CN113278862A - 一种含氮低镍特种高温耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种含氮低镍特种高温耐磨合金及其制备方法。一种含氮低镍特种高温耐磨合金，按质量百分比计，由包括以下组分制成：C：0.01wt%以下、Si：0.4wt%以下、Mn：1.0~3.0wt%、Cu：1.0wt%以下、Ni：38~42wt%、Cr：20~24wt%、Mo：6~8wt%、Nb：3~5wt%、N：0.2~0.6wt%、Al：1.0~1.5wt%、Ti：1.0~1.5wt%、B：0.5~0.8%、Ti/Al：1.0~1.5且Ti+Al：2.0~3.0wt%、(Ti+Al)/N：3.0~15.0、V：1.0~1.2wt%，其余为Fe及不可避免杂质。本发明在Ni‑Fe‑Cr系合金基础上，加入Mo、Mn、V、Ti、Al、Nb、Si、Cu、B、N等元素，制备出的含氮低镍特种高温耐磨合金平均耐磨系数小，在700℃温度下具有良好的耐磨性。

Description

一种含氮低镍特种高温耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种含氮低镍特种高温耐磨合金及其制备方法。
技术背景
镍基高温合金指的是以镍为基体(含量一般大于50%)在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力、卓越的抗蠕变抗热疲劳性能以及良好的组织稳定性的高温合金。镍基高温合金是30年代后期开始研制的。
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。因此，被普遍应用于航空喷气发动机以及工业地面燃机的热端部件中。在航空航空领域，发动机的关键部位工作时常处于一个极限的温度中，因此镍基高温合金在高温环境中引起磨损是一个重要的问题。另一方面，由于国内镍资源匮乏，需要大量的进口来维持需求，这就导致成本提高，成为镍基高温合金产业发展的瓶颈。在即保证性能不变又降低成本的前提下，寻找新的元素代替镍元素是目前工业生产的主要发展方向。
氮资源丰富而廉价，并且普遍应用于钢铁生产和热处理生产中，且在奥氏体不锈钢中能够替代昂贵的镍而保持奥氏体相的稳定性。氮化处理可以显著地提高钢材表面层的硬度、耐磨性等力学性能。在钢材成分中，氮和碳一样，能够溶于金属晶格中形成间隙固溶体，并且在一定条件下形成稳定的氮化物和碳氮化物。弥散状析出的氮化物越稳定，则氮合金化合金强度和硬度也越大。
例如在专利文献1（昆明理工大学申请专利《一种高氮钢的制备方法》，专利号：CN104862447 B）中，公开一种在现有技术的基础上进一步提高钢中含氮量的方法，为高氮钢的制备提供了一种新的思路。在专利文献2（江苏飞跃机泵集团有限公司申请专利《一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法》，专利号：CN 109778048 A）中，公开一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法。
专利文献1所公开的高氮钢制备方法，虽然采用添加N元素，但设计思想并未将其替代Ni作为重点，且该专利文献是为解决高氮钢制备过程中出现气孔等问题，与本发明用于高温的合金设计思路不同。另外，专利文献2所公开的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金，虽然制备方法相似，但是具体配方和制备细节不同，且该专利文献中制备的合金与本发明采用N替代Ni的设计思想不同，且并未提出满足高温条件下的使用要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种含氮低镍特种高温耐磨合金及其制备方法。所制备的合金在高温环境（700℃）下具有优异耐磨性能。具体地说，在600-700℃温度区间，该新型合金的高温耐磨性能好于316L奥氏体不锈钢和部分镍基高温合金。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含氮低镍特种高温耐磨合金，按质量百分比计，由包括以下组分制成：
C：0.01wt%以下、Si：0.4wt%以下、Mn：1.0~3.0wt%、Cu：1.0wt%以下、Ni：38~42wt%、Cr：20~24wt%、Mo：6~8wt%、Nb：3~5wt%、N：0.2~0.6wt%、Al：1.0~1.5wt%、Ti：1.0~1.5wt%、B：0.5~0.8%、Ti/Al：1.0~1.5且Ti+Al：2.0~3.0wt%、(Ti+Al)/N：3.0~15.0、V：1.0~1.2wt%，其余为Fe及不可避免杂质。
所述一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）按化学成分计算并称取合金元素原料，其中N元素以MnN和CrN的形式加入。
（2）将除MnN和CrN以外的合金元素原料混合，抽真空至真空度小于10Pa后，开始送电化料。
（3）原料全部熔化后进行提温精炼，得合金液A。
（4）降温至合金液A表面结膜，停止抽真空，充入惰性气体。
（5）送电冲膜使膜熔融，然后加入MnN和CrN，得合成分均匀金液B。
（6）将合金液B冷却，得合金锭。
（7）将合金锭进行固溶处理，然后冷却。
进一步地，所述各合金元素原料均为粉末，粒度为100目。
进一步地。所述步骤（3）中，精炼温度为1600-1650℃，精炼时间为2-4min。
进一步地。所述步骤（4）中，所述表面结膜是指合金液表面开始凝固形成一层半固体膜，内部液体并未凝固的状态。
进一步地。所述步骤（4）中，充入的惰性气体为97%Ar+3%N2，至炉内真空度为0.08~0.10MPa。
进一步地。所述步骤（5）中，加入的MnN和CrN用于提供合金中的全部N元素和部分Mn和Cr元素。
进一步地。所述步骤（7）中，固溶温度为1100℃，保温2小时。
进一步地。所述步骤（7）中，冷却方式可以是空冷、水冷或油冷，优选水冷。
本发明合金成分具有以下特点。
以Ni-Fe-Cr系合金为基础，加入Mo、Mn、V、Ti、Al、Nb、Si、Cu、B、N元素进行合金化，提高高温耐磨性能。从单个元素作用而言，N不仅具有扩大奥氏体相区的作用，同时还具有能够稳定奥氏体组织的能力，氮可以作为替换Ni元素达到节省成本的作用，同时氮还可以抑制马氏体和形变马氏体的激活能，使合金获得单一的奥氏体组织且保证组织的稳定性。N在合金中其他元素形成弥散分布的氮化物，如：Cr2N、CrN、MnN、TiN、AlN、NbN、BN和M23(C,N)6等。通过N元素添加可以延缓碳化物及金属间化合物在晶间的析出，从而扩大热处理区域。Mo提高合金耐热性，可固溶强化。Cu提高合金耐H2SO4和含HF的酸性环境性能。B可以和N反应生成的BN提高合金的耐磨性能。Al、Nb、Ti和V等固氮合金元素，可以获得硬度和耐磨性良好的合金，主要是因为Al、Nb、Ti和V等微量合金元素可以形成细小弥散的碳氮化合物Ni大部分固溶于奥氏体中，扩大奥氏体相区，提高合金的高温性能；Cr是稳定合金表面最重要的元素，在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，是决定合金耐蚀性的关键元素。
同时，加入的Ti、Al元素需要保持在一定比例范围内：Al：1.0~1.5wt%、Ti：1.0~1.5wt%、Ti/Al：1.0~1.5且Ti+Al：2.0~3.0wt%、(Ti+Al)/N：3.0~15.0这是因为Al是γ′相的主要形成元素，γ′相稳定性较高，强化合金。Al含量低1.0wt%时，得不到充分的强度。另一方面，若Al含量高于1.5wt%，恶化焊缝金属。Ti是固氮元素，形成TiN相在基体内弥散分布，通过影响位错行为强化合金。Ti含量低1.0wt%时，得不到充分的强度。另一方面，若Ti含量高于1.5wt%，会使晶界脆化。Ti/Al比对焊缝金属的高温耐磨性能有影响。Ti/Al比低于1.0，焊缝金属的高温耐磨性能较差。另一方面，Ti/Al比高于1.5，焊缝金属的高温耐磨性能较差。Ti+Al加入总量对焊缝金属的高温耐磨性能有影响。Ti、Al总量低于2.0wt%时，焊缝金属高温耐磨性能提高效果不明显。另一方面，Ti、Al总量高于3.0wt%时，对焊缝金属高温耐磨性能不利。Ti和Al与N的结合能力较强，形成TiN和AlN等沉淀相分散在晶粒内和晶界上，提高了焊缝金属的耐磨性能。(Ti+Al)/N比低于3.0，固氮效果不理想。另一方面，(Ti+Al)/N比高于15.0，对焊缝金属的高温耐磨性能不利。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于。
(1)本发明在Ni-Fe-Cr系合金基础上，加入Mo、Mn、V、Ti、Al、Nb、Si、Cu、B、N等元素，提高合金的高温耐磨性能。
(2)本发明制备的合金在700℃温度，具有良好耐磨性能。
附图说明
图1 实施例1(含氮低镍特种高温耐磨合金)、对比例1(镍基合金)和对比例2(316L合金)合金摩擦磨损后形貌图。
图2 实施例1(含氮低镍特种高温耐磨合金)、对比例1(镍基合金)和对比例2(316L合金)合金摩擦系数与时间的关系图。
具体实施方式
一种含氮低镍特种高温耐磨合金，按质量百分比计，由包括以下组分制成：
C：0.01wt%以下、Si：0.4wt%以下、Mn：1.0~3.0wt%、Cu：1.0wt%以下、Ni：38~42wt%、Cr：20~24wt%、Mo：6~8wt%、Nb：3~5wt%、N：0.2~0.6wt%、Al：1.0~1.5wt%、Ti：1.0~1.5wt%、B：0.5~0.8%、Ti/Al：1.0~1.5且Ti+Al：2.0~3.0wt%、(Ti+Al)/N：3.0~15.0、V：1.0~1.2wt%，其余为Fe及不可避免杂质。
所述一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）按化学成分计算并称取合金元素原料，其中N元素以MnN和CrN的形式加入。
（2）将除MnN和CrN以外的合金元素原料混合，抽真空至真空度小于10Pa后，开始送电化料。
（3）原料全部熔化后进行提温精炼，得合金液A。
（4）降温至合金液A表面结膜，停止抽真空，充入惰性气体。
（5）送电冲膜使膜熔融，然后加入MnN和CrN，得合成分均匀金液B。
（6）将合金液B冷却，得合金锭。
（7）将合金锭进行固溶处理，然后冷却。
进一步地，所述各合金元素原料均为粉末，粒度为100目。
进一步地。所述步骤（3）中，精炼温度为1600-1650℃，精炼时间为2-4min。
进一步地。所述步骤（4）中，所述表面结膜是指合金液表面开始凝固形成一层半固体膜，内部液体并未凝固的状态。
进一步地。所述步骤（4）中，充入的惰性气体为97%Ar+3%N2，至炉内真空度为0.08~0.10MPa。
进一步地。所述步骤（5）中，加入的MnN和CrN用于提供合金中的全部N元素和部分Mn和Cr元素。
进一步地。所述步骤（7）中，固溶温度为1100℃，保温2小时。
进一步地。所述步骤（7）中，冷却方式可以是空冷、水冷、油冷，优选水冷。
下面根据实施例对本发明进行作进一步说明。
实施例1。
本实验例合金具体成分为（wt%）：0.01wt%C，0.2wt%N，42wt%Ni，0.3wt%Si，6wt%Mo，4wt%Nb，0.8wt%Cu，20wt%Cr，1.0wt%V，1.2wt%Ti，1.2wt%Al，2.0wt%Mn，Fe余量。制备过程如下：
采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计50g。其中N以MnN和CrN的形式加入。将坩埚用工业酒精清理干净后，把其他合金原料加入到真空感应炉坩埚中，封上炉盖开始抽真空，待炉内真空度小于10Pa后开始送电化料，送电功率为35kw，合金全部熔化后提温至1610℃精炼4min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入97%Ar+3%N2气至炉内真空度为0.10MPa，送电冲膜并向其中加入MnN和CrN，将合金液在炉内冷却后取出，将合金锭进行固溶处理，固溶温度为1100℃，保温2小时，将材料取出进行水冷。
本实施例制备的合金锭平均耐磨系数为0.29。
实施例2。
本实施例合金具体成分为(wt.%)：0.01wt%C，0.4wt%N，40wt%Ni，0.3wt%Si，7wt%Mo，4wt%Nb，0.8wt%Cu，22wt%Cr，1.2wt%V，1.3wt%Ti，1.3wt%Al，2.5wt%Mn，Fe余量。制备过程如下：
采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计50g。其中N以MnN和CrN的形式加入。将坩埚用工业酒精清理干净后，把其他合金原料加入到真空感应炉坩埚中，封上炉盖开始抽真空，待炉内真空度小于9Pa后开始送电化料，送电功率为35kw，合金全部熔化后提温至1600℃精炼3min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入97%Ar+3%N2气至炉内真空度为0.09MPa，送电冲膜并向其中加入MnN和CrN，将合金液在炉内冷却后取出，将合金锭进行固溶处理，固溶温度为1100℃，保温2小时，将材料取出进行水冷。
本实施例制备的合金锭平均耐磨系数为0.38。
实施例3。
本实施例合金具体成分为(wt.%)：0.01wt%C，0.6wt%N，38wt%Ni，0.2wt%Si，8wt%Mo，5wt%Nb，0.8wt%Cu，24wt%Cr，1.2wt%V，1.5wt%Ti，1.5wt%Al，3.0wt%Mn，Fe余量。制备过程如下：
采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计50g。其中N以MnN的形式加入。将坩埚用工业酒精清理干净后，把其他合金原料加入到真空感应炉坩埚中，封上炉盖开始抽真空，待炉内真空度小于9Pa后开始送电化料，送电功率为35kw，合金全部熔化后提温至1640℃精炼4min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入97%Ar+3%N2气至炉内真空度为0.08MPa，送电冲膜并向其中加入MnN，将合金液在炉内冷却后取出，将合金锭进行固溶处理，固溶温度为1100℃，保温2小时，将材料取出进行水冷。
本实施例制备的合金锭平均耐磨系数为0.40。
对比例1（镍基合金）。
与实施例1不同之处在于合金成分为(wt.%)：0.001wt%N，61.6wt%Ni，0.55wt%Si，8.7wt%Mo，3.7wt%Nb，22wt%Cr，0.4wt%Ti，0.1wt%Al，1.4wt%Mn，Fe余量。
本对比例制备的合金锭平均耐磨系数为0.43。
对比例2（316L合金）。
与实施例1不同之处在于合金成分为(wt.%)：12.0wt%Ni，0.37wt%Si，2.5wt%Mo，17wt%Cr，1.8wt%Mn，Fe余量。
本对比例制备的合金锭平均耐磨系数为0.47。
实施例1、对比例1、2通过摩擦磨损后形貌对比发现，实施例1中含氮低镍特种高温耐磨合金的犁沟最少，这是由于生成的细小颗粒(Ti，Nb，Al)N，在晶界上起到了钉扎作用，增加了耐磨强度。

Claims (9)

1.一种含氮低镍特种高温耐磨合金，按质量百分比计，由包括以下组分制成：
C：0.01wt%以下、Si：0.4wt%以下、Mn：1.0~3.0wt%、Cu：1.0wt%以下、Ni：38~42wt%、Cr：20~24wt%、Mo：6~8wt%、Nb：3~5wt%、N：0.2~0.6wt%、Al：1.0~1.5wt%、Ti：1.0~1.5wt%、B：0.5~0.8%、Ti/Al：1.0~1.5且Ti+Al：2.0~3.0wt%、(Ti+Al)/N：3.0~15.0、V：1.0~1.2wt%，其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按化学成分计算并称取合金元素原料，其中N元素以MnN和CrN的形式加入；
（2）将除MnN和CrN以外的合金元素原料混合，抽真空至真空度小于10Pa后，开始送电化料；
（3）原料全部熔化后进行提温精炼，得合金液A；
（4）降温至合金液A表面结膜，停止抽真空，充入惰性气体；
（5）送电冲膜使膜熔融，然后加入MnN和CrN，得合成分均匀金液B；
（6）将合金液B冷却，得合金锭；
（7）将合金锭进行固溶处理，然后冷却。
3.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述各合金元素原料均为粉末，粒度为100目。
4.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，精炼温度为1600-1650℃，精炼时间为2-4min。
5.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述表面结膜是指合金液表面开始凝固形成一层半固体膜，内部液体并未凝固的状态。
6.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，充入的惰性气体为97%Ar+3%N2，至炉内真空度为0.08~0.10MPa。
7.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，加入的MnN和CrN用于提供合金中的全部N元素和部分Mn和Cr元素。
8.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中，固溶温度为1100℃，保温2小时。
9.如权利要求2所述的一种含氮低镍特种高温耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中，冷却方式可以是空冷、水冷或油冷，优选水冷。
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