CN109609808A - 一种镍合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍合金，按重量百分比计，其制备原料包含：10％～50％的Cu，1％～5％的Si，1％～5％的Fe，1％～5％的Mn，余量为Ni及不可避免的杂质；通过在镍合金中添加Ti、Zr、Nb和Ce，提高了镍合金的强度，同时保持了其高韧性和高塑性；另一方面还公开了一种镍合金的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料领域，尤其涉及一种镍合金及其制备方法。
背景技术
镍是银白色金属，具有磁性和良好的可塑性，它能够高度磨光和抗腐蚀。镍合金具有高强度、高韧性的特点，并具有优异的耐腐蚀性能；另外还有一些镍合金有良好的物理性能。因此在航海、航空、化工、石油、精密仪器及发电装备等领域中镍及其合金得到了广泛的应用，是现代工业和科技领域不可缺少的贵重材料。然而传统的镍合金性能已经无法满足日益苛求的经济发展需求，亟需开发一种具有优良综合性能的镍合金。
例如：在高温状态下，镍与铜可以任何比例互溶而在冷却过程中形成单相固溶体组织，其晶体结构为面心立方。在镍中加入铜，提高了镍在还原性介质中的耐蚀性，并使合金的综合力学性能得到了改善，但塑性稍有降低。Si的含量对镍合金的机械性能和物理性能有重要的影响，合金中Si、Ni含量不同则会形成不同的化合物，Si、Cu含量不同也会形成不同的化合物。凝固后铸件会产生不同成分的偏析，不同的化合物析出后对合金的组织和性能将产生很明显的影响。Si的加入使合金的耐磨性增高了，同时合金对热加工温度的敏感性也增加了。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种镍合金，按重量百分比计，其制备原料包含：10％～50％的Cu，1％～5％的Si，1％～5％的Fe，1％～5％的Mn，余量为Ni及不可避免的杂质。
作为一种优选的技术方案，所述镍合金还包含除Cu、Fe、Mn、Ni以外的一种或多种副族元素。
作为一种优选的技术方案，所述副族元素为第三副族、第四副族和第五副族中的至少一种元素。
作为一种优选的技术方案，所述第三副族的元素为稀土元素。
作为一种优选的技术方案，所述稀土元素为镧系元素。
作为一种优选的技术方案，所述镧系元素为Ce。
作为一种优选的技术方案，所述第四副族的元素为Ti和/或Zr。
作为一种优选的技术方案，所述第五副族的元素为V、Nb、Ta中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述第五副族的元素为Nb。
作为一种优选的技术方案，所述镍合金的制备方法包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉和锰粉，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
有益效果：本发明提供的一种镍合金，其基础配方中引入了Cu、Si、Fe和Mn，增强了镍合金的耐腐蚀性能，尤其是在海水作用下发生的冲击腐蚀；改善了镍合金的机械性能和铸造特性，增强了合金的耐磨性。通过在镍合金中添加少量的Ti、Nb、Zr和Ce，使得在增加合金强度的同时保持了高韧性和高塑性。
具体实施方式
结合以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明，本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。
在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义,“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置，但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。除此之外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种镍合金，按重量百分比计，其制备原料包含：10％～50％的Cu，1％～5％的Si，1％～5％的Fe，1％～5％的Mn，余量为Ni及不可避免的杂质。
本申请中，所述制备原料中的Cu和Fe能与Ni形成固溶体，添加后可以提高镍合金的耐腐蚀性，尤其是Fe可以特别提高镍合金在海水作用下发生冲击腐蚀的耐腐蚀性。Mn也可以作为镍合金中的固溶强化元素，在Fe含量较低时，Mn可以弥补Fe的作用提高抗冲蚀性能，此外Mn还可消除合金中过剩C的影响，改善合金的机械性能和铸造性能。Si的加入可以增强镍合金的耐磨性。
本申请中，所述镍合金还包含除Cu、Fe、Mn、Ni以外的一种或多种副族元素。
在一些实施方式中，所述副族元素为第三副族、第四副族和第五副族中的至少一种元素。
在一些优选的实施方式中，所述第三副族的元素为稀土元素；进一步优选的，所述稀土元素为镧系元素；更进一步优选的，所述镧系元素为Ce。
在一些优选的实施方式中，所述第四副族的元素为Ti和/或Zr。
在一些优选的实施方式中，所述第五副族的元素为V、Nb、Ta中的至少一种；进一步优选的，所述第五副族的元素为Nb。
在一些优选的实施方式中，所述镍合金的制备原料中Ti、Nb、Ce的重量份比为1：(0.5～1)：(2～5)。
本发明中，申请人发现通过加入高熔点金属，如Ti、Zr、Nb，可以提高镍合金的强度，其原因是由于随着温度升高，熔点较低的金属熔化，Ti、Zr、Nb可作为固体质点，促进了金属合金的成核、生长。熔融的金属中形成的核数越多，即形成的晶粒越多，从而细化晶粒，且Ti、Zr、Nb相互作用，使合金内部的晶相成网状分布，进一步增大了镍合金的强度。
此外，申请人意料不到地发现，同时加入Ti和Nb会大大降低合金的韧性和塑性，这是因为合金中生成了针片状的Ni3(TiNb)，通过Ce的加入可以限制镍合金中Ni、Ti和Nb的反应，即可以达到在保持合金强度的同时提高合金的韧性和塑性。
本申请中的镍合金可具体通过下述方法制备：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的制备原料，进行配料；所述制备原料包含Ni、Cu、Si、Fe、Mn、Ti、Zr、Nb和Ce中的多种。
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例
实施例1
实施例1提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、锆粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例2
实施例2提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例3
实施例3提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：10％的Cu、1％的Si、1％的Fe、1％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、锆粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例4
实施例4提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：50％的Cu、5％的Si、5％的Fe、5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、锆粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例5
实施例5提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.5％的Nb、2％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、锆粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
实施例6
实施例6提供了一种镍合金，以重量百分比计，其制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
一种镍合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比，称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉、锰粉、钛粉、锆粉、铌粉和氧化铈粉末，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比(5～10)：1放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/分钟的升温速度加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力40～60MPa，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
对比例1
对比例1提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料不含Ti、Zr、Nb和Ce。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例2
对比例1提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料不含Zr、Nb和Ce。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例3
对比例3提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料不含Ti、Nb和Ce。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例4
对比例4提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料不含Ti、Zr和Ce。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例5
对比例5提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料不含Ti、Zr和Nb。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例6
对比例6提供了一种镍合金，与实施例2不同之处在于，所述制备原料不含Ce。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例2相同。
对比例7
对比例7提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料包括：5％的Cu、1％的Si、1％的Fe、1％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例8
对比例8提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料包括：55％的Cu、6％的Si、6％的Fe、6％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.8％的Nb、3％的Ce、余量为Ni。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例9
对比例9提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、0.2％的Nb、1％的Ce、余量为Ni。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
对比例10
对比例10提供了一种镍合金，与实施例1不同之处在于，所述制备原料包括：25％的Cu、3％的Si、2.5％的Fe、2.5％的Mn、1％的Ti、1％的Zr、2％的Nb、6％的Ce、余量为Ni。
本例还提供了上述镍合金的制备方法，其步骤与实施例1相同。
性能评价
对实施例1-6和对比例1-10所得到的镍合金进行屈服强度、断裂强度、硬度、冲击韧性和腐蚀速率测定。
测定方法：
1、屈服强度和断裂强度
在线切割机上将熔炼好的合金加工成高径比为2：1的标准样，用电子万能试验机测试其屈服强度(单位：MPa)和断裂强度(单位：MPa)，具体实验数据见表1。
2、硬度
在线切割机上将熔炼好的合金加工成高径比为2：1的标准样，用水砂纸将样品表面的氧化皮磨掉，并保证试样表面光滑平整，用维氏硬度计测试其维氏硬度(单位：HV)，具体实验数据见表1。
3、冲击韧性
在线切割机上将熔炼好的合金加工成10×10×55mm的标准样，用冲击试验机测试其冲击韧性ak(单位：KJ/m2)，具体实验数据见表1。
4、腐蚀速率
在线切割机上将熔炼好的合金加工成高径比为2：1的标准样，采用转盘式冲刷腐蚀检测设备对样品测其腐蚀速率(单位：mm/s)，具体实验数据见表1。
表1
备注：各数值为平均值。
由于添加了Ti、Zr和Nb，对比例1-4的镍合金强度均低于实施例1，而对比例5仅添加Ce对镍合金的性能影响不大；相比于实施例2，同时含有Ti、Nb但不含Ce的对比例6韧性降低；对比例7-10中制备原料的重量百分比超出了本申请的实施范围，效果均劣于实施例1。
最后指出，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种镍合金，其特征在于，按重量百分比计，其制备原料包含：10％～50％的Cu，1％～5％的Si，1％～5％的Fe，1％～5％的Mn，余量为Ni及不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的镍合金，其特征在于，所述镍合金还包含除Cu、Fe、Mn、Ni以外的一种或多种副族元素。
3.权利要求2所述的镍合金，其特征在于，所述副族元素为第三副族、第四副族和第五副族中的至少一种元素。
4.权利要求3所述的镍合金，其特征在于，所述第三副族的元素为稀土元素。
5.权利要求4所述的镍合金，其特征在于，所述稀土元素为镧系元素。
6.权利要求5所述的镍合金，其特征在于，所述镧系元素为Ce。
7.权利要求3所述的镍合金，其特征在于，所述第四副族的元素为Ti和/或Zr。
8.权利要求3所述的镍合金，其特征在于，所述第五副族的元素为V、Nb、Ta中的至少一种。
9.权利要求8所述的镍合金，其特征在于，所述第五副族的元素为Nb。
10.一种权利要求1所述镍合金的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)配料：按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铜粉、金属硅粉、铁粉和锰粉，进行配料；
(2)混料：将所述配料和不锈钢球按球料比放入混料罐中，在转速为200～300转/分钟的混料机上混料4～6小时，得到混好的粉料；
(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上以450～550MPa的压力压制成坯，压坯后获得直径为15～20毫米，高为20～30毫米的圆柱形压坯料；
(4)热压烧结：将所述压坯料放在模具中，然后将所述模具放入热压成型装置，加热至1000～1200℃，保温并开始施加压力，维持所述压力和保温温度30～60秒后，冷却至室温，最终得到镍合金产品。
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