CN112030016B - 高钨高钴镍合金及其冶炼方法和药型罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高钨高钴镍合金及其冶炼方法和药型罩。高钨高钴镍合金的冶炼方法，包括：将所述高钨高钴镍合金的原料熔炼，然后通过流槽进行浇铸；所述流槽包括流槽本体和出口槽，所述流槽本体与所述出口槽连通；所述流槽本体设有进液端，所述出口槽设置有出口；所述流槽从所述进液端至所述出口的流程为0.75‑1.25m；所述流槽本体与所述出口槽的连通处设置有挡渣墙。药型罩，使用所述的高钨高钴镍合金制得。使用本申请提供的流槽进行高钨高钴镍合金的浇铸，能够减少合金的温降，保证了浇注过程合金液流动性，以及凝固过程的连续性，防止冷隔的产生，提升合金的性能。

Description

高钨高钴镍合金及其冶炼方法和药型罩

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种高钨高钴镍合金及其冶炼方法和药型罩。

背景技术

一般来说，合金材料的品质根本上取决于合金的冶炼质量，包括低的杂质含量、高均匀性及无裂纹缺陷等。然而与常规材料相比，高钨高钴镍合金的原料密度差异大、熔点差异大、杂质元素含量较高、偏析倾向高等特性，导致合金熔炼难度大，合金铸锭往往存在缩孔、偏析、开裂等缺陷，严重影响合金的机械性能。

高钨高钴的镍合金其熔点高且固液相线温差很小，在浇铸过程中，由于凝固过快，铸锭内的相变应力难以消解，甚至产生冷隔等现象，危害铸锭的延展性。

目前适用于异形铸件或大型铸件的浇注系统已经较为成熟，而针对高钨高钴镍合金的浇注设备及工艺还未有报道。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高钨高钴镍合金及其冶炼方法和药型罩，以解决上述问题。

为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：

一种高钨高钴镍合金的冶炼方法，包括：

将所述高钨高钴镍合金的原料熔炼，然后通过流槽进行浇铸；所述流槽包括流槽本体和出口槽，所述流槽本体与所述出口槽连通；所述流槽本体设有进液端，所述出口槽设置有出口；所述流槽从所述进液端至所述出口的流程为0.75-1.25m；所述流槽本体与所述出口槽的连通处设置有挡渣墙。

需要说明的是，本申请所指的高钨高钴镍合金一般指的是含有25-45wt％的钨、15-30wt％的钴以及余量的镍和不可避免的残余元素。

通过控制进液端到出口的流程，缩短金属液体的流程，减少金属液体在流槽内的降温，避免铸锭过快的凝固，解决铸锭内的相变应力难以消解、产生冷隔现象、危害铸锭的延展性等问题。挡渣墙的设置，是为了降低金属液体表面的夹杂物流入铸模中，可以有效减少产品中的杂质元素含量。

需要说明的是，进液端指的是熔炼好的金属液体进入流槽的一端。

可选地，所述流槽从所述流槽本体的进液端至所述出口的流程可以为0.75m、0.80m、0.85m、0.90m、0.95m、1.00m、1.05m、1.10m、1.15m、1.20m、1.25m以及0.75-1.25m之间的任意值。

优选地，所述熔炼的温度为1590-1610℃；

优选地，所述熔炼在抽真空至0.1-0.5Pa条件下进行；

优选地，所述熔炼结束后将合金液降温至1545-1575℃，然后进行所述浇铸；

优选地，所述浇铸在保温状态下进行。

1590-1610℃温度下，合金熔炼更充分，可以实现最大程度的液态化。

可选地，所述熔炼的温度可以为1590℃、1595℃、1600℃、1605℃、1610℃以及1590-1610℃之间的任意值。

真空熔炼的主要目的是为了避免熔炼过程中，环境中的O、N等元素与合金发生反应，引入杂质元素。

可选地，熔炼过程中，真空度可以是0.1Pa、0.2Pa、0.3Pa、0.4Pa、0.5Pa以及0.1-0.5Pa之间的任意值。

降温后浇铸，是因为采用相对低温浇铸，可以降低合金凝固过程中钨的元素偏析以及凝固过程中产生的热应力。保温状态下浇铸，是为了避免合金在浇注过程中过快的凝固。

可选地，所述熔炼结束后可以将合金液降温至1545℃、1550℃、1555℃、1560℃、1565℃、1570℃、1575℃以及1545-1575℃之间的任意值，然后保温状态下进行所述浇铸。

优选地，所述原料包括碳。

原料中除了钨钴镍之外，还包括碳，加入碳主要是为了进行脱氧。

优选地，所述浇铸在浇铸室内进行；

优选地，进行所述浇铸之前，所述浇铸室内充入保护气体至0.04-0.05MPa；

优选地，所述保护气体包括氩气。

充入保护气体的主要目的是为了避免浇注过程中，环境中的O、N等元素与合金发生反应，引入杂质元素。

优选地，所述浇铸完成后还包括退火处理；

优选地，所述退火处理之前，铸锭在浇铸室内冷却2-3h；

优选地，所述退火处理包括：将铸锭加热至950-970℃，保温6-8h，然后冷却；

优选地，所述冷却包括随炉冷却和空冷，所述随炉冷却的降温速率小于所述空冷的降温速率；

优选地，所述随炉冷却的终点为450-550℃。

由于合金中存在较多的高熔点、大密度的钨元素，导致合金在凝固过程钨的轴向宏观偏析，甚至浇铸中产生明显的高钨区和低钨区的分割线，严重影响合金成分的均匀性，甚至在凝固过程中产生裂纹。在浇铸室内冷却的主要目的是为了让铸锭完全凝固，同时无须冷却至温度太低，为后续退火处理做准备，减少能耗。退火过程可有效消除铸锭内部的残余应力，从而减少微裂纹和热裂倾向。保温温度和时间的控制，主要是为了保证退火的效果。冷却的分步进行，是为了避免过快冷却造成合金性能的下降，先通过较小的降温速率进行冷却，使得整个冷却过程更加平缓；而随炉冷却的终点的选取，一方面是考虑冷却速率，另一方面是考虑冷却效率，450-550℃以后使用大速率的空冷，对合金性能影响不大。

可选地，在浇铸室内冷却的时间可以为2h、2.5h、3h以及2-3h之间的任意值；退火处理中，保温阶段的温度可以是950℃、955℃、960℃、965℃、970℃以及950-970℃之间的任意值，保温时间可以为6h、7h、8h以及6-8h之间的任意值；所述随炉冷却的终点可以为450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃以及450-550℃之间的任意值。

优选地，进行所述浇铸之前，将所述流槽加热；

优选地，进行所述浇铸之前，将用于浇铸的铸模加热；

优选地，所述流槽和所述铸模各自独立的加热至1450-1500℃；

优选地，所述加热采用烘烤方式进行。

流槽加热的目的是为了减少合金液粘接和温降，保证合金液顺利通过；铸模加热一是为了减少冷隔现象，二是防止合金冷却过快残余应力过大，导致开裂。同时，流槽和铸模的加热，保证了浇注过程合金液流动性，以及凝固过程的连续性。

可选地，所述流槽和所述铸模各自独立的加热至1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃、1500℃以及1450-1500℃之间的任意值。

一种高钨高钴镍合金，使用所述的高钨高钴镍合金的冶炼方法制得。

一种药型罩，使用所述的高钨高钴镍合金制得。

本申请提供的高钨高钴镍合金，具有好的延展性、大的质量密度等优质的性能，适合用作生产武器，尤其是药型罩。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本申请提供的高钨高钴镍合金的冶炼方法，通过流槽控制进液端到出口的流程，缩短合金液的流程，减少金属液体在流槽内的降温，避免铸锭过快的凝固，解决凝固过快导致的应力难以消解、冷隔等问题，减少偏析，提升合金的延展性；

本申请提供的高钨高钴镍合金，杂质少，微裂纹少、热裂倾向不明显，致密度高、延展性好，适合用于药型罩制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为实施例提供的流槽的俯视示意图；

图2为实施例提供的挡渣墙的侧视示意图；

图3为实施例提供的退火处理的流程示意图；

图4为实施例3得到的铸锭的示意图。

附图标记：

1-流槽本体；2-出口槽；20-出口；3-挡渣墙；30-通道。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种流槽，包括流槽本体1和出口槽2，流槽本体1与出口槽2连通，出口槽2设置有出口20；流槽从流槽本体1的进液端至出口20的流程为0.75-1.25m。

如图1和图2所示，在一个优选的实施方式中，流槽本体1与出口槽2连通处设置有挡渣墙3，挡渣墙3下端开设有用于金属液由流槽本体1流向出口槽2的通道30。金属液在经过挡渣墙3时，其表面漂浮的夹杂物会被挡渣墙3拦截下来，而纯净的金属液会从通道30流入出口槽2中。

需要说明的是，由于流槽本体1本身是有一定容置空间的，所以一部分金属液在进入流槽本体1之后会直接通过挡渣墙3进入出口槽2，然后通过出口20进入铸模，这部分金属液的流程是相对比较短的；而另一部分金属液会从流槽本体1的一端先流动到另一端，甚至在流槽本体1内反复运动多次（一般反复运动1-2次，最大流程按照反复运动2次计算），然后再通过挡渣墙3进入出口槽2、通过出口20进入铸模，这部分金属液的流程是相对比较长的。本申请对流槽本体1和出口槽2的形状不做限定，仅要求金属液在其内的流程控制在0.75-1.25m范围内即可。在可选的实施方式中，流槽本体1和出口槽设置成矩形。

此外，挡渣墙3的形状也不局限于图2所示的形状。

本实施例提供一种高钨高钴镍合金，以质量百分比计，含有：40%W，22%Co，余量的Ni。

冶炼前24h，将流槽和铸模烘烤至1500℃，其中在流槽和铸模转移过程中温度会降低100-200℃。

按照合金的元素配比称取原材料，包括金属钨条、金属钴板及金属镍板，并配加质量百分比0.01%的碳用于脱氧。

冶炼过程抽真空至0.1Pa，冶炼温度为1600℃，冶炼结束后，测温取样。

将流槽和铸模移至浇铸室，熔炼室和浇铸室内充入氩气至0.042MPa。待合金液温度降至1560℃，小功率带电快速浇注，浇注时间为1分10秒，铸锭的直径为300mm。随炉冷却2.5h，破空取出铸锭。

将得到的铸锭移至退火炉，设定升温速率为10℃/s，升温至950℃保温6h，随炉冷却至500℃后，取出铸锭空冷至室温。

本申请提供的高钨高钴镍合金的冶炼方法中，退火处理的流程如图3所示。

将铸锭头、中、尾切得薄片，厚度为50mm。酸洗并观察得到的薄片。

采用火焰切割机切割薄片为金相样品大小，并进行打磨抛光，然后采用OPA-100金属原位分析仪进行面扫描，计算得到铸锭的致密度。致密度计算公式如下：

式中，D为致密度；C _i 为某一位置各元素含量之和；N为所采集的位置之和。

进行元素含量检测和拉伸性能测试，以及合金径向和轴向W的凝固偏析系数测试。

实施例2

本实施例提供一种高钨高钴镍合金，以质量百分比计，含有：45%W，15%Co，余量的Ni。

冶炼前24h，将流槽和铸模烘烤至1450℃，其中在流槽和铸模转移过程中温度会降低100-200℃。

按照合金的元素配比称取原材料，包括金属钨条、金属钴板及金属镍板，并配加质量百分比0.01%的电极碳用于脱氧。

冶炼过程抽真空至0.5Pa，冶炼温度为1610℃，冶炼结束后，测温取样。

将流槽和铸模（同实施例1）移至浇铸室，熔炼室和浇铸室内充入氩气至0.04MPa。待合金液温度降至1575℃，小功率带电快速浇注，浇注时间为1分15秒，铸锭的直径为310mm。随炉冷却3h，破空取出铸锭。将得到的铸锭移至退火炉，设定升温速率为10℃/s，升温至970℃保温7h，随炉冷却至550℃后，取出铸锭空冷至室温。

将铸锭头、中、尾切得薄片，厚度为50mm。酸洗并观察得到的薄片。

采用火焰切割机切割薄片为金相样品大小，并进行打磨抛光，然后采用OPA-100金属原位分析仪进行面扫描，计算得到铸锭的致密度。

进行元素含量检测和拉伸性能测试，以及合金径向和轴向W的凝固偏析系数测试。

实施例3

本实施例提供一种高钨高钴镍合金，以质量百分比计，含有：30%W，25%Co，余量的Ni。

冶炼前24h，将流槽和铸模烘烤至1480℃，其中在流槽和铸模转移过程中温度会降低100-200℃。

按照合金的元素配比称取原材料，包括金属钨条、金属钴板及金属镍板，并配加质量百分比0.015%的碳用于脱氧。

冶炼过程抽真空至0.3Pa，冶炼温度为1590℃，冶炼结束后，测温取样。

将流槽和铸模移至浇铸室，熔炼室和浇铸室内充入氩气至0.045MPa。待合金液温度降至1545℃，小功率带电快速浇注，浇注时间为1分5秒，铸锭的直径为290mm。随炉冷却2h，破空取出铸锭。将得到的铸锭移至退火炉，设定升温速率为10℃/s，升温至960℃保温8h，随炉冷却至450℃后，取出铸锭空冷至室温。其表面形态如图4所示。

将铸锭头、中、尾切得薄片，厚度为50mm。酸洗并观察得到的薄片。

采用火焰切割机切割薄片为金相样品大小，并进行打磨抛光，然后采用OPA-100金属原位分析仪进行面扫描，计算得到铸锭的致密度。

进行元素含量检测和拉伸性能测试，以及合金径向和轴向W的凝固偏析系数测试。

对比例1

与实施例1不同的是，浇注系统选用流槽的流程控制在2.0-2.5m的矩形流槽。经真空熔炼→保护气氛浇注→去应力退火工艺后，得到合金铸锭。将铸锭头、中、尾切片，厚度为50mm，观察检测计算分析。

对比例2

与实施例1不同的是，所选用的流槽不带有挡渣墙。经真空熔炼→保护气氛浇注→去应力退火工艺，其中浇注时间显著降低至46s，得到合金铸锭。将铸锭头、中、尾切片，厚度为50mm，观察检测计算分析。

对比例3

与实施例1不同的是，浇注前不对流槽和铸模进行烘烤，即流槽和铸模在室温状态下进行浇注。经真空熔炼→保护气氛浇注→去应力退火工艺，取样后观察检测计算分析。

对比例4

与实施例1不同的是，浇注温度提高至1590℃。经真空熔炼→保护气氛浇注→去应力退火工艺，取样后观察检测计算分析。

对比例5

与实施例1不同的是，退火过程中，升温至700℃保温6h，取样后观察检测计算分析。

实施例1-3和对比例1-5检测及计算结果如表1所示：

表1 检测及计算结果

编号	致密度（%）	径向W的偏析系数	轴向W的偏析系数	延伸率（%）	缺陷情况
						实施例1	93.4	1.13	1.24	55.9	无明显裂纹，表面质量良好
实施例2	95.2	1.12	1.18	54.6	无明显裂纹，表面质量良好
						实施例3	92.7	1.16	1.19	58.2	无明显裂纹，表面质量良好
对比例1	92.2	1.22	1.35	48.6	有内部微裂纹，表面质量良好
						对比例2	81.6	1.30	1.39	42.2	无明显裂纹，存在夹渣表面质量差
对比例3	95.5	1.28	1.39	47.2	无明显裂纹，表面较粗糙
						对比例4	95.8	1.41	1.47	44.5	无明显裂纹，表面质量良好
对比例5	90.3	1.33	1.42	44.7	有微裂纹，表面质量良好

由表1可以看出，采用本申请的流槽、冶炼浇注及去应力退火方法制备高钨高钴镍合金偏析比小、无明显裂纹和表面缺陷，且制备致密度高、延伸率高适合用于药型罩的制备。对比例采用长程流槽或不加挡渣墙或不对流槽和铸模烘烤或高温浇注或退火温度较低均会造成合金铸锭径向和轴向W元素偏析加剧，延展性能和表面质量变差，甚至出现内部微裂纹。

本申请提供的高钨高钴镍合金，有效降低铸锭中易偏析元素钨的偏析，消除了铸锭凝固过程产生的相变应力和热应力，从而减少了铸锭的内部缺陷，提高了合金的致密度和加工塑形，特别适用于制造药型罩。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种高钨高钴镍合金的冶炼方法，其特征在于，包括：

将所述高钨高钴镍合金的原料熔炼，然后通过流槽进行浇铸；进行所述浇铸之前，将所述流槽和用于浇铸的铸模加热；所述流槽和所述铸模各自独立的加热至1450-1500℃；所述加热采用烘烤方式进行；所述浇铸完成后还包括退火处理：将铸锭加热至950-970℃，保温6-8h，然后冷却；

所述流槽包括流槽本体和出口槽，所述流槽本体与所述出口槽连通；所述流槽本体设有进液端，所述出口槽设置有出口；所述流槽从所述进液端至所述出口的流程为0.75-1.25m；所述流槽本体与所述出口槽的连通处设置有挡渣墙。

2.根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1590-1610℃；所述熔炼在抽真空至0.1-0.5Pa条件下进行；所述熔炼结束后将合金液降温至1545-1575℃，然后进行所述浇铸；所述浇铸在保温状态下进行。

3.根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于，所述原料包括碳。

4.根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于，所述浇铸在浇铸室内进行；进行所述浇铸之前，所述浇铸室内充入保护气体至0.04-0.05MPa；所述保护气体包括氩气。

5.根据权利要求1所述的冶炼方法，其特征在于，所述退火处理之前，铸锭在浇铸室内冷却2-3h。

6.根据权利要求5所述的冶炼方法，其特征在于，所述冷却包括随炉冷却和空冷，所述随炉冷却的降温速率小于所述空冷的降温速率；所述随炉冷却的终点为450-550℃。

7.一种高钨高钴镍合金，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的高钨高钴镍合金的冶炼方法制得。

8.一种药型罩，其特征在于，使用权利要求7所述的高钨高钴镍合金制得。

Images