0.05%、Β:0·001 ~0.005%、Mg:0.005~0.05%、Nb< 1 ·0%、(：< 0.05%、Si<0.5%、Mn<0.5%、Fe:余量。2.根據權利要求1所述的合金，其特征在于，該合金各組份的重量百分比為： Ni:41-45%；Cr：20-25 %；Mo： 2-5 % ；Cu： 1-3 % ；Ti： 1.5-2.5 % ；A1 ： 0.2-0.50 % ；V： 0.025-0.45%；Zr:0.015-0.45%；B：0.0025-0.0045 %；Mg：0.010-0.25 % ；Nb：0.3〇-0.645% ;C:0.001-0.04% ;Si:0.10-0.35% ;Mn:0.30-0.5% ;Fe:余量。
【專利摘要】本發明涉及一種易加工成厚壁無縫管的時效強化型鐵鎳基耐蝕合金，該合金各組份的重量百分比為：Ni：40～45％、Cr：20～25％、Mo：2～5％、Cu：1～3％、Ti：1.5～3％、Al：0.1～0.5％、V：0.01～0.5％、Zr：0.001～0.05％、B：0.001～0.005％、Mg：0.005～0.05％、Nb≤1.0％、C≤0.05％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Fe：余量。該合金能改善合金的熱加工塑性，降低熱加工過程中熱裂的傾向，其強度高、韌塑性好、耐腐蝕性好，綜合性能優良。
【IPC分類】C22C30/02
【公開號】CN105483494
【申請號】CN201510866005
【發明人】王東哲, 劉海定, 王春光, 黃國平, 李永友, 吳畏, 萬紅, 祁宏, 董盼
【申請人】重慶材料研究院有限公司
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月1日