CN112458340A - 一种高温风机轴用镍基合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温风机轴用镍基合金，各元素的重量百分比为：C：0.05‑0.10%，Si：≤0.70%，Mn：≤0.70%，P：≤0.012%，S：≤0.008%，Cr：20.0‑23.0%，Al：0.60‑1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0‑13.0%，Ti：0.20‑0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质；本发明的高温风机轴用镍基合金的制备方法包括原料准备、真空冶炼、电渣重熔、锻造、热处理、车光棒材的步骤；采用本发明制备的镍基合金具有高温强度好、高温耐蚀性强、抗氧化性强的优点，合金纯度高、杂质少、金相组织和化学成分均匀，应用于高温风机轴的制造中，可延长高温风机的使用寿命。

Description

一种高温风机轴用镍基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温耐蚀合金材料领域，尤其涉及一种高温风机轴用镍基合金及其制备方法。
背景技术
在冶金、化工等行业的高温退火炉等热处理设备中，高温轴流风机、高温离心风机是常见的用于通风换气或加强散热的设备。高温退火炉中的风机长时间处于高温环境下，风机轴需要具备较高的耐高温、耐腐蚀性能。由于镍基合金具有较高的高温力学性能、优良的抗氧化性能及耐腐蚀性能等优点，因此目前高温风机轴一般采用镍基合金制造。随着工业电炉的不断增加以及热处理工艺温度的不断升高，对高温风机轴用高温耐蚀合金材料的性能提出了更高的要求，而目前应用于高温风机轴的合金材料的性能还存在耐高温性能不强的缺点，不能满足工业应用要求，采用现有合金材料制造的高温风机使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高温风机轴用镍基合金及其制备方法，提高合金高温强度及高温耐蚀性能，延长高温风机的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高温风机轴用镍基合金，所述高温风机轴用镍基合金中各元素的重量百分比为：C：0.05-0.10%，Si：≤0.70%，Mn：≤0.70%，P：≤0.012%，S：≤0.008%，Cr：20.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
优选地，各元素的重量百分比为：C：0.05-0.08%，Si：0.30-0.60%，Mn：0.30-0.60%%，P：≤0.010%，S：≤0.006%，Cr：22.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
根据本发明的另一面，提供一种高温风机轴用镍基合金的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1460-1520℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A。
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%；锻造规格Φ155mm或Φ175mm。
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷。
步骤S6：车光棒材。
优选地，所述步骤S1中，烘烤过程中，原料镍在780℃烘烤超过4小时，原料铬在400℃烘烤超过2小时，原料硅在700℃烘烤超过4小时。
优选地，所述步骤S2中，原料装炉顺序为：铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明对高温风机轴用镍基合金的组分进行优化设计，合金具有高温强度好、高温耐蚀性强、抗氧化性强的优点；优化各工艺参数及步骤，提升合金的综合性能；采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀；本发明的高温风机轴用镍基合金应用于高温风机轴的制造中，适用于高温退火炉等高温环境，可有效延长高温风机的使用寿命，降低更换成本。
附图说明
图1为本发明的一种高温风机轴用镍基合金的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
本发明的一种高温风机轴用镍基合金中各元素的重量百分比为：C：0.05-0.10%，Si：≤0.70%，Mn：≤0.70%，P：≤0.012%，S：≤0.008%，Cr：20.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
优选地，各元素的重量百分比为：C：0.05-0.08%，Si：0.30-0.60%，Mn：0.30-0.60%%，P：≤0.010%，S：≤0.006%，Cr：22.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
上述高温风机轴用镍基合金中各元素的作用如下：
（1）C（碳）：碳元素在一定含量范围内可以提高合金的强度和耐磨损性能，本发明将碳含量设计为0.05-0.10%，可以提高合金的高温性能。
（2）Si（硅）：硅元素可提高合金的延展性及抗张强度，还具备脱氧功能，本发明将硅含量设计为不高于0.70%，可提高合金的高温强度，降低杂质含量。
（3）Mn（锰）：锰可提高合金的耐磨损性及抗张强度，还具有分离脱氧功能，本发明将锰含量设计为不高于0.70%，可提高合金的高温强度，降低杂质含量。
（4）Cr（铬）：铬是提高合金高温抗氧化性能的关键元素。合金在高温形成的保护氧化膜主要由CrO组成；以CrO为主的氧化膜较致密，附着性也较强，可以保证合金在高温下长期使用。本发明将铬含量设计为20.0-23.0%，可以提高合金的耐高温性能。
（5）Al（铝）：铝可以提高合金的高温抗氧化性、提高时效硬化，本发明将铝含量设计为0.60-1.50%，可以提高合金高温性能，延长合金在高温环境下的使用寿命。
（6）Fe（铁）：铁可以提高合金对高温环境的抵抗性、降低合金成本、控制热膨胀，本发明将铁含量设计为不高于2.0%，可提高合金的耐高温性能。
（7）Co（钴）：钴元素可以增加合金的硬度和力度，提高合金的高温强度，本发明将钴含量设计为10.0-13.0%，可延长合金在高温环境下的使用寿命。
（8）Ti（钛）：钛与碳结合，可以减少热处理时发生碳化铬沉淀造成的晶间腐蚀，本发明将钛含量设计为0.20-0.60%，可提高合金的高温耐蚀性能。
（9）Ni（镍）：镍基高温合金是以镍为基体在650℃～1000℃范围内具有较高的强度与良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，本发明以镍为基体，通过对合金化学成分进行合理设计，能够保证合金具有优异的高温强度、高温耐蚀性能以及抗氧化性能，延长合金的使用寿命。
根据本发明的另一面，提供一种上述高温风机轴用镍基合金的制备方法，请参见图1，图1为本发明的一种高温风机轴用镍基合金的制备方法的流程图，高温风机轴用镍基合金的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍需在780℃烘烤超过4小时，原料铬需在400℃烘烤超过2小时，原料硅需在700℃烘烤超过4小时。配料过程需要严格控制各元素的配入范围，保证电渣重熔过程中易烧损元素的含量控制合格。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1460-1520℃，精炼时间≥25分钟，全程可不充氩气，精炼期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识。
精炼期采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，可以提高合金的纯度，有效脱氧脱硫，优化合金的金相组织，提高合金的高温性能。
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A；电渣重熔过程需要控制熔化速率不宜过快，需保证电渣质量无渣沟，无成分偏析。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，能有效去除合金中非金属夹杂物和脱硫，从而提高合金纯度，改善铸锭结晶。
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%。锻造规格Φ155mm或Φ175mm；
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷；
步骤S6：车光棒材，最终成品状态为固溶光棒。
本发明的合金制备工艺采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，对各步骤操作顺序及工艺参数进行优化设计，能够提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀，提高合金的高温耐蚀性能，延长高温风机在高温环境下的使用寿命，降低更换成本。采用本发明生产的高温风机轴用镍基合金，在900℃下的屈服强度大于210MPa，抗拉强度大于290MPa。
实施例1：
本发明实施例1的一种高温风机轴用镍基合金中，各元素的重量百分比为：C：0.075%，Si：0.60%，Mn：0.50%，P：0.008%，S：0.006%，Cr：21.5%，Al：1.20%，Fe：1.85%，Co：12.0%，Ti：0.45%，余量为Ni和不可避免的杂质。
上述镍基合金的制备方法包括：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍需在780℃烘烤超过4小时，原料铬需在400℃烘烤超过2小时，原料硅需在700℃烘烤超过4小时。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1500℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A。
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%；锻造规格Φ155mm或Φ175mm。
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷；
步骤S6：车光棒材。
实施例2：
本发明实施例2的一种高温风机轴用镍基合金中，各元素的重量百分比为：C：0.06%，Si：0.52%，Mn：0.65%，P：0.006%，S：0.003%，Cr：22.5%，Al：1.10%，Fe：1.65%，Co：11.8%，Ti：0.50%，余量为Ni和不可避免的杂质。
上述镍基合金的制备方法包括：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍需在780℃烘烤超过4小时，原料铬需在400℃烘烤超过2小时，原料硅需在700℃烘烤超过4小时。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1500℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A。
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%；锻造规格Φ155mm或Φ175mm。
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷。
步骤S6：车光棒材。
实施例3：
本发明实施例3的一种高温风机轴用镍基合金中，各元素的重量百分比为：C：0.08%，Si：0.65%，Mn：0.50%，P：0.007%，S：≤0.004%，Cr：21.8%，Al：0.95%，Fe：1.65%，Co：12.5%，Ti：0.45%，余量为Ni和不可避免的杂质。
上述镍基合金的制备方法包括：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍需在780℃烘烤超过4小时，原料铬需在400℃烘烤超过2小时，原料硅需在700℃烘烤超过4小时。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1500℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A。
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%；锻造规格Φ155mm或Φ175mm。
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷。
步骤S6：车光棒材。
综上所述，本发明提供一种高温风机轴用镍基合金及其制备方法，对合金组分进行优化设计，合金具有高温强度好、高温耐蚀性强、抗氧化性强的优点；优化各工艺参数及步骤，提升合金的综合性能；采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀；本发明的高温风机轴用镍基合金应用于高温风机轴的制造中，适用于高温退火炉等高温环境，可有效延长高温风机的使用寿命，降低更换成本。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种高温风机轴用镍基合金，其特征在于：所述高温风机轴用镍基合金中各元素的重量百分比为：C：0.05-0.10%，Si：≤0.70%，Mn：≤0.70%，P：≤0.012%，S：≤0.008%，Cr：20.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高温风机轴用镍基合金，其特征在于：各元素的重量百分比为：C：0.05-0.08%，Si：0.30-0.60%，Mn：0.30-0.60%%，P：≤0.010%，S：≤0.006%，Cr：22.0-23.0%，Al：0.60-1.50%，Fe：≤2.0%，Co：10.0-13.0%，Ti：0.20-0.60%，余量为Ni和不可避免的杂质。
3.一种高温风机轴用镍基合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分精确配比原料，各原料采用全新料配制，将所有原料磨光表面，烘烤后使用；
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1460-1520℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次的低温长时精炼：先提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1460℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期向钢水中加入Ni-Mg合金脱氧脱硫，Ni-Mg合金加入量为钢水重量的0.05%；Al、Ti小料在精炼后停电结膜时按顺序分批加入，用于脱氧并控制成分；出钢温度1540℃，浇注210Kg电极，浇注后期补缩充分，浇注完成15分钟后破空出模标识；
步骤S3：电渣重熔：切除缩孔，修磨表面氧化物，去除杂质；电渣重熔渣系配比：CaF2：Al2O3：CaO：TiO2=70：15：10：5，电压55-60V，电流5000-6000A；
步骤S4：锻造：钢锭低于400℃装炉，缓慢升温至800℃，保温1.5小时，再升温至1150-1180℃，保温大于3小时；始锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃，回火再烧大于60分钟，锻后空气冷却，探伤100%；锻造规格Φ155mm或Φ175mm；
步骤S5：热处理：热处理温度1120-1150℃，保温2小时后水冷；
步骤S6：车光棒材。
4.如权利要求3所述的高温风机轴用镍基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，烘烤过程中，原料镍在780℃烘烤超过4小时，原料铬在400℃烘烤超过2小时，原料硅在700℃烘烤超过4小时。
5.如权利要求3所述的高温风机轴用镍基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，原料装炉顺序为：铁块与镍块加入真空冶炼炉坩埚的底部，配入底碳，原料钴与原料铬放在坩埚的中上部，最上面再用镍板覆盖。
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