CN114635062A - 一种镍铬中间合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍铬中间合金，其成分重量百分比为：C≤0.08％，Si≤0.05％，Cr15.00～65.00％，Ni34.00～84.00％，N≤0.0050％，O≤0.01％，S≤0.002％，Ca和/或Mg0.01～0.06％，RE0.005～0.05％，余量为Ni及其他不可避免的杂质元素。本发明的镍铬中间合金具有良好的组织稳定性、合适的熔点，无难熔的高温相，较高的纯净度，可作为高品质的特种合金的原材料，有效的提升金属铬的品质，降低金属铬的气体和有害杂质元素。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种镍铬中间合金。
背景技术
随着我国大量高端装备制造业的发展，对于高端材料的需求也急剧增加，主要有高温合金、高强钢、高品质不锈钢，轴承钢等；高端材料中原材料的使用品质将决定材料的品质，该类高端材料中富含Ni和Cr元素，使其具有优异的耐腐蚀性能、高温性能、抗氧化性能和良好的综合力学性能等。
然而，现有技术条件和工业生产领域中大量使用金属铬作为高端制造业的原材料，其在使用过程中存在气体含量较高，内部质量较差，熔炼过程存在架桥等问题，造成我国大量的高端材料存在品质较差，使用性能较差。原材料的品质控制严重的限制了我国高端材料的发展、提高和工业化生产及应用。原材料品质的提高对于高端材料的生产具有重要的意义。通过合金成分优化设计以及制备技术的革新与调控是解决原材料品质的关键。尤其是通过金属铬的合金化和合金成分优化设计，从根本上改善原材料的品质。
因此，针对现有原材料金属铬使用过程中的共性难题，急需金属铬的合金化方面入手，通过含铬合金成分优化设计的角度，提高含铬中间合金的品质、降低有害杂质元素的含量，降低气体含量，辅以添加有益的微合金化元素，并优化各合金元素的配比关系，建立合金成分优化设计准则和调控方法，开发出熔点适中、组织稳定、杂质元素含量较低，品质较高含铬中间合金。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种镍铬中间合金，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现一种镍铬中间合金，其成分及其重量百分比如下：C≤0.08％、Si≤0.05％、Cr15.00％～65.00％、N≤0.0060％、O≤0.05％、S≤0.005％、Al≤0.05％、RE0.005％～0.08％、C和Mg中任意一种或两种0.01％～0.06％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
优选地，所述镍铬中间合金的成分及其重量百分比如下：C≤0.05％、Si≤0.03％、Cr40.00％～55.00％、N≤0.0040％、O≤0.012％、S≤0.002％、Al≤0.02％、RE0.005％～0.05％、Ca和Mg中任意一种或两种0.02％～0.05％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
本发明作为新型的中间合金，镍铬中间合金的合金成分设计，包括:
如上所述的合金成分设计，包括二元中间合金熔点的控制；控制所述镍铬中间合金的合金元素含量，使其铬镍中间合金的熔点控制在1350℃～1450℃之间，所述熔点计算公式T＝1453-61.7×％C-35×％P-32.3×％S-13.2×％Si-1.6×％Cr-2.7×％Mg-5×％Al-11.11×％Ti-5.9×％Ce；所述％为各成分的重量百分比。
脱气工艺控制：
如上所述的合金的生产方法和合金成分设计，控制所述镍铬合金的合金元素含量，使5.5≤％C/％Cr≤8.5，所述％为各成分的重量百分比包括：控制所述镍铬中间合金的气体杂质元素，使其N≤0.0040％，O≤0.012％；为了提高钢的纯净度，向所述镍铬合金中添加少量微合金化元素，其中Ca、Mg至少添加一种，总量控制在0.01％～0.06％，RE由La、Ce中的一种或多种组成，总量控制在0.005％～0.12％，达到脱除气体和减少有害杂质的目的。
本发明中各合金元素对所述镍铬合金的作用如下：
碳(C)：采用石墨碳的方式添加至镍铬合金中，石墨碳熔点3500℃左右，属于间隙类元素，在真空状态下也是一种强脱氧元素和前还原剂元素，能够在真空状态有效的脱出镍铬合金中的气体含量，尤其是氧含量，通过CO的生成可以带走部分氮含量。同时能够将铝热法生产的金属铬中残留的氧化铝夹杂还原为单质固溶铝减少夹杂物含量，但是过高的碳含量在真空状态下与坩埚耐火材料发生反应，向镍铬合金中增氧，耐火材料侵蚀和剥落，因此，碳元素的含量最高为0.08％(C≤0.08％)，优选为最高0.03～0.05％。
铬元素(Cr)是镍铬中间合金中最主要的合金元素之一。铬的熔点为1857℃，普通金属铬通常采用铝热法生产和电解法生产。铬作为高温合金、高强钢等高端材料的主要元素可采用镍铬中间合金进行添加，少量的铬含量能够有效的降低金属铬的熔点，低铬含量的镍铬合金具有良好的韧性，但其铬含量过低会严重限制其在高端材料的应用范围和使用量；但是镍铬中间合金铬含量过高，镍铬中间合金脆性增加，粘度过大，生产过程控制难度增加，因此，本发明钢种中铬含量控制为20.00％～60.00％(20.00％≤Cr≤60.00％)，优选为43.00％～56.00％。
镍(Ni)是镍铬合金的基体元素。镍元素一般作为高端材料必不可少的元素，能使得高端合金具有良好的组织稳定性，优异的力学性能、耐腐蚀性能以及良好的高温性能；因此，本发明的镍铬中间合金选择镍作为镍铬中间合金的基体元素。
磷(P)在高端材料中一般情况为有害杂质元素。当该元素含量稍微过高时，磷就会合金晶界富集，形成偏析，导致晶界脆化，严重恶化合金的力学性能和耐腐蚀性能；个别合金中添加P来提高合金的高温性能。因此需要将镍铬中间合金中磷元素进行控制。本发明的镍铬中间合金磷含量最高为0.01％(P≤0.01％)，优选为最高0.005％(P≤0.005％)。
硫(S)。硫元素是大部分使用合金中的重要杂质元素，要严格控制其含量，硫元素作为一种及易偏析的元素，容易在晶界偏聚，恶化材料的性能，或者在材料使用过程发生失效，因此要将原材料中的硫含量控制较低才能得到高纯净度低硫含量的材料；本发明的不锈钢硫含量最高为0.005％(S≤0.005％)，优选为最高0.002％。
在镍铬中间合金中加入钙(Ca)、镁(Mg)元素和微量稀土(RE)元素能够有效去除钢中氧、硫等有害元素，能显著提高中间合金的纯净度，抑制有害元素在晶界的偏聚，同时能够达到变性和改性夹杂物的目的。但过高的钙、镁含量和稀土含量会形成大量大颗粒夹杂物，不利于材料本身的纯净度。因此，本发明的不锈钢中钙、镁元素至少添加一种，且Ca+Mg含量控制在0.01％～0.06％(0.01％≤Ca+Mg≤0.06％)，优选为0.02％～0.04％。本发明中加入的稀土为镧(La)、铈(Ce)中的任一种或按任意比例的两种，且RE含量控制在0.005％～0.08％(0.005％≤RE≤0.08％)，优选为0.005％～0.05％
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：本专利基于相图分析和成分设计开发了一种镍铬中间合金，镍铬中间合金是一种具有较高的Cr含量的二元中间合金，采用真空感应熔炼，通过合理的感应熔炼工艺，达到气体的脱出，有害杂质元素S的脱出，熔点降低，添加方便的目的，同时也使其具有高纯净度，低熔点，高均匀化的目的，作为高端材料的优质原料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为镍铬二元中间合金相图；
图2为镍铬合金熔点计算结果图；
图3为镍铬合金密度与温度关系图；
图4为镍铬合金体积与温度关系图；
图5为镍铬合金热导率与温度关系图；
图6为镍铬合金液态黏度与温度关系图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，及进行非创造性的扩展而得出的其它结论，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种镍铬中间合金，其成分及其重量百分比如下：C≤0.08％、Si≤0.05％、Cr15.00％～65.00％、N≤0.0060％、O≤0.05％、S≤0.005％、Al≤0.05％、RE0.005％～0.08％、C和Mg中任意一种或两种0.01％～0.06％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
优选地，所述镍铬中间合金的成分及其重量百分比如下：C≤0.05％、Si≤0.03％、Cr40.00％～55.00％、N≤0.0040％、O≤0.012％、S≤0.002％、Al≤0.02％、RE0.005％～0.05％、Ca和Mg中任意一种或两种0.02％～0.05％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
为解决现有高端材料制备过程原材料铬带来的气体含量较高，夹杂物数量较多等问题，本发明通过相图和热力学数据计算软件进行Ni、Cr以及其他微合金元素热力学参数的计算，通过对比组分优化熔点计算公式，其中熔点对应计算公式T＝1453-61.7×％C-35
×％P-32.3×％S-13.2×％Si-1.6×％Cr-2.7×％Mg-5×％Al-11.11
×％Ti-5.9×％Ce；通过熔点控制来稳定的实现生产和使用；通过控制所述镍铬合金的合金元素成分含量，使5.5≤％C/％Cr≤8.5，(所述％为各成分的重量百分比)包括：控制所述镍铬中间合金的气体杂质元素，使其N≤0.0040％，O≤0.012％；为了提高钢的纯净度，向所述镍铬合金中添加少量微合金化元素，其中Ca、Mg至少添加一种，总量控制在0.01％～0.06％，RE由La、Ce中的一种或多种组成，总量控制在0.005％～0.12％，达到脱除气体降低有害杂质元素的目的；
热力学计算(合金熔点计算):镍铬二元中间合金相图如图1所示，通过热力学软件和熔点计算公式进行镍铬中间合金熔点的计算，结果如表1和图2所示。
热力学参数计算：通过热力学软件进行镍铬中间合金热力学数据的计算，结果如图3-图6所示：从图中的密度变化可以选择合适于高温合金密度的体系，加入高温合金中可以有效避免高密度合金导致熔炼过程存在比重偏析，低密度合金导致和表面浮渣的反应等；体积的变化可以有效的推测该体系下合金脱模的难易程度，从而选择合适的浇注锭模的材质；热导率和黏度可以选择合适的浇注温度，从而有效的避免浇注过程防止发生堵钢，或者缩孔过大导致的偏析和开裂。
成分检测和气体检测结果：通过感应熔炼得到了镍铬中间合金铸锭，气体检测结果如表1所示；从表可以看到，经过感应熔炼的镍铬合金相对于金属铬来说其气体含量得到了明显的脱除，尤其是O含量，脱除效果达到了80％以上，N含量的脱除存在困难，但也基本达到了高纯金属脱气铬的水平。
表1镍铬中间合金的气体检测结果
| 实验炉次 | O | N |
| 炉次1(NiCr20) | 0.00151 | 0.00068 |
| 炉次2(NiCr20) | 0.00172 | 0.00134 |
| 炉次3(NiCr54) | 0.00591 | 0.00378 |
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种镍铬中间合金，其特征在于，其成分及其重量百分比如下：C≤0.08％、Si≤0.05％、Cr15.00％～65.00％、N≤0.0060％、O≤0.05％、S≤0.005％、Al≤0.05％、RE0.005％～0.08％、C和Mg中任意一种或两种0.01％～0.06％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
2.根据权利要求1所述的一种镍铬中间合金，其特征在于：所述镍铬中间合金的成分及其重量百分比如下：C≤0.05％、Si≤0.03％、Cr40.00％～55.00％、N≤0.0040％、O≤0.012％、S≤0.002％、Al≤0.02％、RE0.005％～0.05％、Ca和Mg中任意一种或两种0.02％～0.05％、余量为Ni，所述RE为La、Ce中的任一种或按任意比例的两种。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种镍铬中间合金，其特征在于：所述镍铬中间合金熔点控制在1350℃～1450℃之间，熔点对应公式T＝1453-61.7×％C-35×％P-32.3×％S-13.2×％Si-1.6×％Cr-2.7×％Mg-5×％Al-11.11×％Ti-5.9×％Ce；所述％C、％P、％S、％Si、％Cr、％Mg、％Al、％Ti和％Ce分别为成分C、P、S、Si、Cr、Mg、Al、Ti和Ce的重量百分比。
4.根据权利要求3所述的一种镍铬中间合金，其特征在于：所述镍铬中间合金的成分中5.5≤％C/％Cr≤8.5，所述％C和％Cr分别为成分C和Cr的重量百分比。
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