CN112981182A - 一种镍铬合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍铬合金材料，其包括按重量百分数计的如下元素：Ni：55.0‑75.0％；Cr：12.0‑35.0％；Fe：5.0‑20.0％；C：≤0.05％；Al：≤1.0％；Ti：≤1.0％；余量为脱氧元素残留和不可避免的杂质，其中，所述脱氧残留元素含量≤0.8％，杂质元素含量≤0.5％。本发明利用轧后余热，通过控制终轧温度和钢板上下表面喷淋水压与喷淋时间，将镍铬铁合金板材迅速冷却至≤300℃，不需要额外加热，即可达到固溶热处理的目的，省去了通过离线高温固溶热处理重新加热所需的大量能源，缩短了制造流程，降低了能耗，符合节能环保和绿色制造的发展理念。

Description

一种镍铬合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料压力加工和热处理技术领域，特别涉及一种高强度镍铬铁合金板材的热轧和轧后直接水淬固溶处理的方法，流程短，节约能源。

背景技术

镍基耐蚀合金具有良好的高温强度、抗氧化、耐腐蚀性能，并具有良好的塑性和焊接性等。由于镍本身就具有一定的抗腐蚀能力，尤其是抗氯离子引起的应力腐蚀能力，因此在诸多工业腐蚀环境中具有独特的抗腐蚀甚至抗高温腐蚀性能，而且具有强度高、塑韧性好，可冶炼、铸造、冷热变形、加工成型和焊接等性能，被广泛应用于石化、核电、能源、海洋、航空航天等领域。如镍铬铁合金00Cr30Ni60Fe10在核电站一、二回路服役环境中具有优异的耐蚀性能，而且具有较高的强度，除了用于制造核电站蒸汽发生器传热管外，还以中板、厚板的形式被广泛用于核电设备中蒸汽发生器下封头隔板、安注箱、堆芯补水箱、压力容器堆内构件等部件，以及核燃料回收、核电站余热排放、煤气化装置、石油化工生产等领域。

在ASME SB-168标准中，仅对UNS N06690镍铬铁合金热轧板室温拉伸性能做了要求，分别为：抗拉强度不低于585MPa，屈服强度不低于240MPa，延伸率不低于30％。随着我国先进压水堆核电站建设的启动，对镍铬铁合金板材的化学成分和性能提出了更高的要求。如表1所示，除了室温拉伸性能以外，对350℃高温拉伸性能和晶粒度也做了强制要求。

表1核电设备用镍铬铁合金板材的主要技术要求

镍铬铁合金热轧厚板的常规生产工艺流程为：冶炼→锻造开坯→热轧成形→空冷→固溶热处理→水淬→时效热处理→空冷。由于该板的厚度较大，最大设计厚度达80mm，远远大于常规镍铬铁合金板材的厚度。因此该产品的加工制造的难点是因规格增大所致，板材规格增大后，其在冶炼、轧制和热处理过程中的传热、传质、流动、塑性成形、固态相变发生很大变化。如果按照常规工艺生产镍铬铁合金厚板，其性能尤其是350℃高温强度无法达到表1的要求。其原因是因为产品规格变大后会带来：①热加工变形量变小；②轧后空冷经历的时间变长，再结晶时间长；③固溶热处理时为保证固溶充分和温度均匀，加热时间变长。这三种情况均会导致镍铬铁合金板材的晶粒粗大，强度降低。针对强度不足，一般采取的措施是添加强化合金元素，如Mo、Al、Ti、Nb、V、B、Cu等，以此来提高合金的强度。但添加合金元素会显著增加成本，并且增加制造难度，提高了产品工艺复杂性，降低了关键工艺可操控性。更为关键的是，由于先进压水堆核电等领域应用环境特殊，对合金成分控制要求愈加严格，添加过多的有效强化合金元素可会使得化学成分不符合标准要求，极大的增加了冶炼难度。

由于镍铬铁合金是全奥氏体显微组织，属于固溶强化型合金，因此固溶热处理是保证其性能的关键工艺之一，可以改善合金的力学性能和抗腐蚀性能，并且为第二相析出时效处理做准备。常规采取的固溶热处理工艺是离线方式，即轧制后钢板自然冷却至室温后在专门的固溶热处理炉中重新加热至一定的温度并保温一段时间，使合金中的第二相都固溶到基体组织中，然后快速冷却，从而得到单一的过饱和固溶体，这不仅需要特殊的热处理炉和冷却装备，而且对于厚板而言，为保证加热均匀且固溶充分，需要较长时间升温和保温，长时间的加热会带来微观组织粗化，并消耗大量能源，增加成本和碳排放，同时，还会由于难以保证冷却过程均匀性导致性能不均匀及板形变差。

而在线固溶热处理是利用钢板轧后余热，通过控制终轧温度和轧后冷却速度，使其更接近于离线固溶热处理的冷却效果的生产方式。在线固溶热处理省去了常规工艺所需的重新加热过程，可节省大量能耗，并提高了生产能力，缩短了板材制造周期，更为重要的是可以保留轧制过程中的细小晶粒从而提高板材的力学性能。该项技术从20世纪80年代就开始兴起，但由于存在钢板冷却均匀性、板形控制、轧制和轧后参数控制等问题及限制，其潜力一直未能在镍基耐蚀合金板材尤其是厚板的生产制造中充分发挥出来。

专利ZL201410283475.6、ZL200810196040.2、ZL201210085344.8、ZL201210558918.9、ZL201410019067.X主要公开了碳钢中厚板及其在线固溶方法，其厚度一般低于50mm，因和本发明中所述合金材料成分相差甚远，其轧制工艺控制、冷却工艺条件均有很大不同，不能用于生产本发明所述镍铬铁合金厚板。专利ZL201310187710.5公开了一种细晶高强度GH4169镍基合金的热轧，并利用在线固溶缩短加热与保温时间达到抑制晶粒长大提高强度的目的，但该发明用于生产GH4169合金棒材，与本发明差异很大。专利ZL200910103141.5公开了一种钢板轧制后直接热处理工艺技术，但其钢板出口处需要电磁感应加热补温，工艺复杂，与本发明不同。专利ZL201410709470.5、ZL201410712566.7、ZL201410712582.6分别公开了一种用于钢板在线固溶的钢板生产方法、装置及控制系统、板形控制方法、轧后快速冷却系统，没有给出生产具体工艺参数，未覆盖本发明内容。

综上所述，业内针对解决热轧中厚板的在线固溶提出了很多设想和解决方案，但目前所述方法尚不能给出具体的措施和有效参数来解决高强度镍铬铁合金热轧厚板在线固溶所存在的问题，必须设计有针对性的更合理的轧制工艺和在线固溶工艺参数，来达到镍铬铁合金热轧厚板所要求的性能指标。

发明内容

本发明旨在设计一种镍铬铁合金热轧厚板短流程的轧制与轧后在线固溶方法，并且能够使镍铬铁合金板材具有更高的强度。本发明所述制造方法通过调整产品制造流程，给出合理的控制参数，通过热轧和在线固溶参数来控制板材的热轧变形组织和再结晶过程，细化板材晶粒组织，使镍铬铁合金热轧厚板的室温和350℃高温抗拉强度提高10％以上，屈服强度提高50％以上，晶粒度级别提高2级以上，同时还能够精简工艺、减少能耗、降低制造成本。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种镍铬铁合金热轧厚板轧后直接在线固溶热处理的方法，配合改进的热轧工艺，控制轧态组织和再结晶过程，细化晶粒组织，使其350℃抗拉强度≥550MPa，晶粒度细于5级，该方法不仅提高了镍铬铁合金热轧厚板的拉伸强度，而且缩短了工艺流程，降低了成本，减少了能耗。

一种镍铬合金材料，其包括按重量百分数计的如下元素：Ni：55.0-75.0％；Cr：12.0-35.0％；Fe：5.0-20.0％；C：≤0.05％；Al：≤1.0％；Ti：≤1.0％；余量为脱氧元素残留和不可避免的杂质，其中，所述脱氧残留元素含量≤0.8％，杂质元素含量≤0.5％。

作为优选方案，所述的镍铬合金材料包括按重量百分数计的如下元素：Ni：58.0-72.0％；Cr：13.0-32.0％；Fe：6.0-18.0％；C：0.010-0.045％；Al：≤0.8％；Ti：≤0.8％；余量为脱氧元素残留和不可避免的杂质，其中，所述脱氧残留元素含量≤0.5％，杂质元素含量≤0.3％。

一种如前述的镍铬合金材料的制备方法，其包括依次进行的冶炼、锻造开坯、热轧成形、轧后在线水淬处理、时效热处理和空冷。

作为优选方案，所述冶炼的步骤采用电炉炼钢、真空感应炉冶炼和电渣重熔的方式。

具体为：将原材料按常规方法除锈并烘烤后按比例配制并加入炉中。电炉炼钢采用“EF+AOD+LF”冶炼，AOD冶炼过程全程吹氩，其它按照常规工艺。真空感应冶炼时炉中真空度≤2.6Pa，保温精炼时间15-30分钟。电渣重熔采用氩气保护电渣重熔炉，稳态电压40-65V。

作为优选方案，所述锻造开坯中，将钢锭锻成扁平板坯；所述热轧成型的温度为1150-1240℃，加热总时间和保温时间均与扁平板坯的厚度相关，具体关系式为：t_加热＝(1.5～3.0)H，t_保温＝(0.4～0.8)H，t_加热和t_保温分别为加热总时间和保温总时间，单位为min，H为扁平板坯的厚度，单位为mm。

作为优选方案，所述热轧成形的步骤中，轧制道次为偶数，每道次的压下量≥6％，最后两道次的压下量≥8％，总变形量≥60％，开轧温度为T_开≥1110℃，终轧温度根据镍铬铁合金的C含量进行控制，按照公式“T_终＝1010+100000×C含量”计算，计算结果为：终轧温度T_终＝1020-1080℃。

作为优选方案，所述轧后在线水淬处理的步骤中，先将板材停留10-180s后再进入在线固溶水淬处理产线进行快速水冷，停留时间根据板材厚度确定为2s/mm。

作为优选方案，所述固溶热处理的步骤是在线连续固溶淬火机中的进行的，在钢板进入在线连续固溶淬火机后，对钢板上表面和下表面喷淋高压水进行强制冷却，在在线连续固溶淬火机高压段保持喷水压力≥2.0MPa下冷却10-60s，使钢板快速通过再结晶温度区，然后进入在线连续固溶淬火机低压段保持水压0.5-1.3MPa下摆动60-120s，保证钢板温度≤300℃后进入冷床自然冷却。

作为优选方案，所述时效热处理的温度为700～740℃，保温时间为5～11h。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用轧后余热，通过控制终轧温度和钢板上下表面喷淋水压与喷淋时间，将镍铬铁合金板材迅速冷却至≤300℃，不需要额外加热，即可达到固溶热处理的目的，省去了通过离线高温固溶热处理重新加热所需的大量能源，缩短了制造流程，降低了能耗，符合节能环保和绿色制造的发展理念；

2、通过本发明的在线固溶热处理，可以保证奥氏体镍铬铁合金厚板细小的晶粒组织，避免厚板在离线固溶热处理过程中长时间加热带来的晶粒粗化，可提高室温和350℃高温抗拉强度10％以上、屈服强度50％以上，晶粒度2级以上，满足先进核能更高的使用要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的制备方法得到的镍铬铁合金板材的金相照片；

图2为常规离线固溶镍铬铁合金板材的金相照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

冶炼成如表2所示的镍铬铁合金成分，锻造成厚度380mm的板坯，将板坯加热至1200℃，加热总时间800min，1200℃保温200min，开轧温度1150℃，终轧温度1050℃，道次压下量≥6％，最后两道次压下量10％，总变形量78％，板材最终规格为82mm，轧后停留150s后进入在线固溶淬火机，2.5MPa水压下冷却30s后进入低压段，1.1MPa水压下摆动100s后板材温度降至280℃后进入冷床自然冷却，之后在715℃下保温10h时效热处理。板材的理化性能检验结果为：室温抗拉强度705MPa、室温屈服强度461MPa、350℃抗拉强度575MPa、350℃屈服强度390MPa、室温拉伸延伸率48％、晶粒度7.5级。

实施例2

冶炼成如表2所示的镍铬铁合金成分，锻造成厚度300mm的板坯，将板坯加热至1170℃，加热总时间650min，1170℃保温160min，开轧温度1120℃，终轧温度1040℃，道次压下量≥6％，最后两道次压下量9％，总变形量78％，板材最终规格为64mm，轧后停留125s后进入在线固溶淬火机，2.4MPa水压下冷却30s后进入低压段，1.1MPa水压下摆动90s后板材温度降至240℃后进入冷床自然冷却，之后在715℃下保温9.5h时效热处理。板材的理化性能检验结果为：室温抗拉强度710MPa、室温屈服强度460MPa、350℃抗拉强度580MPa、350℃屈服强度376MPa、室温拉伸延伸率44％、晶粒度8.0级。

实施例3

冶炼成如表2所示的镍铬铁合金成分，锻造成厚度250mm的板坯，将板坯加热至1220℃，加热总时间420min，1220℃保温150min，开轧温度1180℃，终轧温度1040℃，道次压下量≥6％，最后两道次压下量11％，总变形量79％，板材最终规格为53mm，轧后停留105s后进入在线固溶淬火机，2.2MPa水压下冷却30s后进入低压段，0.8MPa水压下摆动75s后板材温度降至220℃后进入冷床自然冷却，之后在715℃下保温10h时效热处理。板材的理化性能检验结果为：室温抗拉强度705MPa、室温屈服强度455MPa、350℃抗拉强度570MPa、350℃屈服强度344MPa、室温拉伸延伸率45％、晶粒度7.0级。

实施例4

冶炼成如表2所示的镍铬铁合金成分，锻造成厚度160mm的板坯，将板坯加热至1200℃，加热总时间360min，1200℃保温110min，开轧温度1180℃，终轧温度1035℃，道次压下量≥7％，最后两道次压下量12％，总变形量90％，板材最终规格为16mm，轧后停留30s后进入在线固溶淬火机，2.0MPa水压下冷却30s后进入低压段，0.6MPa水压下摆动60s后板材温度降至180℃后进入冷床自然冷却，之后在715℃下保温11h时效热处理。板材的理化性能检验结果为：室温抗拉强度690MPa、室温屈服强度448MPa、350℃抗拉强度590MPa、350℃屈服强度351MPa、室温拉伸延伸率46％、晶粒度7.0级。

对比例1为按照常规的离线固溶生产工艺制造的同类合金UNS N06690合金板材，理化性能检验结果为：室温抗拉强度615MPa、室温屈服强度236MPa、350℃抗拉强度500MPa、350℃屈服强度191MPa、室温拉伸延伸率56％、晶粒度4.5级。

对比例2为按照常规的离线固溶生产工艺制造的同类合金UNS N06690合金板材，理化性能检验结果为：室温抗拉强度625MPa、室温屈服强度251MPa、350℃抗拉强度510MPa、350℃屈服强度196MPa、室温拉伸延伸率55％、晶粒度5.0级。

对比例3为按照常规的离线固溶生产工艺制造的同类合金UNS N06690合金板材，理化性能检验结果为：室温抗拉强度610MPa、室温屈服强度243MPa、350℃抗拉强度495MPa、350℃屈服强度188MPa、室温拉伸延伸率57％、晶粒度3.0级。

根据本发明设计的化学成分和轧后直接在线水淬固溶的短流程生产方法生产的4个实施例，所生产的镍铬铁合金热轧板尺寸、外观、化学成分、力学性能、晶粒度等均符合核电设备用镍铬铁合金的技术要求。采用常规离线固溶生产工艺制造的板材350℃抗拉强度均不符合核电设备用镍铬铁合金技术要求，室温屈服强度、350℃屈服强度和晶粒度也有不符合技术要求的情况。将上述实施例和对比例理化性能检验结果列于表3进一步对比可见，所发明的新型高强度镍铬铁合金板材力学性能显著提高，室温和350℃高温拉伸强度均提高10％以上，屈服强度均提高50％以上，晶粒度提高2.0个级别以上(典型晶粒度金相图对比见图1和图2)，均比ASME SB-168生产的UNS N06690合金板材更能符合核电设备的技术要求。

表2镍铬铁合金板的化学成分(重量百分比)

化学成分	C％	Ni％	Cr％	Fe％	Al％	Ti％	其它％
								实施例1	0.026	60.5	27.5	10.9	0.55	0.28	0.23
实施例2	0.032	58.2	25.3	15.2	0.31	0.63	0.33
								实施例3	0.020	69.1	19.5	10.3	0.62	0.27	0.19
实施例4	0.016	60.1	28.5	10.5	0.31	0.30	0.27

表3镍铬铁合金板的性能

注：离线固溶对比例为符合ASME SB-168UNS N06690合金的板材，对比例1厚度为30mm，对比例2厚度为50mm，对比例3厚度为15mm。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种镍铬合金材料，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：Ni：55.0-75.0％；Cr：12.0-35.0％；Fe：5.0-20.0％；C：≤0.05％；Al：≤1.0％；Ti：≤1.0％；余量为脱氧元素残留和不可避免的杂质，其中，所述脱氧残留元素含量≤0.8％，杂质元素含量≤0.5％。

2.如权利要求1所述的镍铬合金材料，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：Ni：58.0-72.0％；Cr：13.0-32.0％；Fe：6.0-18.0％；C：0.010-0.045％；Al：≤0.8％；Ti：≤0.8％；余量为脱氧元素残留和不可避免的杂质，其中，所述脱氧残留元素含量≤0.5％，杂质元素含量≤0.3％。

3.一种如权利要求1或2所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，包括依次进行的冶炼、锻造开坯、热轧成形、轧后在线水淬处理、时效热处理和空冷。

4.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述冶炼的步骤采用电炉炼钢、真空感应炉冶炼和电渣重熔的方式。

5.如权利要求4所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述真空感应炉冶炼中，控制炉中真空度≤2.6Pa，保温精炼时间15-30分钟；电渣重熔中，采用氩气保护电渣重熔炉，稳态电压为40-65V。

6.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述锻造开坯中，将钢锭锻成扁平板坯；所述热轧成型的温度为1150-1240℃，加热总时间和保温时间均与扁平板坯的厚度相关，具体关系式为：t_加热＝(1.5～3.0)H，t_保温＝(0.4～0.8)H，t_加热和t_保温分别为加热总时间和保温总时间，单位为min，H为扁平板坯的厚度，单位为mm。

7.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述热轧成形的步骤中，轧制道次为偶数，每道次的压下量≥6％，最后两道次的压下量≥8％，总变形量≥60％，开轧温度为T_开≥1110℃，终轧温度T_终＝1020-1080℃，终轧温度根据镍铬铁合金的C含量进行控制，按照公式“T_终＝1010+100000×C含量”计算。

8.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述轧后在线水淬处理的步骤中，先将板材停留10-180s后再进入在线固溶水淬处理产线进行快速水冷，停留时间根据板材厚度确定为2s/mm。

9.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理的步骤是在线连续固溶淬火机中的进行的，在钢板进入在线连续固溶淬火机后，对钢板上表面和下表面喷淋高压水进行强制冷却，在在线连续固溶淬火机高压段保持喷水压力≥2.0MPa下冷却10-60s，使钢板快速通过再结晶温度区，然后进入在线连续固溶淬火机低压段保持水压0.5-1.3MPa下摆动60-120s，保证钢板温度≤300℃后进入冷床自然冷却。

10.如权利要求3所述的镍铬合金材料的制备方法，其特征在于，所述时效热处理的温度为700～740℃，保温时间为5～11h。

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