CN105316594B - 沃斯田铁系合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沃斯田铁系合金及其制造方法。沃斯田铁系合金包含5wt％至75wt％的铁，7wt％至75wt％的镍，15wt％至25wt％的铬，0.065wt％至0.15wt％的碳，0.5wt％至1.35wt％的钛，以及大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为6至8.5，借以增加沃斯田铁系合金在高温使用时的抗潜变性。另外，沃斯田铁系合金的制造方法，通过在电渣重熔炉工艺中使用含有二氧化钛的精炼渣，以防止钛成分于精炼时大量损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁系合金及其制造方法，且特别涉及一种沃斯田铁系合金及其制造方法。
背景技术
常见的沃斯田铁系合金包括镍基超合金，如合金800H(Alloy 800H)、合金A-286(Alloy A-286)、合金825(Alloy 825)与300系不锈钢(如310不锈钢或321不锈钢)等。由于镍基超合金包含了较大量的镍元素，故镍基超合金的晶体结构主要是面心立方(Facecenter cubic；FCC)的沃斯田铁相(austenitic structure)结构，适用于需要高温机械性质的场合，如发动机的组件、涡轮引擎紧固件、高温轴承、加热炉的外罩等工件。一般，在应力作用下需要良好的抗潜变性质，以延长工件的使用寿命，故常添加钛元素。如合金800H一般包含0.15wt％至0.6wt％的钛，可使工件在高温下形成有利抗潜变性质的析出相，如碳化钛、氮化钛与钛化三镍(Ni3Ti)等，其中含氮量较高的氮化钛析出相在熔炼阶段所产生，平均粒径在3.0微米至30微米之间；以及碳化钛析出相是在热加工/热处理时产生或高温应用时所析出，平均粒径约在0.2微米至3.0微米。其中，碳化钛析出相对抗潜变性质贡献较大。
上述镍基超合金的制作方法可包括燃料加热炉熔炼法、非真空电炉(ElectricArc Furnace,EAF)熔炼法或真空感应熔炼(Vacuum induction melting,VIM)法或真空电弧熔炼(Vacuum arc melting,VAM)法等方法来得到镍基超合金的模铸锭或连铸胚料，之后选择性进行后续的氩气吹氧脱碳(Argon Oxygen Decarburization,AOD)法、真空吹氧脱碳(Vacuum Oxygen Decarburization,VOD)法、电渣重熔(electroslag remelting,ESR)法、真空电弧重熔(Vacuum arc remelting,VAR)法等精炼工艺。一般含钛元素大于0.6wt％的合金，常需利用真空感应熔炼法或真空电弧重熔法等真空工艺进行熔炼，以防止大气熔炼过程中发生氧化与氮化，使得合金中钛含量大幅降低，且可避免非真空工艺中因二次形成氧化物或氮化物过多而造成镍基超合金产生缺陷或熔铸失败。然而，真空工艺的设备取得不易，熔炼成本较高。并且，由于含高钛含量的镍基超合金产品熔炼不易，所以不会规范钛与碳的比值。一般应用上含高钛含量的镍基超合金产品的钛与碳的比值是大于等于4且小于6。
有鉴于此，急需提出一种沃斯田铁系合金及其制造方法，可使用非真空熔炼法或真空熔炼法来制得具有高抗潜变性质的沃斯田铁系合金。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种沃斯田铁系合金，具有高抗潜变性质。
本发明的另一目的在于提供一种沃斯田铁系合金的制造方法，可使用非真空熔炼法或真空熔炼法来制得具有高抗潜变性质的沃斯田铁系合金。
根据本发明的上述目的，提出一种沃斯田铁系合金，包含5wt％至75wt％的铁，7wt％至75wt％的镍，15wt％至25wt％的铬，0.065wt％至0.15wt％的碳，0.5wt％至1.35wt％的钛，其中钛与碳的重量比值为6至8.5，以及大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质。
根据本发明一个实施例，上述沃斯田铁系合金的镍的含量为31wt％至32wt％，铬的含量为21wt％，碳的含量为0.075wt％至0.081wt％，钛的含量为0.59wt％至0.61wt％，其中钛与碳的重量比值为7.5至7.8，以及其余为铁及不可避免的杂质，其中杂质包含0.3wt％至0.4wt％的铜，0.23wt％至0.25wt％的硅，0.7wt％的锰，0.004wt％的硫以及0.21wt％至0.24wt％的铝。
根据本发明一个实施例，上述沃斯田铁系合金于摄氏500至950度使用时析出平均粒径大于0且小于30纳米的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物。
根据本发明的另一个目的，提出一种沃斯田铁系合金的制造方法。在一个实施例的沃斯田铁系合金的制造方法中，包含下列步骤。提供原料，原料包含5wt％至75wt％的铁，7wt％至75wt％的镍，15wt％至25wt％的铬，0.065wt％至0.15wt％的碳，0.5wt％至1.35wt％的钛，其中钛与碳的重量比值为6至8.5，以及大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质。对原料进行熔炼工艺，以形成沃斯田铁系合金。
根据本发明一个实施例，上述的上述原料包含31wt％至32wt％的镍，21wt％的铬，0.075wt％至0.081wt％的碳，0.59wt％至0.61wt％的钛，其中钛与碳的重量比值为7.5至7.8，以及其余为铁及不可避免的杂质，其中杂质包含0.3wt％至0.4wt％的铜，0.23wt％至0.25wt％的硅，0.7wt％的锰，0.004wt％的硫以及0.21wt％至0.24wt％的铝。
根据本发明一个实施例，上述熔炼工艺包含利用真空感应熔炼法以及真空吹氧脱碳法。
根据本发明一个实施例，上述熔炼工艺包含利用非真空电炉熔炼法以及电渣重熔法。
根据本发明一个实施例，上述电渣重熔法更包含进行非真空电炉熔炼法以将原料熔炼形成沃斯田铁系合金胚。进行电渣重熔法以将沃斯田铁系合金胚形成沃斯田铁系合金，其中电渣重熔法还包含将沃斯田铁系合金胚以及精炼渣加入至电渣重熔炉中，且精炼渣包含3wt％至20wt％的二氧化钛。
根据本发明一个实施例，上述精炼渣的成分还包含二氟化碳、氧化钙、氧化镁、三氧化二铝以及二氧化硅。
根据本发明一个实施例，上述沃斯田铁系合金于摄氏500至950度使用时析出平均粒径大于0且小于30纳米的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物。
在本发明中，由于沃斯田铁系合金利用较高的钛与碳的重量比值，以使沃斯田铁系合金在经过高温应用时会产生平均粒径大于0且小于30纳米的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物，借以增加沃斯田铁系合金的抗潜变性。另外，沃斯田铁系合金的制造方法中除了可采用真空感应熔炼法以及真空吹氧脱碳法的真空熔炼方式来制得，借以避免沃斯田铁系合金中的钛成分降低，也可采用非真空电炉熔炼法以及电渣重熔法的非真空熔炼方式制得，通过在电渣重熔炉工艺中使用含有二氧化钛的精炼渣，以防止钛成分于精炼时大量损失。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1为根据本发明一个实施例的一种沃斯田铁系合金的制造方法的流程图。
图2A为实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金以第一种测试条件进行抗潜变性的测试结果图。
图2B为实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金以第二种测试条件进行抗潜变性的测试结果图。
图3为本发明实施例2的沃斯田铁系合金经第一种测试条件的潜变测试后的高解析度穿透式电子显微镜的照片。
具体实施方式
以下配合本发明的实施例详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效。
在本发明的一个实施方式中，沃斯田铁系合金包含5wt％至75wt％的铁、7wt％至75wt％的镍、15wt％至25wt％的铬、0.065wt％至0.15wt％的碳、0.5wt％至1.35wt％的钛，以及大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为6至8.5。在一个示范例子中，沃斯田铁系合金包含31wt％至32wt％的镍，21wt％的铬，0.075wt％至0.081wt％的碳，0.59wt％至0.61wt％的钛，其中钛与碳的重量比值为7.5至7.8，以及其余为铁及不可避免的杂质，其中杂质包含0.3wt％至0.4wt％的铜，0.23wt％至0.25wt％的硅，0.7wt％的锰，0.004wt％的硫以及0.21wt％至0.24wt％的铝。
在一个例子中，沃斯田铁系合金包含平均粒径大于0且小于30纳米的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物(碳化钛析出物及含氮的碳化钛也可合称为Ti(C,N))。在一个示范例子中，当沃斯田铁系合金应用在高温环境中时，沃斯田铁系合金的晶相组成中会产生平均粒径大于0且小于30纳米的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物，这些纳米级的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物可阻挡沃斯田铁系合金中的差排(dislocation)滑动，使差排的滑移产生局部弯折的现象，进而增加沃斯田铁系合金的抗潜变性。
请参照图1，图1为根据本发明一个实施例的一种沃斯田铁系合金的制造方法100的流程图。在方法100中，步骤110是提供原料。原料包含5wt％至75wt％的铁、7wt％至75wt％的镍、15wt％至25wt％的铬、0.065wt％至0.15wt％的碳、0.5wt％至1.35wt％的钛，以及大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为6至8.5。在一个示范例子中，原料包含31wt％至32wt％的镍，21wt％的铬，0.075wt％至0.081wt％的碳，0.59wt％至0.61wt％的钛，其中钛与碳的重量比值为7.5至7.8，以及其余为铁及不可避免的杂质，其中杂质包含0.3wt％至0.4wt％的铜，0.23wt％至0.25wt％的硅，0.7wt％的锰，0.004wt％的硫以及0.21wt％至0.24wt％的铝。
步骤120是对前述原料进行熔炼工艺，以形成沃斯田铁系合金。在一个例子中，熔炼工艺可以是利用真空熔炼法或是非真空熔炼法来制得沃斯田铁系合金。例如，在真空设备充足的情况下，使用真空设备来进行真空感应熔炼法，以使原料形成沃斯田铁系合金胚，之后再利用真空吹氧脱碳法来精炼沃斯田铁系合金胚以形成沃斯田铁系合金。在另一个例子中，也可使用非真空设备进行熔炼工艺，例如先使用非真空电炉熔炼法，以使原料形成沃斯田铁系合金胚，之后再利用电渣重熔法来精炼沃斯田铁系合金胚以形成沃斯田铁系合金。进行电渣重熔法时，先将精炼渣加入至电渣重熔炉中，当电渣重熔炉提供的电流通过熔渣时会产生热，借以熔化后续加入电渣重熔炉的沃斯田铁系合金胚，故可作为热源以熔化沃斯田铁系合金胚，以达二次精炼的效果。其中，由于使用非真空方式来制得沃斯田铁系合金时，钛成分会与大气反应而氧化及氮化，导致沃斯田铁系合金的钛成分降低。因此，可在电渣重熔法中加入包含3wt％至20wt％的二氧化钛的精炼渣至电渣重熔炉中，借以补充失去的钛成分。在一个示范例子中，使用的精炼渣的成分还可包含二氟化碳、氧化钙、氧化镁、三氧化二铝以及二氧化硅。另外，在进行电渣重熔法时可利用如氦气的惰性气体进行保护，以避免过分失去钛成分。
在一个例子中，利用本发明实施例的沃斯田铁系合金的制造方法100所制得的沃斯田铁系合金可再进行锻造或轧延的步骤以形成需要的外观形态，之后视沃斯田铁系合金的表面情况再进行裁切、研磨或削皮等表面处理步骤，以确保沃斯田铁系合金的表面品质。在一个示范例子中，沃斯田铁系合金可经锻打、轧延、抽线、穿管等热加工方法或冷加工方法以形成板材、卷材、棒材、线材或管材等产品，以利在各种工业类型中应用。
以下列举数个实施例及一个比较例，来证明利用本发明实施例的沃斯田铁系合金的制造方法所制得的沃斯田铁系合金不仅具有较高的钛与碳的重量比值，并且具有高抗潜变性。
在实施例1中，首先提供原料。原料包含32wt％的镍、21wt％的铬、0.081wt％的碳、0.61wt％的钛、以及其余为铁及不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为约为7.5，且杂质包含0.3wt％的铜、0.23wt％的硅、0.7wt％的锰、0.004wt％的硫以及0.24wt％的铝。在提供原料后，利用真空感应熔炼法，以使原料形成沃斯田铁系合金胚，之后再利用真空吹氧脱碳法来精炼沃斯田铁系合金胚以形成实施例1的沃斯田铁系合金。
在实施例2中，首先提供原料。原料包含31wt％的镍、21wt％的铬、0.075wt％的碳、0.59wt％的钛、以及其余为铁及不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为约为7.8，且杂质包含0.4wt％的铜、0.25wt％的硅、0.7wt％的锰、0.004wt％的硫以及0.21wt％的铝。在提供原料后，利用非真空电炉熔炼法，以使原料形成沃斯田铁系合金胚，的后再利用电渣重熔法来精炼沃斯田铁系合金胚以形成实施例2的沃斯田铁系合金。其中，电渣重熔法中所使用的精炼渣包含3wt％至20wt％的二氧化钛，且精炼渣可包含二氟化碳、氧化钙、氧化镁、三氧化二铝以及二氧化硅的成分。
在比较例中，首先提供原料。原料包含32wt％的镍、22wt％的铬、0.052wt％的碳、0.28wt％的钛、以及其余为铁及不可避免的杂质，其中钛与碳的重量比值为约为5.4，且杂质包含0.4wt％的铜、0.28wt％的硅、0.7wt％的锰、0.005wt％的硫以及0.24wt％的铝。在提供原料后，利用非真空电炉熔炼法，以使原料形成沃斯田铁系合金胚，之后再利用真空吹氧脱碳法来精炼沃斯田铁系合金胚以形成比较例的沃斯田铁系合金。
对实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金进行抗潜变性的测试。抗潜变性的测试是以两种测试条件进行。请参照图2A，图2A为实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金以第一种测试条件进行抗潜变性的测试结果图。第一种测试条件是将实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金放置于650℃的环境温度并施以200MPa的应力。从测试结果可知，实施例1及2具有优于比较例的抗潜变性。就更精确的数据而言，在第一种测试条件下，实施例1的沃斯田铁系合金的潜变寿命为333小时，且具有32％的延伸率。实施例2的沃斯田铁系合金的潜变寿命为472小时，且具有33％的延伸率。比较例的沃斯田铁系合金的潜变寿命仅为226小时，且仅具有24％的延伸率。
请参照图2B，图2B为实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金以第二种测试条件进行抗潜变性的测试结果图。第二种测试条件是将实施例1与2及比较例的沃斯田铁系合金放置于705℃的环境温度并施以200MPa的应力。就实验结果趋势而言是类似于第一种测试条件，亦即实施例1及2具有优于比较例的抗潜变性。就更精确的数据而言，在第二种测试条件下，实施例1的沃斯田铁系合金的潜变寿命为17小时，且具有31％的延伸率。实施例2的沃斯田铁系合金的潜变寿命为28小时，且具有32％的延伸率。比较例的沃斯田铁系合金的潜变寿命仅为11小时，且具有31％的延伸率。
为了进一步证实本发明实施例的沃斯田铁系合金是通过纳米级的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物来达到增加抗潜变性的效果。请参照图3，图3为本发明实施例2的沃斯田铁系合金经第一种测试条件的潜变测试后的高解析度穿透式电子显微镜的照片。其中，在图上标记为dislocation的记号是表示为差排；标记为ppt.的记号是表示为纳米级的碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物(析出物成分可利用市售电子显微镜等分析仪器进行分析)；以及标记为γ的记号是表示为沃斯田铁系合金的基材γ相。从图3中可知，因为析出物的阻挡，所以差排的滑移受到了阻碍效果，使差排发生部分弯折的现象，故析出物确实强化了抗潜变性。另一方面，利用择区绕射的方式解析平均粒径约在3纳米至10纳米的析出物后，可得到由{111}与{100}晶面表现出立方八面体(cubo-octahedral)的形貌。经二维傅立叶转换(2-D Fourier Transform,FT)后的影像，显示出析出物与基材是平行磊晶的晶向关系。之后，再进行逆傅立叶转换(Inverse Fourier Transform,IFT)后，显示析出物与基材的γ相的两相界面(interphase interface)可维持具强化作用的整合(coherent)的原子排列。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用来限定本发明，在本发明所属本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种沃斯田铁系合金，其特征在于，所述沃斯田铁系合金包含：
5wt％至75wt％的铁；
7wt％至75wt％的镍；
15wt％至25wt％的铬；
0.065wt％至0.15wt％的碳；
0.5wt％至1.35wt％的钛，其中所述钛与所述碳的重量比值为6至8.5；以及
大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质，
其中所述沃斯田铁系合金在摄氏500度至950度使用时析出碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物。
2.如权利要求1所述的沃斯田铁系合金，其特征在于：
所述镍的含量为31wt％至32wt％；
所述铬的含量为21wt％；
所述碳的含量为0.075wt％至0.081wt％；
所述钛的含量为0.59wt％至0.61wt％，其中所述钛与所述碳的重量比值为7.5至7.8；以及
所述铁及所述杂质，其中所述杂质包含：
0.3wt％至0.4wt％的铜；
0.23wt％至0.25wt％的硅；
0.7wt％的锰；
0.004wt％的硫；以及
0.21wt％至0.24wt％的铝。
3.如权利要求1所述的沃斯田铁系合金，其特征在于，所述碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物的平均粒径大于0纳米且小于30纳米。
4.一种沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述沃斯田铁系合金的制造方法包含：
提供原料，所述原料包含；
5wt％至75wt％的铁；
7wt％至75wt％的镍；
15wt％至25wt％的铬；
0.065wt％至0.15wt％的碳；
0.5wt％至1.35wt％的钛，其中所述钛与所述碳的重量比值为6至8.5；以及
大于零且小于等于2wt％的不可避免的杂质；以及
对所述原料进行熔炼工艺，以形成所述沃斯田铁系合金，其中所述沃斯田铁系合金在摄氏500度至950度使用时析出碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物。
5.如权利要求4所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述原料包含：
31wt％至32wt％的镍；
21wt％的铬；
0.075wt％至0.081wt％的碳；
0.59wt％至0.61wt％的钛，其中所述钛与所述碳的重量比值为7.5至7.8；以及
其余为铁及不可避免的杂质，其中所述杂质包含：
0.3wt％至0.4wt％的铜；
0.23wt％至0.25wt％的硅；
0.7wt％的锰；
0.004wt％的硫；以及
0.21wt％至0.24wt％的铝。
6.如权利要求4所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述熔炼工艺包含利用真空感应熔炼法以及真空吹氧脱碳法。
7.如权利要求4所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述熔炼工艺包含利用非真空电炉熔炼法以及电渣重熔法。
8.如权利要求7所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述熔炼工艺还包含：
进行所述非真空电炉熔炼法，以将所述原料熔炼形成沃斯田铁系合金胚；以及
进行所述电渣重熔法，以将所述沃斯田铁系合金胚形成所述沃斯田铁系合金，其中所述电渣重熔法还包含将所述沃斯田铁系合金胚以及精炼渣加入至电渣重熔炉中，且所述精炼渣包含3wt％至20wt％的二氧化钛。
9.如权利要求8所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述精炼渣的成分还包含二氟化碳、氧化钙、氧化镁、三氧化二铝以及二氧化硅。
10.如权利要求4所述的沃斯田铁系合金的制造方法，其特征在于，所述碳化钛析出物或含氮的碳化钛析出物的平均粒径大于0纳米且小于30纳米。
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