CN1039067A - 无钴镍基合金 - Google Patents
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Abstract
本发明系无钴镍基合金。主要适用于高温下要求抗氧化、抗腐蚀等关键部位。该合金的特点是除了含有适量的Cr外，还加入了一定量的W、Mo，以及微量的Nb、Ce、B、Al、Ti等。以复合合金化的手段，使合金既有较好的抗氧化、抗燃气腐蚀性能和较高的高温强度，又具有良好的冷热加工工艺性能和成本低等特点。合金800℃1000小时的持久强度≥80牛顿/毫米2，900℃氧化增重速度≤0.080克/米2·小时。
Description
本发明属于镍基合金。主要适用于高温下能抗氧化、抗燃气腐蚀等关键部件，如柴油机预燃室喷咀、柴油机电热塞保护外套等。
为提高柴油机的效率，务必提高其工作温度。这样，预燃室喷咀等材料必须具有较高的高温强度和抗氧化性能等;同时，从成本和使用效果考虑，还必须具有良好的冷热加工性能等。
目前，国内外广泛采用RA333合金作为燃气轮机高温部件和柴油机预燃室喷咀的材料。该合金为镍基合金，但含有3%的钴，因而使合金的成本明显提高。
美国专利US4227925为焊接结构用耐热合金。主要适用于核反应堆。该合金不含钴，避免了由于钴进入氧化皮在受到辐射后产生的问题。另外，钨、钼含量很高，合金元素的总含量也较高，成本较贵，冷热加工性能也较差。
美国专利US4110110是一种在高温下具有良好抗腐蚀性能的镍基合金。主要适用于低氧分压的气氛中，如氦气、氩气或真空下使用。该合金的不足之处是MO、W含量高，冷热加工性能较差。
本发明的目的在于提供一种具有较高高温强度和良好的抗高温腐蚀的无钴的镍基合金，这种合金不仅使用性能好，而且冷热加工性能也都比较好。
根据上述目的，提出了一种新的镍基合金，其具体化学成分（重量%）为C0.01～0.15%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，Cr23.5～25.5%，Fe13～17%，Mo3.0～4.0%，W5.0～7.0%，Nb0.15～0.30%，Al0.2～0.5%，Ti0.2～0.5%，B0.001～0.1%，Zr0.001～0.1%，Ce0.001～0.1%，余为Ni。
成分设计时，钢中各元素的作用及其含量范围作了如下的考虑：碳的加入起到强化基体和稳定组织的作用，碳与铬、钛、钼、钨等元素形成碳化物，改善了热强性。为此，碳含量应大于0.01%;但含碳量过高时，会引起粗大碳化物对热加工性能不利，因而限制为≤0.15%。
硅有利于提高合金的抗高温氧化性能，对冶炼中的脱氧起积极作用，但硅量过高时，增加了夹杂物，有损于热加工性能，而且对焊接性能不利，所以确定硅≤0.5%。
铬是该合金的重要元素，它能保证合金在高温下具有良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能，铬的碳化物使合金强化，一般在20%以上;但当铬含量超过26%时，热加工性能恶化，合金的组织也不稳定。故铬含量以20～26%为宜。
在该合金中，铁的加入是为了降低成本，但它有损于合金的抗氧化性和高温抗腐蚀性，降低材料的高温强度。为了保证合金组织的稳定性及高温强度等，铁的含量以10～20%为宜。
钨、钼都是大直径原子的元素，它们在强化合金基体的同时，还形成碳化物，明显地提高合金的高温瞬时力学性能和高温持久强度。但加入量大时，导致热加工性能恶化，而且成本提高。
铌是强碳化物形成元素，它能有效地提高合金的高温强度;并且能细化晶粒，改善热加工性能，提高合金的疲劳强度。
铝、钛的加入目的是使合金中能形成Ni3（Al、Ti）型的强化相，提高材料的高温强度;同时，铝在冶炼中能起到脱氧作用。
合金中加入适量的硼能强化晶界，提高合金的高温强度;但过量的硼会导致合金的塑性下降，热加工性能恶化，而且容易引起焊接裂纹。为此，硼含量限制在≤0.1%。
锆是一种强碳化物形成元素，所形成的碳化物能显著地提高合金的持久强度。
加入稀土元素铈，可以改善钢锭的表面质量，细化钢锭结晶组织，减少枝晶，从而也改善钢锭的热加工性能;铈在细化晶粒的同时，消除了硫、磷等有害元素在晶界的富集，消除了硫或铅、砷等低熔点化合物;稀土还使夹杂物球化且尺寸变小，使碳化物分布趋于均匀;它还使合金中的含氧量大大降低，从而明显地改善合金的高温塑性，提高热加工成材率。加入稀土铈后，还能改变合金表面氧化物的结构，使氧化物呈球状，有利于提高合金的抗氧化性能和抗腐蚀性能。加入的稀土含量以小于0.10%为宜。
本发明可采用真空感应炉冶炼，或非真空中频感应炉冶炼+电渣重熔。热加工采用锻造开坯，开锻温度为1100～1200℃，终锻温度＞1000℃。热处理制度为1050～1150℃固溶处理。
本发明合金在高温下具有良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能，以及较高的高温强度，同时，高温塑性好，有较好的冷热加工性能。800℃瞬时抗拉强度≥300牛顿/毫米2，800℃1000小时持久强度≥80牛顿/毫米2，900℃氧化增重速度≤0.080克/米2·小时。
与美国专利US4227925和US4110110相比，本发明具有不含钴或钨、钼含量低，合金元素总含量少，成本低，以及工艺性能好等优点。
与RA333合金相比，不含钴，且在同样的成本时，具有更高的强度性能。
附图说明
附图为持久强度曲线图。图中横座标为断裂时间（小时），纵座标为应力（牛顿/毫米2），曲线1为本发明，曲线2为RA333合金，试验温度为800℃。试验所采用试料的化学成分分别为实施例表1中的4和7，4为本发明，7为RA333。
实施例
采用真空感应炉、非真空感应炉+电渣重熔工艺冶炼了本发明合金6炉，为了对比，同时还冶炼了一炉RA333合金。其具体的化学成分如表1所示。冶炼后浇铸成55公斤的铸锭，铸锭采用锻造进行热加工，锻造温度为1160～1180℃，锻造后进行热处理，热处理制度见表2，最后加工成试样，分别进行了室温拉伸、高温瞬时拉伸和抗氧化性能试验，试验结果分别列入表2和表3。
表1、实施例和对比合金的化学成分（重量%）
表2、实施例和对比合金的力学性能
表3、实施例和对比合金的抗氧化性能
Claims (1)
- 一种无钴镍基合金，其特征在于化学成分(重量%)为C0.01～0.15%，Si≤0.5%，Mn≤0.5%，Cr23.5～25.5%，Fe13～17%，Mo3.0～4.0%，W5.0～7.0%，Nb0.15～0.30%，Al0.2～0.5%，Ti0.2～0.5%，B0.001～0.1%，Zr0.001～0.1%，Ce0.001～0.1%，余为Ni。
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