CN102758103A - 适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金 - Google Patents

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宋志刚
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Abstract

一种适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金，属于时效钢技术领域。合金化学成分的重量百分含量为：C：0～0.01，Si：0～0.01，Al：3.8～4.0，Cu：28.0～32.0，Ti：0～0.05，余量为Ni；在400～700℃保温时效过程中，有细小的金属间化合物析出，产生弥散强化。优点在于，可以使用到含氟环境下的特殊合金，在不降低其强度的前提下，提高其在含氟环境中的耐蚀性能。

Description

适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金
技术领域
本发明属于时效钢技术领域，特别涉及一种适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金，适合于含氟环境下使用。
背景技术
传统Ni-Cu-Al(MonelK-500)合金是一种奥氏体型镍基耐蚀合金，合金化学成分的重量百分含量为：C：0～0.03，Si：0～1.0，Al：2.3～3.1，Cu：28.0～34.0，Ti：0.3～1.0，余量为Ni。目前主要在海洋环境下的轴系、紧固件及石油化工特殊腐蚀环境下使用。Ni-Cu-Al合金主要通过合金中的Al、Ti元素在时效过程中产生细小的金属间化合物强化以及和Si元素的相互作用，具有较高的强度和一定的抗腐蚀性能，适合在其时效温度下的温度范围内使用。
但是由于传统合金中含有Si元素，若在含氟环境中使用时，合金中的Si元素与氢氟酸容易发生化学反应SiO2(s)+4 HF(aq) → SiF4(g)+ 2 H2O，加速合金材料的腐蚀速度，因此合金的抗腐蚀性能限制了合金的使用范围。同时，在一些特殊的使用环境下，由于Ti元素会污染物料，因此对使用材料中的Ti元素也进行了严格限制。
在合金研制过程中，通过大量的试验发现，在其他成分不变的情况下，若仅仅降低Ti含量，合金的时效强化效果显著下降，强度大幅降低；而对于Si元素而言，若减低合金中的Si含量，即便Al、Ti含量不变，合金在后续的时效过程中，亦几乎无时效强化，强度显著下降，无法做为高强度的合金进行使用。
因此，如何保证合金在不添加Si、Ti元素的情况下，显著提高合金在含氟环境中的抗腐蚀性能，并保证具有相同的强度水平，作为高强度合金使用成为此类终端用户和材料研发人员的主要问题，亦是本专利的技术关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金，作为高强度材料在含氟环境中使用，既可以保证合金在一定温度范围内具有高的强度和耐磨性能，同时有较高的抗腐蚀性能，而且不需要添加贵重的合金元素，成本更低，适合氟化工业设备中的使用。
本发明合金化学成分的重量百分含量为：
C：0～0.01，Si：0～0.01，Al：3.8～4.0，Cu：28.0～32.0，Ti：0～0.05，余量为Ni。
本发明成分的合金在400～700℃保温时效过程中，有细小的金属间化合物析出，产生弥散强化，适合用于强度要求高、耐氟腐蚀的苛刻使用环境。能通过不同温度的时效提高其硬度，并且具有较高的抗腐蚀性能。
本发明技术方案的原理：
如何在保证合金强度基本不变的基础上，大幅提高合金在含氟环境中的抗腐蚀性能，使合金适用于含氟环境，是本发明的技术关键。
通过大量试验发现，Si元素在合金时效过程中起促进金属间化合物的析出的作用，同时，通过改变合金中的Al元素含量，依靠合金在时效过程中产生Al3Ni析出，时效强化，补充强化效果。Al和Si含量对合金临界析出硬化的影响见图2。
同时发现如果增加Al含量至3.8%，合金中不添加Si，也能够产生时效强化。在不添加Si，其它成分不变的情况下，正常处理后材料的微观组织图见图3,可以看出无第二相析出。当合金中的Al含量大于3.8%时，微观组织中出现了大量的弥散析出，能产生强化，见图4及图1。
另外，试验表明，降低合金中Si含量后，发明合金的抗氟性能显著提高，本发明合金与原合金在10%HF溶液中的腐蚀率的比较见图5。可以发现本发明在含氟环境中，合金的抗腐蚀性能得到提高。
因此，在合金设计中通过降低Si含量、Ti含量，并提高Al含量，尤其是在Al≥3.8%的含量范围内，发明合金可以达到与原合金相同的强度级别，而且合金在含氟环境中的抗腐蚀性能显著提高。
本发明合金的设计特点如下：在含氟环境下使用的传统MonelK-500合金，由于成分中含有一定的Si元素，Si会与F优先反应，合金的耐腐蚀性能显著降低。因此在新合金设计时，不再添加Si元素。由于Si元素的取消，合金在原成分将不会产生时效强化，因此将Al含量提高到3.8%以上。发明合金的强度高，在含氟环境中的抗腐蚀性能更优且成本更低。
本发明在成分上特点为：不含Si、Ti元素，Al含量范围为3.8～4.0%。适合于含氟环境下使用的高强度合金。可以在含氟环境下使用的特殊合金，在不降低其强度的前提下，显著提高其在含氟环境中的耐蚀性能。
附图说明
图1为Ni-Cu-Al合金时效时间与硬度的关系图。其中，Al1为Al含量2.50%，Al2为Al含量3.28% ，Al3为Al含量3.86%， Al4为Al含量4.07%。
图2为Al和Si含量对Ni-Cu-Al合金临界析出硬化的影响图。
图3为不含Si元素的合金正常处理后的微观组织图。
图4为Al含量≥3.8%的合金微观组织中出现的大量弥散强化析出。
图5为本发明合金与传统合金的冲击性能的对比。
图6为本发明合金与传统合金在10%HF溶液中的抗腐蚀性能的对比。
图7为本发明合金与传统合金的晶间腐蚀性能对比。
图8为本发明合金与传统合金的点蚀电位对比
具体实施方式
采用真空感应加电渣重熔冶炼工艺，分别冶炼1炉发明合金和1炉传统MonelK500合金。本发明合金的化学成分重量百分含量为：C：0.002，Si：0.012，Al：3.86，Cu：29.95，Ti：＜0.01，S：0.001，P：＜0.005，Mn：0.91，余量为Ni；传统合金的化学成分重量百分比含量为：C：0.006，Si：0.46，Al：2.62，Cu：29.27，Ti：0.48，S：0.001，P：＜0.005，Mn：1.00，余量为Ni。经锻造轧制后，进行固溶+时效工艺热处理，进行冲击韧性试验、10%HF溶液腐蚀试验、EPR法耐晶间腐蚀试验和点蚀电位测量。
图5为本发明合金与传统合金的冲击性能的对比，本发明合金的冲击韧性为209KJ，比传统合金174KJ冲击韧性值提高了约20%。图6为本发明合金与传统合金在10%HF溶液中的抗腐蚀性能的对比，本发明合金的年腐蚀率为0.545mm，而传统合金的年腐蚀率为0.595，年腐蚀率降低了约8%。图7为两种合金在1M H2SO4+0.01M KSCN溶液中的EPR法测量晶间腐蚀性能试验结果对比，其中Ra值越大表征合金的耐晶间腐蚀敏感性越高。可以看出，本发明合金的晶间腐蚀敏感性比传统合金显著降低。图8为两种合金在0.42M NaF溶液中（pH=7）中的点蚀电位对比，相对于传统合金，本发明合金的Eb和Eb100值分别从169mV和267mV提高到184mV和274mV。
综合以上试验可以看出，本发明合金的冲击韧性和含氟环境中的耐腐蚀性能相比传统合金有显著的提高。

Claims (2)

1.一种适合于含氟环境下使用的时效硬化Ni-Cu-Al合金，其特征在于，合金化学成分的重量百分含量为：
C：0～0.01，Si：0～0.01，Al：3.8～4.0，Cu：28.0～32.0，Ti：0～0.05，余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的时效硬化Ni-Cu-Al合金，其特征在于，该合金在400～700℃保温时效过程中，有细小的金属间化合物析出，产生弥散强化。
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