鎳基耐蝕合金及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了鎳基耐蝕合金及其制造方法。鎳基耐蝕合金的質量百分含量為：C 0.06～0.10％、Si≤1.0％、Mn 0～1.50％、Cr 18.0～25.0％、P≤0.035％、S≤0.010％、N≤0.020％、Ni 26.0～35.0％、Ti 0.15～0.60％、Al 0.15～0.60％、Mg 0.001～0.005％、Cu+O≤0.5％、余量為Fe和不可避免的雜質。其中，Ti+Al的質量百分含量控制在0.5～1.2。鎳基耐蝕合金的制造方法主要包括：煉鋼、連鑄、修磨、熱軋、熱軋鋼板退火酸洗、冷軋、冷軋鋼板退火酸洗和分卷。本發明的鎳基耐蝕合金及其制造方法鎳基耐蝕合金通過元素種類和含量的合理設計，具有力學性能優越、抗高溫蠕變優良等特點，適用于制造加熱爐、反應器等的零部件。
【專利說明】
鎮基耐蝕合金及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明涉及耐蝕合金的成分和制造方法，更具體地說，涉及鎳基耐蝕合金及其制 造方法。
【背景技術】
[0002] 鎳基耐蝕合金是20世紀50年代進入市場的，其目的是在一個相對較低的Ni含量 下滿足耐熱、耐蝕的需求。在過去的50多年間，此類鎳基耐蝕合金因其高溫強度、耐氧化性 及其他高溫耐蝕性能而得到廣泛應用。應用包括熔爐裝置、油管、油槽、熱交換器、蒸汽動力 渦輪等。這些裝置的性能和運行可靠性，將直接影響重要設備整體運行的經濟性和安全性。 本發明是一種新型鎳基耐蝕合金，在高溫下具有較高強度和持久蠕變性能。
[0003] 鎳基耐蝕合金具有全奧氏體顯微組織。化學工業使用的幾乎所有的鎳基耐蝕合金 都是固溶強化狀態。部分合金添加有效硬化元素，如Mo和Cu，提高合金的強度。也采用添 加 Al、Ti等幾種微合金元素來強化合金基體，確保鎳基耐蝕合金具有設計要求的性能。然 而，部分品種添加 Mo和Cu等合金成分會顯著增加成本，并且增加生產工藝的難度。
[0004] 現有技術中存在3種Ni-Cr-Fe為基體的耐熱鎳基合金，通過成分對比，具體內容 如下：
[0005] 現有技術1，該合金的化學成分（重量％ )為：
[0006] C0. 05 ~0· 5%，SiO. 2 ~2· 0%，Μη0· 2 ~2. 0%，Cr25. 0 ~32. 0%，Nil5 ~25%， Col5 ~25 %，W+Mo2. 0 ~5. 0 %，Nb0.0 1 ~3. 0 %，Y0. 05 ~0· 2 %，Zr0.0 2 ~0· 10 %， B0. 002 ~0· 010%，余為 Fe。
[0007] 現有技術2,該合金的化學成分（重量％ )為：
[0008] Cr :19-21 %, Ν?30-35 %, Mnl. 5-2. 5%, Mo2-3 %, SiO. l-〇. 4%, TiO. 3-0. 5 %, NbO. 1-0. 3 %, V0. 1-0. 5 %, P0. 001-0. 005 %, C0.0 8-0. 12 %, N0.0 1-0. 03 %, B0. 005-0. 01%，Fe 余量。
[0009] 現有技術3,該合金的化學成分（重量％ )為：
[0010] Crl5-30%，Ni7-45%，Μη 彡 3. 0%，C 彡 0· 1%，S 彡 0· 003%。
[0011] 表1給出了相關典型鋼種的化學成分。表2給出了相關典型鋼種的力學性能和澆 鑄方式。
[0012] 表1相關典型鋼種的化學成分（wt % )
[0013]
[0014] 表2相關典型鋼種的力學性能和澆鑄方式
[0015]
[0016]
[0017] 由此可見，現有技術中的部分鎳基耐蝕合金還不能完全滿足目前使用和制造的要 求，需要開發一種強度高、蠕變性能好、生產經濟的鎳基耐蝕合金。
【發明內容】
[0018] 針對現有技術中存在的鎳基耐蝕合金強度、蠕變性能和生產成本均不理想的問 題，本發明的目的是提供鎳基耐蝕合金及其制造方法
[0019] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0020] 一種鎳基耐蝕合金，其質量百分含量為：C 0· 06~0· 10%、Si彡1. 0%、Μη 0~ 1.50%、Cr 18.0 ~25·0%、Ρ 彡 0.035%、S 彡 0·010%、Ν 彡 0.020%、Ni 26.0 ~35.0%、 Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0· 001 ~0· 005%、Cu+0 彡 0· 5%、余量為 Fe 和 不可避免的雜質。其中，Ti+Al的質量百分含量控制在0.5~1.2%。
[0021] 根據本發明的一實施例，Ti的質量百分含量為0. 2~0. 5%。
[0022] 根據本發明的一實施例，A1的質量百分含量為0. 2~0. 5%。
[0023] 根據本發明的一實施例，0的質量百分含量彡0. 001%。
[0024] 為實現上述目的，本發明還采用如下技術方案：
[0025] -種鎳基耐蝕合金的制造方法，依次包括以下幾個步驟：煉鋼、連鑄、修磨、熱乳、 熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。
[0026] 根據本發明的一實施例，煉鋼步驟依次包括：電爐冶煉、氬氧脫碳冶煉（A0D)和鋼 包精煉（LF)。在A0D冶煉結束后，加入部分A1和Ti，在LF精煉末期再補加 Al、Ti和Mg， 并進行軟攪拌。
[0027] 根據本發明的一實施例，連鑄步驟的拉速控制為0. 4-1. Om/min，加強電磁攪拌的 電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，連鑄后的板坯等軸晶比例彡40%。
[0028] 根據本發明的一實施例，熱乳步驟括粗乳和精乳，粗乳的溫度為1150 - 1250°C， 精乳的溫度為1050 - 1150°C。
[0029] 根據本發明的一實施例，冷乳的壓下率為60-95%。
[0030] 根據本發明的一實施例，熱乳鋼板退火酸洗的溫度為1050_1200°C。
[0031] 在上述技術方案中，本發明的鎳基耐蝕合金及其制造方法鎳基耐蝕合金通過元素 種類和含量的合理設計，具有力學性能優越、抗高溫蠕變優良等特點，適用于制造加熱爐、 反應器等的零部件。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發明高強度鎳基耐蝕合金的成分含量示意圖；
[0033] 圖2是本發明的多個實施例和對比例的化學成分百分含量對比圖；
[0034] 圖3是本發明的多個實施例和對比例的力學性能對比圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。
[0036] 本發明的目的在于提供一種高強度鎳基耐蝕合金，能夠滿足熱交換器、蒸汽動力 渦輪使用環境，具有良好的蠕變性能、焊接性能以及抗高溫氧化腐蝕性能。
[0037] 本發明在成分設計上采用高鋁、鈦設計，不需要添加 Mo、Cu等昂貴的金屬元素。通 過添加適量Al、Ti，控制適當的Mg，控制較低含量的0,這樣使材料既有較高的強度，良好的 加工成型性能、以及抗高溫氧化腐蝕性能。且材料成本相對較低。
[0038] 因此，如圖1所示，本發明所提供的鎳基耐蝕合金，其成分質量百分比含量為：
[0039] C 0· 06 ~0· 10%、Si 彡 1. 0%、Μη 0 ~1. 50%、Cr 18. 0 ~25. 0%、P 彡 0· 035%、 S 彡 0· 010%、N 彡 0· 020%、Ni 26. 0 ~35. 0%、Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0. 001~0. 005%、Cu+O彡0. 5%、余量為Fe和不可避免的雜質。
[0040] 優選地，Ti的質量百分含量為0. 2~0. 5%，A1的質量百分含量為0. 2~0. 5%， 〇的質量百分含量彡0.001%。
[0041] 下面將上述本發明采用的合金成分進行說明：
[0042] C和N :本發明鋼種屬于鎳基耐蝕合金，在這種情況下，C含量主要影響碳化物的析 出量和析出溫度范圍。Ti和Cr均是很強的碳化物形成元素，但在平衡態下，TiC比％3(：6先 析出。實驗分析證明，C在晶界偏聚并產生細小顆粒狀的二次TiC，它可以阻止晶界滑動和 裂紋形成，有利于持久性能的提高，但C含量太高時，晶界二次TiC析出太多，甚至形成TiC 薄膜，這會使晶界變脆，裂紋易于擴展，持久性能下降。
[0043] 碳和氮具有一定的強化作用，但是，過高的碳和氮含量會降低材料的耐蝕性能。目 前冶煉設備的生產能力能夠滿足將碳和氮控制在所要求的范圍內。這樣，既有利于改善材 料力學性能，又能夠提高材料的抗腐蝕性能。
[0044] Ni :鎳基耐蝕合金中的基體元素，具有很好的相穩定性，相比Fe基和Co基高溫合 金能固溶更多合金元素而不生成有害的相。隨著Ni含量的增加，高溫拉伸強度逐漸升高， 這是由于合金含Ni量較低時，Ni大部分固溶于奧氏體中，擴大奧氏體相區，提高了合金的 再結晶溫度，使得合金的高溫蠕變能力得以提高。通過調節Ni與其他合金元素的配比可以 控制合金中強化相的數量，優化合金的高溫力學性能。
[0045] Cr :是提高耐蝕性和強度的主要合金元素。Cr提高鎳基耐蝕合金在氧化性酸中的 耐蝕性，提高其在氯化物溶液中的耐應力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕等耐局部腐蝕能力。Cr元 素主要起固溶強化作用，也是碳化物形成元素。一方面Cr能固溶于基體相中強化組織，另 一方面能與碳結合形成M23C6型化合物，在一定程度上起到沉淀強化和晶界強化的作用。Cr 是穩定合金表面最重要的元素，它在基體材料的表面能形成抗氧化和抗腐蝕的保護層。
[0046] Si :在鋼中可以提高的高溫強度，但是，Si是易偏析元素，對鋼的成型性和韌性不 利，必須在冶煉凝固上嚴格控制。因此，選擇其質量百分含量范圍< 1.0%。
[0047] Μη :較弱的奧氏體元素，可抑制鎳基耐蝕合金中S的有害作用，改善熱塑性。但是， 含量過高不利于保證其耐腐蝕性。該元素冶煉過程中常有殘留，選擇其質量百分含量范圍 〈1. 5%〇
[0048] Α1和Ti :主要通過影響位錯行為來強化合金。鎳基耐蝕合金的高溫性能一定程度 上取決于Al、Ti加入總量和Ti-Al比。增加 Al、Ti總量可以明顯地提高提高固溶溫度、蠕 變強度，但有損塑性。Al、Ti都是增加合金蠕變強度的重要元素，但A1增加蠕變強度的作 用比Ti小，在降低韌性方面A1的作用更強。低Ti-Al比合金一般是用于較高的工作溫度， 高Ti-Al比合金則具有較好的抗熱腐蝕性能。
[0049] Cu、0 :Cu主要來于鎳基耐蝕合金廢鋼中，加入Cu可以改善腐蝕性能，但加入Cu既 增加材料成本，同時也導致廢鋼管理成本增加，在滿足腐蝕性能條件下，不添加 Cu。0是鋼 中的雜質元素之一，主要以氧化物夾雜形式存在，較高的總氧含量表明夾雜物較高。降低鋼 中總氧含量有利于提高材料的成形性能和抗腐蝕性能。選擇其質量百分含量< 〇. 003%，可 以保證材料具有良好的力學性能和抗腐蝕性能。一般應控制（Cu+0) <0.5%。
[0050] P和S :鐵素體鎳基耐蝕合金中P和S會嚴重影響鎳基耐蝕合金的耐蝕性和加工性 能，必須嚴格控制，一般希望控制為P彡0. 035%，S彡0. 003%。
[0051] 本發明公開的鎳基耐蝕合金在使用狀態下是奧氏體組織，呈面心立方晶體結構。 它具有膨脹系數小、抗高溫氧化腐蝕優良等特點。適用于制造耐高溫腐蝕的零部件。
[0052] 此外，本發明還提供了上述鎳基耐蝕合金的一種制造方法，包括煉鋼、連鑄、修磨、 熱乳、熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。
[0053] 其中，煉鋼依次包括電爐冶煉、A0D冶煉和LF精煉，在A0D冶煉結束后，加入部分 A1和Ti，在LF精煉末期再補加 Al、Ti和Mg，并進行軟攪拌。在生產過程中，加入Mg主要 采用加入含鎂合金的方式實現。一段時間的軟攪拌能促使鋼中形成細小的MgO或Mg0Al203夾雜物。
[0054] 優選地，連鑄步驟中，拉速控制為0. 4 - 1. Om/min，加強電磁攪拌的電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，所述連鑄后的板坯等軸晶比例彡40%。連鑄板坯修磨可在常 溫下進行。
[0055] 進一步優選地，熱乳包括粗乳和精乳，粗乳的溫度為1150 - 1250°C，精乳的溫度 為1050 - 1150Γ。熱乳前首先去除板坯表面的氧化皮，再進行5~7道次粗乳（溫度區間 1150 - 1250°C )，之后經過5~7道次精乳（溫度區間1050 - 1150°C )。
[0056] 優選地，熱乳鋼板退火酸洗的溫度為1050_1200°C。
[0057] 優選地，冷乳的壓下率為60-95%。
[0058] 冷乳之后冷乳板退火酸洗，通過控制退火溫度和時間使冷乳板充分再結晶，且晶 粒度等級達到3. 5-5級。這樣有利于提高全面力學性能，獲得綜合性能滿足要求的冷乳鎳 基耐蝕合金產品。
[0059] 與相關典型鋼種相比，本發明的主要特點是
[0060] 1.添加了微量元素 Mg。
[0061] 2.采用立式連鑄工藝生產。
[0062] 與現有高強度鎳基耐蝕合金相比，本發明具有以下有益效果：
[0063] 1、合金設計中Mg不僅可以改善鋼的強度性能，而且有利于蠕變性能。加入的Mg 形成細小質點有利于提高連鑄坯的等軸晶比例，同時也改善了材料的綜合力學性能。
[0064] 2、采用連鑄生產工藝流程簡單、產品質量優良。
[0065] 3、降低了生產成本。
[0066] 下表所示的是本發明鎳基耐蝕合金的成分與現有技術的成分對比表。
[0067]
[0068]
[0069] 如圖2和圖3所示，下面通過多次實驗，通過實施例和對比例的數據比較來說明 本發明鎳基耐蝕合金的優點。其中，圖3為實施例鋼和對比例鋼的力學性能和點蝕電位比 較。在圖3中，力學性能測試檢測屈服強度、抗拉強度、延伸率、蠕變強度，并且蠕變強度是 在650°C下測定的值。實驗中取3個平均值計算最終結果，得到的性能結果如圖3所示。
[0070] 由圖2和圖3可見，適當提高Al、Ti含量可以提高合金的強度，同時可以改善耐蝕 性能和焊接性能。另一方面，添加適量Mg，可以促使合金中形成細小的MgO、MgO A1203夾雜 物，從而細化合金的晶粒，改善材料的延塑性和蠕變強度。從圖3可以看出，本發明的鎳基 耐蝕合金具有較高的屈服強度、抗拉強度，延伸率，和較高的蠕變強度，明顯優于對比鋼種。
[0071] 本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明， 而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變 化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。
【主權項】
1. 一種鎳基耐蝕合金，其特征在于，其質量百分含量為： C 0· 06 ~0· 10 %、Si 彡 1. 0 %、Μη 0 ~1. 50 %、Cr 18. 0 ~25. 0 %、P 彡 0· 035 %、 S 彡 0· 010%、N 彡 0· 020%、Ni 26. 0 ~35. 0%、Ti 0· 15 ~0· 60%、A1 0· 15 ~0· 60%、Mg 0. 001~0. 005%、Cu+O彡0. 5%、余量為Fe和不可避免的雜質； 其中，Ti+Al的質量百分含量控制在0. 5~1. 2%。2. 如權利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，Ti的質量百分含量為0. 2~ 0· 5%〇3. 如權利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，A1的質量百分含量為0. 2~ 0· 5%〇4. 如權利要求1所示的鎳基耐蝕合金，其特征在于，0的質量百分含量彡0. 001 %。5. -種如權利要求1所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，依次包括以下幾 個步驟： 煉鋼、連鑄、修磨、熱乳、熱乳鋼板退火酸洗、冷乳、冷乳鋼板退火酸洗和分卷。6. 如權利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述煉鋼步驟依次包 括： 電爐冶煉、氬氧脫碳冶煉和鋼包精煉； 在氬氧脫碳冶煉結束后，加入部分A1和Ti，在鋼包精煉末期再補加 Al、Ti和Mg，并進 行軟攪拌。7. 如權利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述連鑄步驟的拉速 控制為0. 4 - 1. Om/min，加強電磁攪拌的電流為1000 - 2000A，頻率為2. 5~3. 5Hz，所述 連鑄后的板坯等軸晶比例彡40 %。8. 如權利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述熱乳步驟括粗乳 和精乳，所述粗乳的溫度為1150 - 1250°C，所述精乳的溫度為1050 - 1150°C。9. 如權利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述冷乳的壓下率為 60-95 %〇10. 如權利要求5所述的鎳基耐蝕合金的制造方法，其特征在于，所述熱乳鋼板退火酸 洗的溫度為1050-1200°C。
【文檔編號】C22C38/50GK105839027SQ201510016065
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月13日
【發明人】馬天軍, 鄭宏光, 李元, 徐文亮
【申請人】寶鋼特鋼有限公司