CN105986195A - 一种新型抗点蚀耐热镍基合金 - Google Patents
一种新型抗点蚀耐热镍基合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其成分的质量百分比含量为:C≤0.03%;Si:0.10~1.0%;Mn:≤5.0%;Cr:16~25.0%;P≤0.035%;S≤0.015%;N≤0.020%;Ni:26.0~35.0%;Mo:1.5~3.5%;Ti:0.05~1.20%;Al:0.05~1.20%;Al+Ti:0.15~1.20%;Mg:≤0.005%、B+Ce+Zr+Y:≤0.10%;余量为Fe和不可避免的杂质。所述镍基耐蚀合金通过元素种类和含量的合理设计,具有力学性能优越、抗高温蠕变优良、较好抗点蚀等特点,适用于制造经济可靠的热水器电热管、加热炉、反应器等的零部件。
Description
技术领域
本发明属于镍基合金领域,主要涉及一种新型抗点蚀耐热镍基合金成分控制及其制造方法。
背景技术
随着国内电热水器的发展,目前已逐渐取代燃气热水器,在市场中占有绝对领先地位,电热水器的核心加热元件电热管材料也逐渐发展,从最初的316L到UNS S33400发展到UNS N08800,甚至用到UNS N08825合金,材料成本逐渐提高。目前市场上采用UNS N08825合金使用效果最好,但成本压力太大。UNS N08800合金使用效果也不错,但在某些水质质量较差,且Cl-含量较高的地区,使用效果较差,经常出现爆管等失效现象,目前解决方案是采用耐点蚀性能更佳的UNS N08825合金本发明设计一种新型的耐热镍基合金,使之具备较高的力学性能,高塑性及较高的高温性能,同时具有较好的抗Cl-点蚀能力,同时合金元素成本低于UNS N08825合金。表1给出了相关典型钢种的化学成分。表2给出了相关典型钢种的力学性能和浇铸方式。
表1 相关专利成分对比(wt.%)
表2 相关典型钢种的力学性能
电热管目前存在的主要问题,爆管和耐晶间腐蚀问题,为分析产生开裂的原因,分别用电子探针对腐蚀开裂处管材内壁表面进行元素表征分析,图1为内表腐蚀的高倍形貌,从元素分析可以看出,除基体外,大部分均为合金氧化物,但含有较高的Cl离子等对腐蚀有巨大影响的元素。图为外表腐蚀的高倍形貌及元素分析,从中可以看出,腐蚀呈点蚀为主,有大量的点蚀坑,在腐蚀端部(缝隙处)发现有较高含量的Cl元素。因此造成电热管等材料时效的原因主要是Cl离子点腐蚀,造成穿孔后短路造成时效。
表3 现有技术的电热管材料的元素分析
C | O | Na | Al | Si | S | Cl | K | Ca | Ti | Cr | Fe | Ni | |
Spectrum1 | 43.1 | 21.7 | 0.7 | 0.4 | 0.7 | 1.9 | 1.1 | 0.8 | 0.6 | 1.0 | 15.2 | 4.6 | 8.4 |
Spectrum2 | 3.8 | 2.1 | - | 0.4 | 0.4 | - | - | - | - | 5.4 | 18.6 | 42.1 | 27.3 |
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型抗点蚀耐热镍基合金,以解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述发明目的,本发明的技术方案为:
一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其包括按重量百分数计的如下组分:Si:0.10~1.0%;Cr:16~25.0%;Ni:26.0~35.0%;Mo:1.5~3.5%;Al:0.05~1.10%;Ti:0.05~1.10%;C:≤0.03%;Mn:≤5.0%;P:≤0.035%;S:≤0.015%;N:≤0.020%;B+Ce+Zr+Y:≤0.10%;且Al+Ti:0.15~1.20%;余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优选方案,所述Mg的百分含量≤0.005%。
作为优选方案,所述Ti的质量百分含量为0.15~1.10%。
作为优选方案,所述Al的质量百分含量为0.10~0.50%。
作为优选方案,氧元素的质量百分含量≤0.002%。
一种如本发明所述的镍基合金的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:真空感应或电炉+AOD(VOD)+LF冶炼钢锭或连铸板坯板坯,制备的板坯,经钢板或钢带热轧机轧制成钢板或钢卷,经冷轧及配套机组生产薄板或钢带。
本发明在成分设计上以Ni-Cr-Fe为基体,Ni控制在26.0~35.0%;Cr控制在16~25%,控制基体成分在冶炼及热加工过程,全程为单一奥氏体组织,同时具有较好的抗高温氧化性能;添加一定量Mo元素,进行固溶强化,同时提高强度的同时,提供抗点腐蚀性能;通过添加适量Al、Ti,提高材料的高温持久、蠕变性能;控制适当的Mg,控制较低含量的O,这样使材料既有较高的强度,良好的加工成型性能、以及抗高温氧化腐蚀性能,且材料成本相对较低。
以下将本发明合金成分的设计进行说明:
C:本发明的控制C元素在≤0.03%,由于本发明的合金主要应用于电热管及其它耐腐蚀环境中,低的C含量能够提供材料的抗晶间腐蚀性能。
Ni:镍基耐蚀合金中的基体元素,具有很好的相稳定性,相比Fe基和Co基高温合金能固溶更多合金元素而不生成有害的相。随着Ni含量的增加,高温拉伸强度逐渐升高,这是由于合金含Ni量较低时,Ni大部分固溶于奥氏体中,扩大奥氏体相区,提高了合金的再结晶温度,使得合金的高温蠕变能力得以提高。通过调节Ni与其他合金元素的配比可以控制合金中强化相的数量,优化合金的高温力学性能,综合考虑将Ni控制在26.0~35.0%。
Cr:是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr提高镍基耐蚀合金在氧化性酸中的耐蚀性,提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等耐局部腐蚀能力。Cr元素主要起固溶强化作用,也是碳化物形成元素。一方面Cr能固溶于基体相中强化组织,另一方面能与碳结合形成M23C6型化合物,在一定程度上起到沉淀强化和晶界强化的作用。Cr是稳定合金表面最重要的元素,它在基体材料的表面能形成抗氧化和抗腐蚀的保护层,Cr元素控制在16.0~25.0%
Si:在钢中可以提高的强度,但是,对钢的成型性和韧性不利。该元素冶炼过程中常有残留,因此,选择其质量百分含量范围0.10~1.0%。
Mn:较弱的奥氏体元素,可抑制镍基耐蚀合金中S的有害作用,改善热塑性。但是,含量过高不利于保证其耐腐蚀性。该元素冶炼过程中常有残留,选择其质量百分含量范围≤5.0%。
Al和Ti:主要通过影响位错行为来强化合金,镍基耐蚀合金的高温性能一定程度上取决于Al、Ti加入总量,增加Al、Ti总量可以明显地提高提高固溶温度、蠕变强度,本发明中加入Ti:0.05~1.10%、Al:0.05~1.10%,同时控制Al+Ti:0.15~1.20%,保证材料有较高的高温持久和蠕变性能,保证材料在高温下长期使用。
Mo:Mo元素提高材料的固溶后强度,同时提高抗Cl-点蚀能力,Mo含量1.50~3.50%。
P和S:铁素体镍基耐蚀合金中P和S会严重影响镍基耐蚀合金的耐蚀性和加工性能,必须严格控制,一般希望控制为P≤0.035%,S≤0.015%。
另外,本发明中添加适量的Mg、B、Ce、Zr、Y净化晶界,控制要求Mg≤0.005%;B+Ce+Zr+Y:≤0.10%。
本发明设计的镍基耐蚀合金通过元素种类和含量的合理设计,使合金具有力学性能优越、抗高温蠕变优良、较好抗点蚀等特点,从而适用于制造经济可靠的热水器电热管、加热炉、反应器等的零部件。
附图说明
图1为利用现有技术中的合金制造的电热管内壁的高倍表面形貌图;
图2为实施例2、实施例3和对比例2所得到合金的腐蚀试验结果对比图;
图3为实施例1、对比例1和对比例3所得到合金的腐蚀试验结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述,但本发明的保护范围不仅局限于实施例。
按照本发明钢种的化学成分要求,采用25KG真空感应炉,冶炼了6炉,具体成分如表4所示:
实施例1:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.02%、Si为0.32%、Mn为0.50%、Cr为20.55%、Ni为30.24%、P为0.020%、S为0.001%、N为0.010%、Al为0.29%、Ti为0.29%、Mo为1.97%、Cu为0.01%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
实施例2:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.02%、Si为0.30%、Mn为0.80%、Cr为20.50%、Ni为30.05%、P为0.022%、S为0.001%、N为0.011%、Al为0.25%、Ti为0.25%、Mg为0.001%、Mo为2.8%、Cu为0.03%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
实施例3:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.015%、Si为0.40%、Mn为0.80%、Cr为19.6%、Ni为28.5%、P为0.018%、S为0.003%、N为0.008%、Al为0.18%、Ti为0.25%、Mg为0.001%、Mo为1.0%、Cu为0.01%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
对比例1:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.02%、Si为0.40%、Mn为0.76%、Cr为19.6%、Ni为30.5%、P为0.018%、S为0.002%、N为0.008%、Mg为0.001%、Mo为0.5%、Cu为0.01%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
对比例2:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.04%、Si为0.52%、Mn为0.66%、Cr为19.6%、Ni为30.4%、P为0.020%、S为0.003%、N为0.010%、Al为0.20%、Ti为0.25%、Mg为0.001%、Mo为2.5%、Cu为0.01%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
对比例3:
一、按照表3中的配方配料,控制C为0.02%、Si为0.55%、Mn为0.70%、Cr为19.6%、Ni为30.2%、P为0.020%、S为0.090%、N为0.010%、Al为0.20%、Ti为0.25%、Mg为0.001%、Cu为0.01%,余量为铁和不可避免的杂质;
二、真空感应VIM冶炼25Kg钢锭,1吨蒸气锤锻造80×200mm板坯,带材轧制轧制3mm热卷,冷轧至0.45mm钢带,钢带经光亮退火处理。
表4 实施例和对比例的化学成分(wt%)
各实施例与对比例的力学性能和腐蚀性能对比如表5所示,其中,力学性能测试检测屈服强度、抗拉强度、延伸率、腐蚀性能的检测采用ASTM A932-06A法,试验温度35℃,试验时间72h。
表5 实施例和对比例的力学性能和腐蚀性能
从试验对比例中可以看出,图2中,从左到右分别为实施例2、实施例3和对比例2的产品试验结果;图3中,从左到右分别为实施例1、对比例1和对比例3的试验结果。本方案中的产品通过控制适量的C、Cr、Ni、Mo等元素,合金具有较高的强度,屈服强度可以达到260MPa以上,抗力强度达到600以上,同时塑性超过30%,具有良好耐FeCl3或FeCl2能力,其中耐Cl-点蚀能力最有效的元素是C和Mo的控制,其中C含量要控制≤3.0%,同时Mo含量控制≥1.5%,具有更好的抗点蚀能力,这样控制的材料具有良好的力学性能和耐点腐蚀能力,本发明的产品可以很好替代现有的耐热、耐腐蚀应用。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其特征在于,包括按重量百分数计的如下组分:Si:0.10~1.0%;Cr:16~25.0%;Ni:26.0~35.0%;Mo:1.5~3.5%;Al:0.05~1.10%;Ti:0.05~1.10%;C:≤0.03%;Mn:≤5.0%;P:≤0.035%;S:≤0.015%;N:≤0.020%;B+Ce+Zr+Y:≤0.10%;且Al+Ti:0.15~1.20%;余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其特征在于,所述Mg的百分含量≤0.005%。
3.根据权利要求1所述的一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其特征在于,所述Ti的质量百分含量为0.15~1.10%。
4.根据权利要求1所述的一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其特征在于,所述Al的质量百分含量为0.10~0.50%。
5.根据权利要求1所述的一种新型抗点蚀耐热镍基合金,其特征在于,氧元素的质量百分含量≤0.002%。
6.一种如权利要求1~5中任意一项所述的镍基合金的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
先冶炼钢锭或连铸板板坯,再将所述钢锭或连铸板板坯热轧成钢板或钢卷,最后将所述钢板或钢卷冷轧成薄板或钢带。
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