CN113265566A - 一种耐腐蚀镍基合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀镍基合金，以重量百分比计，包括：C≤0.02％，Si≤0.30％，Mn≤0.30％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr 21.0％～24.0％，Mo8.0％～10.0％，Cu 2.5％～4.5％，Nb≤1.0％，Al≤0.20％，Ti≤0.20％，N0.07％～0.25％，Fe≤6.0％，Pb≤0.005％，Sn≤0.005％，As≤0.005％，Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，余量为Ni和不可避免的杂质。本发明的耐腐蚀镍基合金通过合理的设计元素组成，能够使镍基合金具有良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀以及硫酸腐蚀性能。

Description

一种耐腐蚀镍基合金
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地，本发明涉及一种镍基合金，更具体地，本发明涉及一种耐腐蚀镍基合金。
背景技术
镍基合金由于具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性能，在石油化工、关键装备等领域具有广泛的应用，是经济建设和国防军工不可或缺的一类极其重要的材料。并且，镍基合金具有一定的工况适用范围，例如625合金具有良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀性能，但是其在含有硫酸的环境下腐蚀性能不佳。
随着化工装备、工艺技术等不断提升，腐蚀环境越来越复杂，多腐蚀介质交互存在的工况越来越多，这就要求合金具备良好的抗综合腐蚀性能。
针对以上问题，目前行业内亟需一种具有良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀以及硫酸腐蚀性能的镍基合金。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的耐腐蚀镍基合金。
具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种耐腐蚀镍基合金，以重量百分比计，包括：C≤0.02％，Si≤0.30％，Mn≤0.30％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr 21.0％～24.0％，Mo 8.0％～10.0％，Cu 2.5％～4.5％，Nb≤1.0％，Al≤0.20％，Ti≤0.20％，N 0.07％～0.25％，Fe≤6.0％，Pb≤0.005％，Sn≤0.005％，As≤0.005％，Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，余量为Ni和不可避免的杂质。
可选地，Al、Ti和Nb的含量之和Al+Ti+Nb≤0.6％。
可选地，Mo与Cu的含量满足2.2≤Mo/Cu≤3.2。
可选地，Mo与Cu的含量之和Mo+Cu≥11％。
可选地，Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.01％。
可选地，以重量百分比计，包括：C≤0.01％，Si≤0.09％，Mn≤0.11％，P≤0.005％，S≤0.001％，Cr 22.1％～22.5％，Mo 8.8％～9.1％，Cu 3.2％～3.5％，Nb≤0.11％，Al≤0.12％，Ti≤0.08％，N 0.082％～0.21％，Fe≤4.4％，Pb≤0.001％，Sn≤0.001％，As≤0.001％，Sb≤0.001％，Bi≤0.001％，余量为Ni和不可避免的杂质。
可选地，Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.005％。
相比于现有技术，本发明的耐腐蚀镍基合金至少具有如下有益效果：
本发明的耐腐蚀镍基合金通过合理的设计元素组成，能够使镍基合金具有良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀以及硫酸腐蚀性能。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
针对越来越复杂的腐蚀环境以及多腐蚀介质交互存在的工况对镍基合金提出的更高要求，本发明的发明人针对镍基合金的元素组成进行了深入的研究，从而创造性地提出了一种耐腐蚀镍基合金，以重量百分比计，包括：C≤0.02％，Si≤0.30％，Mn≤0.30％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr 21.0％～24.0％，Mo 8.0％～10.0％，Cu 2.5％～4.5％，Nb≤1.0％，Al≤0.20％，Ti≤0.20％，N 0.07％～0.25％，Fe≤6.0％，Pb≤0.005％，Sn≤0.005％，As≤0.005％，Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，余量为Ni和不可避免的杂质。并且，Pb、Sn、As、Sb和Bi作为有害元素，其含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.01％。
作为一种优选的实施方案，本发明的耐腐蚀镍基合金以重量百分比计包括：C≤0.01％，Si≤0.09％，Mn≤0.11％，P≤0.005％，S≤0.001％，Cr 22.1％～22.5％，Mo 8.8％～9.1％，Cu 3.2％～3.5％，Nb≤0.11％，Al≤0.12％，Ti≤0.08％，N 0.082％～0.21％，Fe≤4.4％，Pb≤0.001％，Sn≤0.001％，As≤0.001％，Sb≤0.001％，Bi≤0.001％，余量为Ni和不可避免的杂质。并且，Pb、Sn、As、Sb和Bi作为有害元素，其含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.005％。
本发明的发明人通过对镍基合金的元素组成进行优化设计，从而使各元素之间产生协同作用，使镍基合金具有良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀以及硫酸腐蚀性能。各元素之间产生的协同作用具体如下：
C在此镍基合金中属于残余元素。加入的C含量过高(即超过0.02％)，C会与合金中的Mo、Ti、Nb元素结合形成析出物，从而使性能降低。因此，C含量控制在≤0.02％。
Si在此镍基合金中属于有害元素，会促进有害相析出。当Si含量大于0.30％时，晶界会析出含Si有害析出相，从而弱化晶界强度，导致开裂。因此，Si含量控制在≤0.30％。
Mn在此镍基合金中属于有害元素，会降低腐蚀性能，因此，Mn含量控制在≤0.30％。
Fe在此镍基合金中属于合金化元素，主要起到降低成本的目的。但是当其含量过高时，会降低合金的腐蚀性能，因此，Fe的含量控制在≤6.0％。
Cr在此镍基合金中是不可缺少的合金化元素，起到固溶强化、提升综合腐蚀性能的作用。Cr在γ基体中十分重要的作用是形成Cr2O3型氧化膜，使合金具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能。因此，Cr含量控制在21.0％～24.0％。
Mo在此镍基合金中是固溶强化元素，具有抗点蚀特性。当Mo含量高于10％时，组织中易形成条带分布，降低腐蚀性能。当Mo含量低于8％时，其抗点蚀作用不能完全发挥。因此，Mo含量控制在8.0％～10.0％。
N在此镍基合金中是主要的合金化元素，起到提升强度、降低成本、提升腐蚀性能作用。当N小于0.07％时，其对腐蚀性能的贡献不明显。当N大于0.25％时，会与Cr元素作用，形成CrN析出物，降低合金腐蚀性能，并且其热加工塑性急剧降低，难以成型。因此，N含量控制在0.07％～0.25％。
Cu在此镍基合金中是固溶强化元素，提升合金的抗硫酸腐蚀性能。当Cu含量高于4.5％时，合金的热加工性能显著恶化，不易加工。当Cu含量低于2.5％时，其抗硫酸腐蚀作用不能完全发挥。因此，Cu含量控制在2.5％～4.5％。
Al、Ti、Nb会与N元素形成有害析出物，因此在此镍基合金中作为残余元素控制。
进一步优选地，元素Al、Ti和Nb的含量之和满足Al+Ti+Nb≤0.6％。由于合金设计体系中含有较高的N元素，因此需限制氮化物形成元素的含量，以免形成大量的氮化物，影响加工及使用性能。发明人通过研究发现，当元素Al、Ti和Nb的含量之和满足Al+Ti+Nb≤0.6％时，能够有效地避免形成大量的氮化物。
进一步优选地，元素Mo与Cu的含量满足2.2≤Mo/Cu≤3.2。发明人通过研究发现，当2.2≤Mo/Cu≤3.2时，本发明的耐腐蚀镍基合金的抗点蚀性能与耐硫酸腐蚀性能可发挥最大作用。
进一步优选地，元素Mo与Cu的含量之和满足Mo+Cu≥11％。发明人通过研究发现，要达到优异的抗点蚀性能与耐硫酸腐蚀性能，Mo和Cu之合需大于等于11％。
本发明的耐腐蚀镍基合金可以采用常规方法进行制备，主要包括：冶炼、锻造、轧制、热处理等。在实际生产过程中，本领域技术人员可以根据需要进行合理的选择，此处不做赘述。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中各参数的检测方法如下：
力学性能(屈服强度、抗拉强度和伸长率)：根据ASTM A370进行检测。
耐腐蚀性能：分别采用ASTM A262-C法，ASTM A262-B法，ASTM G48A法(50℃)，80℃条件下在80wt％硫酸中浸泡24小时(即80％硫酸-80℃/24h)的方式进行检测。
其中，ASTM A262-C法和ASTM A262-B法主要用于检测耐晶间腐蚀性能，ASTM G48A法(50℃)主要用于检测耐点蚀性能。
实施例1
本实施例的耐腐蚀镍基合金的组成(重量％)如下：
C 0.01％，Si 0.08％，Mn 0.1％，P 0.005％，S 0.001％，Cr 22.3％，Mo 8.8％，Cu3.2％，Nb 0.1％，Al 0.1％，Ti 0.05％，N 0.082％，Fe 4.4％；实测Pb、Sn、As、Sb、Bi五害元素均不大于0.001％，总数不大于0.005％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti+Nb＝0.25％，Mo/Cu＝2.75，Mo+Cu＝12％。
在制备时，对坯料进行轧制，坯料加热温度1200℃，终轧温度910℃。轧制板材厚度12mm，板材经热处理后对性能进行测试，结果如表1所示。
实施例2
本实施例的耐腐蚀镍基合金的组成(重量％)如下：
C 0.01％，Si 0.09％，Mn 0.11％，P 0.005％，S 0.001％，Cr 22.1％，Mo 8.9％，Cu 3.3％，Nb 0.1％，Al 0.12％，Ti 0.06％，N 0.14％，Fe 4.2％；实测Pb、Sn、As、Sb、Bi五害元素均不大于0.001％，总数不大于0.005％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti+Nb＝0.28％；Mo/Cu＝2.69；Mo+Cu＝12.2％。
在制备时，对坯料进行轧制，坯料加热温度1210℃，终轧温度900℃。轧制板材厚度10mm，板材经热处理后对性能进行测试，结果如表1所示。
实施例3
本实施例的耐腐蚀镍基合金的组成(重量％)如下：
C 0.01％，Si 0.08％，Mn 0.1％，P 0.005％，S 0.001％，Cr 22.5％，Mo 9.1％，Cu3.5％，Nb 0.11％，Al 0.07％，Ti 0.08％，N 0.21％，Fe 4.1％；实测Pb、Sn、As、Sb、Bi五害元素均不大于0.001％，总数不大于0.005％；余量为Ni和不可避免的杂质。其中，Al+Ti+Nb＝0.26％；Mo/Cu＝2.6；Mo+Cu＝12.6％。
在制备时，对坯料进行轧制，坯料加热温度1210℃，终轧温度940℃。轧制板材厚度16mm，板材经热处理后对性能进行测试，结果如表1所示。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 625合金
屈服强度 420Mpa 443Mpa 417Mpa 391Mpa
抗拉强度 870Mpa 878Mpa 837Mpa 812Mpa
伸长率 57％ 58％ 55％ 53％
ASTM A262-C法 0.015mm/月 0.013mm/月 0.012mm/月 0.02mm/月
ASTM A262-B法 0.021mm/月 0.02mm/月 0.02mm/月 0.03mm/月
ASTM G48A法(50℃) 0.5g/m<sup>2</sup> 0.3g/m<sup>2</sup> 0.2g/m<sup>2</sup> 1.0g/m<sup>2</sup>
80％硫酸-80℃/24h 0.06mm/月 0.05mm/月 0.05mm/月 0.27mm/月
注：上述“625合金”是指牌号是inconel 625的镍基合金。
从表1的数据可以看出，本发明的各实施例的镍基合金除了具有优异的力学性能之外，还实现了良好的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀以及硫酸腐蚀性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐腐蚀镍基合金，其特征在于，以重量百分比计，包括：C≤0.02％，Si≤0.30％，Mn≤0.30％，P≤0.02％，S≤0.008％，Cr 21.0％～24.0％，Mo 8.0％～10.0％，Cu 2.5％～4.5％，Nb≤1.0％，Al≤0.20％，Ti≤0.20％，N 0.07％～0.25％，Fe≤6.0％，Pb≤0.005％，Sn≤0.005％，As≤0.005％，Sb≤0.005％，Bi≤0.005％，余量为Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，Al、Ti和Nb的含量之和Al+Ti+Nb≤0.6％。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，Mo与Cu的含量满足2.2≤Mo/Cu≤3.2。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，Mo与Cu的含量之和Mo+Cu≥11％。
5.根据权利要求1所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.01％。
6.根据权利要求1～5任一项所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，以重量百分比计，包括：C≤0.01％，Si≤0.09％，Mn≤0.11％，P≤0.005％，S≤0.001％，Cr 22.1％～22.5％，Mo8.8％～9.1％，Cu 3.2％～3.5％，Nb≤0.11％，Al≤0.12％，Ti≤0.08％，N 0.082％～0.21％，Fe≤4.4％，Pb≤0.001％，Sn≤0.001％，As≤0.001％，Sb≤0.001％，Bi≤0.001％，余量为Ni和不可避免的杂质。
7.根据权利要求6所述的耐腐蚀镍基合金，其特征在于，Pb、Sn、As、Sb和Bi的含量之和Pb+Sn+As+Sb+Bi≤0.005％。
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