DE102022004522A1

DE102022004522A1 - Nickelbasis-Superlegierungsstahl und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102022004522A1
Application number: DE102022004522.2A
Authority: DE
Inventors: Rongxin Yu; Yuwei Zu
Original assignee: ZHEJIANG DALONG ALLOY STEEL CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG DALONG ALLOY STEEL CO Ltd
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2023-06-07
Also published as: CN114107826A; US20230265547A1; US12084748B2; CN114107826B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft das technische Gebiet der Legierungsherstellung und stellt eine Nickelbasis-Superlegierung und ein Herstellungsverfahren dafür bereit. In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung die folgenden Bestandteile in Masseprozent: C: 0,07 % bis 0,10 %, 0 < Si ≤ 1,00 %, 0 < Mn ≤ 1,50 %, P ≤ 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19,0 % bis 23,0 %, Ni: 31,0 % bis 34,5 %, 0 < Cu ≤ 0,75 %, Al: 0,15 % bis 0,60 %, Ti: 0,15 % bis 0,60 % und Fe als Rest. In Masseprozent ausgedrückt wird Ni auf 31,0 % bis 34,5 % eingestellt, während P auf weniger als oder gleich 0,020 % eingeschränkt wird und S auf weniger als oder gleich 0,005 % eingeschränkt wird, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Die Beispiele zeigen, dass die Nickelbasis-Superlegierung eine Zugfestigkeit von mehr als oder gleich 460 MPa, eine spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit von mehr als oder gleich 180 MPa und eine Reißdehnung von mehr als oder gleich 35 % aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das technische Gebiet des Legierungsschmelzens, insbesondere eine Nickelbasis-Superlegierung und ein Herstellungsverfahren dafür.
HINTERGRUND
Der Stahl für einen solaren monokristallinen Siliziumreaktor betrifft vorwiegend ein Material, das zur Fertigung grundlegender Strukturen zum Unterstützen des Reaktors geeignet ist, wie z.B. Hilfskammern, Ofendeckel, Ofenrohre und Rohrleitungen des monokristallinen Siliziumreaktors. Die Herstellung eines Silizium-Einkristalls erfolgt bei einer hohen Temperatur, sodass es erforderlich ist, zu verhindern, dass das Verflüchtigen des Materials einer einkristallinen Ofenkammerhülle die Reinheit eines Silizium-Einkristalls beeinträchtigt. Außerdem muss eine Zwischenschicht der einkristallinen Ofenkammerhülle mit Kühlwasser gekühlt werden, und es ist auch erforderlich, die Korrosion der einkristallinen Ofenkammerhülle durch das Kühlwasser zu verhindern. Austenitischer rostfreier Stahl weist ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Plastizität, Hochtemperaturbeständigkeit und Schweißbarkeit und niedrige Ausgasungsgeschwindigkeit, Paramagnetismus und schlechte Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität auf. In Anbetracht einer geeigneten Kostenleistung benutzen Hersteller im Allgemeinen austenitischen rostfreien 00Cr₁₈Ni₉Ti-Stahl (SUS304L) mit einem äußerst niedrigen Kohlenstoffgehalt als Material für die einkristalline Ofenkammerhülle.
Mit der Entwicklung der Industrie des einkristallinen Siliziums kommt es zu konstant steigenden Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. thermische Toleranz und Verschleißbeständigkeit, des Stahls für einen einkristallinen Ofenkörper. Daher kann der austenitische rostfreie 00Cr₁₈Ni₉Ti-Stahl (SUS304L) die Herstellungsanforderungen nicht erfüllen. Zur Herstellung einkristalliner Öfen wurden Nickelbasis-Legierungsstähle mit hoher Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Verkohlungsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sowie wünschenswerter Festigkeit und ausgezeichneter Zähigkeit zum Herstellen einkristalliner Öfen getestet.
Jedoch müssen die gegenwärtigen Nickelbasis-Legierungsstähle hinsichtlich der Zugfestigkeit und der spezifizierten plastischen Elongationsfestigkeit weiter verbessert werden.
KURZDARSTELLUNG
In Anbetracht dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Nickelbasis-Superlegierung und ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen. Die Nickelbasis-Superlegierung weist ausgezeichnete Zugfestigkeit und spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit auf.
Zur Erfüllung der obigen Aufgabe der vorliegenden Offenbarung stellt die vorliegende Offenbarung die folgenden technischen Lösungen bereit.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Nickelbasis-Superlegierung bereit, welche die folgenden Bestandteile in Masseprozent beinhaltet:
C: 0,07 % bis 0,10 %, 0 < Si ≤ 1,00 %, 0 < Mn ≤ 1,50 %, P < 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19,0 % bis 23,0 %, Ni: 31,0 % bis 34,5 %, 0 < Cu ≤ 0,75 %, Al: 0,15 % bis 0,60 %, Ti: 0,15 % bis 0,60 % und Fe als Rest.
Die Nickelbasis-Superlegierung beinhaltet die folgenden Bestandteile in Masseprozent:
C: 0,07 % bis 0,09 %, Si: 0,42 % bis 0,65 %, Mn: 1,0 % bis 1,40 %, P ≤ 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19 % bis 23 %, Ni: 31,0 % bis 34 %, Cu: 0,02 % bis 0,25 %, Al: 0,20 % bis 0,30 %, Ti: 0,15 % bis 0,35 % und Fe als Rest.
Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Herstellungsverfahren der Nickelbasis-Superlegierung bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet:

Unterziehen eines Legierungsrohmaterials nacheinander dem Rohbearbeiten, Frischen, Entgasen in einem Vakuum-Sauerstoff-Entkohlungskonverter (VODC) und Gießen, um eine Stahlkokille zu erhalten; und
Glühen der Stahlkokille, um die Nickelbasis-Superlegierung zu erhalten.

Das Rohbearbeiten beinhaltet bevorzugt das Rohbearbeiten in einem Lichtbogenofen (engl. electric-arc fumace, EAF); und das EAF-Rohbearbeiten beinhaltet Schmelzen, das mit 4.800 kV A bis 5.000 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.620 °C durchgeführt wird, Oxidation, die mit 4.500 kV·A bis 4.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C durchgeführt wird, und Reduktion, die mit 4.500 kV·A bis 4.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C durchgeführt wird.
Bevorzugt weist ein erhaltenes Schmelzesystem in Masseprozent weniger als oder gleich 0,004 % P auf; weist ein erhaltenes Oxidationssystem in Masseprozent weniger als oder gleich 0,15 % C auf; und weist ein erhaltenes Reduktionssystem in Masseprozent 4,8 % bis 5,2 % Schlacke und weniger als oder gleich 0,005 % S auf.
Bevorzugt beinhaltet das Frischen das Frischen in einem Pfannenofen (engl. ladle furnace, LF), das mit 2.600 kV·A bis 2.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C für 30 min oder mehr unter Einblasen von Stickstoff mit einem Durchflussstrom von Stickstoff von 50 1/min bis 150 l/min durchgeführt wird.
Bevorzugt wird das Entgasen in einem VODC bei einem Vakuumgrad von weniger als 1 mbar durchgeführt.
Bevorzugt weist ein erhaltenes Entgasungssystem in Masseprozent weniger als oder gleich 30 ppm O und weniger als oder gleich 1,5 ppm H auf.
Bevorzugt wird 15 min bis 30 min vor dem Gießen 2 min bis 3 min lang Argon in das Entgasungssystem eingeblasen.
Bevorzugt wird das Glühen durch Erhitzen auf 880 °C ± 10 °C mit 50 °C/h bis 100 °C/h und dann Halten für 8 h bis 12 h durchgeführt.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Nickelbasis-Superlegierung bereit, welche die folgenden Bestandteile in Masseprozent beinhaltet: C: 0,07 % bis 0,10 %, 0 < Si ≤ 1,00 %, 0 < Mn ≤ 1,50 %, P ≤ 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19,0 % bis 23,0 %, Ni: 31,0 % bis 34,5 %, 0 < Cu ≤ 0,75 %, Al: 0,15 % bis 0,60 %, Ti: 0,15 % bis 0,60 % und Fe als Rest. In der Nickelbasis-Superlegierung der vorliegenden Offenbarung ist Ni in Masseprozent ausgedrückt auf 31,0 % bis 34,5 % eingestellt, während P auf weniger als oder gleich 0,020 % eingeschränkt ist und S auf weniger als oder gleich 0,005 % eingeschränkt ist, wodurch eine Zugfestigkeit, eine spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit, ein Verschleißbeständigkeit und eine Hochtemperaturbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierung verbessert ist. Die Daten von Beispielen zeigen, dass die Nickelbasis-Superlegierung eine Zugfestigkeit von größer als oder gleich 460 MPa, eine spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit von größer als oder gleich 180 MPa und eine Reißdehnung von größer als oder gleich 35 % aufweist.
Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Herstellungsverfahren der Nickelbasis-Superlegierung bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet: nacheinander Unterziehen eines Legierungsrohmaterials dem Rohbearbeiten, Frischen, Entgasen in einem VODC und Gießen, um eine Stahlkokille zu erhalten; und Glühen der Stahlkokille, um die Nickelbasis-Superlegierung zu erhalten. In der vorliegenden Offenbarung werden durch das Herstellungsverfahren die Gehalte von Verunreinigungselementen P und S in der Legierung durch Rohbearbeiten, Frischen und Entgasen in einem VODC strikt eingeschränkt, wodurch die Zugfestigkeit, die spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit, die Verschleißbeständigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierung verbessert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines VODC, der in der vorliegenden Offenbarung benutzt wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Nickelbasis-Superlegierung bereit, welche die folgenden Bestandteile in Masseprozent beinhaltet:
C: 0,07 % bis 0,10 %, 0 < Si ≤ 1,00 %, 0 < Mn ≤ 1,50 %, P ≤ 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19,0 % bis 23,0 %, Ni: 31,0 % bis 34,5 %, 0 < Cu ≤ 0,75 %, Al: 0,15 % bis 0,60 %, Ti: 0,15 % bis 0,60 % und Fe als Rest.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung C in einem Masseprozentanteil von 0,07 % bis 0,10 %, bevorzugt 0,08 % bis 0,09 %. C ist ein Grundelement, um die Festigkeit von korrosionsbeständigen Legierungen sicherzustellen. C gehört zu den Einlagerungselementen, die für Bestrahlung schädlich sind, und Bestrahlungshärten steht in engem Bezug mit einer Menge an Einlagerungselementen in dem Stahl. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes führt zu einer Erhöhung eines Kohlenstoffäquivalentes (Ceq), was eine Minderung der Elongation und Schlagzähigkeit von Stählen ergibt, ganz besonders eine größere Minderung der Niedertemperaturzähigkeit und eine signifikant erhöhte Versprödungsübergangstemperatur ergibt; und ein niedriges Ceq bedeutet eine wünschenswerte Stahlzähigkeit und eine verminderte Stahlfestigkeit. Daher stellt der C-Gehalt, auf 0,07 % bis 0,10 % eingestellt, ausgezeichnete umfassende Eigenschaften der Nickelbasis-Superlegierung sicher.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Si in einem Masseprozentanteil von 0 < Si ≤ 1,00 %, bevorzugt 0,42 % bis 0,65 %. Si wird in der Stahlherstellung als ein Reduktionsmittel und Desoxidierer benutzt. Si wird als ein Desoxidierer im Stahl benutzt und wird auch als Zumischelement zugesetzt, das im Allgemeinen am Ort vor dem Abstechen eingestellt wird. Ein übermäßiger Si-Gehalt ist für Bestrahlung schädlich, und Si wird in Masseprozent strikt auf weniger als 1,00 % eingeschränkt. Bevorzugt wird der Si-Gehalt auf 0,42 % bis 0,65 % eingeschränkt, was verhindern kann, dass Si die Graphitisierungstendenz von Kohlenstoff in der Nickelbasis-Superlegierung vermindert und die Festigkeit der Nickelbasis-Superlegierung in einer Form von Lösungsfestigen weiter verbessert.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Mn in einem Masseprozentanteil von 0 < Mn ≤ 1,50 %, bevorzugt 1,0 % bis 1,40 %, bevorzugter 1,1 % bis 1,3 %. Mn ist ein wünschenswerter Desoxidierer und Entschwefeler, und ein Massegehalt von Mn in der Nickelbasis-Superlegierung ist auf weniger als oder gleich 1,50 % eingeschränkt, um einen Desoxidations- und Entschwefelungseffekt sicherzustellen. Ferner ist der Mn-Gehalt so ausgelegt, dass er auf 1,0 % bis 1,40 % eingeschränkt ist, um so eine Matrix zu stärken, wodurch eine Härtbarkeit der Nickelbasis-Superlegierung weiter verbessert wird und die Rissempfindlichkeit unter einer Belagschicht vermindert wird.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung P in einem Masseprozentanteil von weniger als oder gleich 0,020 %. Als ein schädliches Element in Stahl kann P die Kaltsprödigkeit von Stahl erhöhen, wodurch ein Schweißverhalten verschlechtert und die Plastizität vermindert wird. Eine Erhöhung des Gewichtsprozentanteils von P kann die Kaltsprödigkeit des Nickelbasis-Superlegierungsstahls erhöhen, wodurch das Schweißverhalten schlechter, die Plastizität vermindert und ein Kaltbiegeverhalten verschlechtert wird. Der Masseprozentanteil von P wird auf weniger als oder gleich 0,020 % eingeschränkt, wodurch eine umfassende Leistungsfähigkeit der Nickelbasis-Superlegierung sichergestellt wird.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung S in einem Masseprozentanteil von weniger als oder gleich 0,005 %. S ist im Allgemeinen ein schädliches Element in Stahl und macht den Stahl warmspröde, vermindert die Formbarkeit und Zähigkeit des Stahls und verursacht Risse beim Schmieden und Walzen; zudem ist S auch dem Schweißverhalten abträglich und vermindert die Korrosionsbeständigkeit. Der Masseprozentanteil von S ist auf weniger als oder gleich 0,005 % eingeschränkt, wodurch ein Einfluss von S auf die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierung vermindert wird.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Cr in einem Masseprozentanteil von 19,0 % bis 23,0 %, bevorzugt 20,0 % bis 22,0 % und bevorzugter 21,0 %. Cr ist ein Grundelement, um die Korrosionsbeständigkeit von Stahl sicherzustellen. Der Oxidfilm, der durch Cr in einer oxidierenden Umgebung gebildet wird, weist eine hohe Stabilität auf. Der Cr-Gehalt wird beim Bilden einer Legierung mit Ni erhöht, und sie zeigt eine wünschenswerte Korrosionsbeständigkeit in einem durch Oxidation gekennzeichneten Medium. Der Masseprozentanteil von Cr wird auf 19,00 % bis 23,00 % eingestellt, was die Korrosionsbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierung verbessert.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Ni in einem Masseprozentanteil von 31,0 % bis 34,5 %, bevorzugt 31,0 % bis 34 %. Ni ist ein Hauptelement, um die Austenitisierung der Legierung sicherzustellen, die Härtbarkeit zu erhöhen, die Niedertemperaturzähigkeit zu verbessern, eine Menge von Restaustenit zu erhöhen und zu einer einheitlichen Struktur abzuschrecken und anzulassen. Der Masseprozentanteil von Ni wird auf 31,0 % bis 34,5 % eingeschränkt, was die Härtbarkeit und hohe Festigkeit der Nickelbasis-Superlegierung sicherstellt.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Cu in einem Masseprozentanteil von 0 < Cu ≤ 0,75 %, bevorzugt 0,02 % bis 0,25 %. Cu kann eine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessern, die Festigkeit und ein Streckgrenzenverhältnis des Stahls verbessern und weist keine nachteilige Wirkung auf die Schweißbarkeit auf.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Al in einem Masseprozentanteil von 0,15 % bis 0,60 %, bevorzugt 0,15 % bis 0,35 %, und bevorzugter 0,20 % bis 0,30 %. Al kann Körner desoxidieren und verfeinern und kann unter Verbesserung der Warmfestigkeit des Nickelbasis-Legierungsmaterials auch Verbindungen mit Nickel bilden.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung Al in einem Masseprozentanteil von 0,15 % bis 0,60 %, bevorzugt 0,15 % bis 0,35 % und bevorzugter 0,2 % bis 0,35 %. Der Masseprozentanteil von Ti wird auf 0,15 % bis 0,60 % eingeschränkt, was die Korrosionsbeständigkeit der Nickelbasislegierung sicherstellt; außerdem ermöglicht Ti, dass die Nickelbasis-Superlegierung eine ausgezeichnete Schweißbarkeit aufweist.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Nickelbasis-Superlegierung ferner Fe als Rest.
Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Herstellungsverfahren der Nickelbasis-Superlegierung bereit, das die folgenden Schritte beinhaltet:

In der vorliegenden Offenbarung wird das Legierungsrohmaterial nacheinander dem Rohbearbeiten, Frischen, Entgasen in einem VODC und Gießen unterzogen, um die Stahlkokille zu erhalten.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Rohbearbeiten bevorzugt EAF-Rohbearbeiten; und das EAF-Rohbearbeiten beinhaltet bevorzugt Schmelzen, Oxidation und Reduktion in Abfolge.
In der vorliegenden Offenbarung wird das Schmelzen mit bevorzugt 4.800 kV·A bis 5.000 kV A, bevorzugter 4.900 kV A, und bevorzugt bei mehr als oder gleich 1.620 °C, bevorzugter 1.620 °C bis 1.700 °C, durchgeführt. Ein erhaltenes Schmelzesystem weist in Masseprozent weniger als oder gleich 0,004 % P auf. Es gibt keine besondere Begrenzung hinsichtlich einer Schmelzdauer, sofern das Schmelzesystem in Masseprozent weniger als oder gleich 0,004 % P aufweist. Das Schmelzen kann Phosphor entfernen.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Oxidation mit bevorzugt 4.500 kV·A bis 4.800 kV A, bevorzugter 4.600 kV·A bis 4.700 kV·A, und bevorzugt bei mehr als oder gleich 1.650 °C, bevorzugter 1.680 °C bis 1.730 °C, durchgeführt. Ein erhaltenes Oxidationssystem weist in Masseprozent weniger als oder gleich 0,15 % C auf. Es gibt keine besondere Begrenzung hinsichtlich einer Haltezeit für die Oxidation, sofern das Oxidationssystem in Masseprozent bevorzugt weniger als oder gleich 0,15 % C aufweist. Die Oxidation ermöglicht die Entkohlung, das Abscheiden von Schlacke, um die schädlichen Elemente „P und S“ zu entfernen, und vorausgehende Desoxidation.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Reduktion mit bevorzugt 4.500 kV·A bis 4.800 kV·A, bevorzugter 4.600 kV·A bis 4.700 kV·A, und bevorzugt bei mehr als oder gleich 1.650 °C, bevorzugter 1.680 °C bis 1.730 °C, durchgeführt. Ein erhaltenes Reduktionssystem weist in Masseprozent bevorzugt 4,8 % bis 5,2 % Schlacke und bevorzugt weniger als oder gleich 0,005 % S auf. Es gibt keine besondere Begrenzung hinsichtlich einer Haltezeit für die Reduktion, sofern das Reduktionssystem in Masseprozent bevorzugt 4,8 % Schlacke und bevorzugt weniger als oder gleich 0,005 % S aufweist. Die Reduktion kann eine chemische Zusammensetzung und die Schlacke einstellen und Diffusionsdesoxidation durchführen.
In der vorliegenden Offenbarung wird das EAF-Rohbearbeiten bevorzugt in einem 25-t-EAF durchgeführt. Der 25-t-EAF beinhaltet einen Ofenkörper, einen Ofenboden und eine Ofenwand; der Ofenkörper beinhaltet einen Ofendeckel, eine Ofentür, eine Abstichkerbe und einen Ofenschacht; und der Ofenboden und die Ofenwand sind jeweils bevorzugt aus einem feuerfesten Material hergestellt. Der 25-t-EAF benutzt bevorzugt Dreiphasen-Wechselstrom als Energiequelle.
In der vorliegenden Offenbarung wird nach dem Rohbearbeiten ein erhaltenes Rohbearbeitungssystem einer Bestandteilanalyse mittels bevorzugt eines deutschen direktanzeigenden Spektrometers OBLFQSN750 oder eines für 26 Elemente eingerichteten, direktanzeigenden 30-Kanal-Spektrometers vom Typ DV-4 von der Baird Corporation der Vereinigten Staaten unterzogen.
In der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Frischen bevorzugt LF-Frischen, das bevorzugt mit 2.600 kV·A bis 2.800 kV·A, bevorzugter 2.700 kV·A, und bei mehr als oder gleich 1.650 °C, bevorzugter 1.680 °C bis 1.730 °C, für bevorzugt mehr als oder gleich 30 min, bevorzugter 35 min bis 38 min, unter Einblasen von Stickstoff mit einer Stickstoff-Durchflussmenge von bevorzugt 50 l/min bis 150 l/min, bevorzugter 100 l/min, durchgeführt wird.
In der vorliegenden Offenbarung wird das LF-Frischen bevorzugt in einem LF durchgeführt, und der LF beinhaltet bevorzugt ein Silo, eine Wiege- und Einspeisevorrichtung, einen Drahtzuführer, einen Pfannenwagen, ein Elektrodenhebesystem und eine Pfannenabdeckung sowie ein Hebesystem, einen Umwandler, eine Hydraulikstation und ein Argon-Einblassystem an seinem Boden.
In der vorliegenden Offenbarung wird während des LF-Frischens ein geschmolzener Stahl durch Einblasen von Argon am Boden und Erhitzen durch einen Lichtbogen gesiedet, und Verunreinigungen in dem geschmolzenen Stahl schwimmen unter Bilden einer Schlackeschicht auf, wodurch der geschmolzene Stahl gereinigt wird, eine Löslichkeit von Sauerstoff und Wasserstoff vermindert wird und Entschwefelung und Entkohlung, um nichtmetallische Einschlüsse zu entfernen, durchgeführt werden.
In der vorliegenden Offenbarung wird nach dem Frischen ein erhaltenes Frischsystem bevorzugt einer Bestandteilanalyse mittels bevorzugt derselben Ausrüstung wie die obige technische Lösung, die hier nicht wiederholt wird, unterzogen.
In der vorliegenden Offenbarung wird das Entgasen bevorzugt in einem VODC bei einem Vakuumgrad von weniger als 1 mbar durchgeführt. Der VODC beinhaltet bevorzugt 4 Hauptteile: einen Konverter, einen Staubsammler, eine Roots-Vakuumpumpengruppe und ein Mess- und Steuerungsinstrument. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur des VODC.
In der vorliegenden Offenbarung weist ein erhaltenes Entgasungssystem in Masseprozent bevorzugt weniger oder gleich 30 ppm O und bevorzugt weniger oder gleich 1,5 ppm H auf.
In der vorliegenden Offenbarung wird 15 min bis 30 min vor dem Gießen Argon bevorzugt für 2 min bis 3 min in das Entgasungssystem eingeblasen; das Einblasen von Argon vor dem Gießen kann Luft in der Form austreiben, um sekundäre Oxidation zu verhindern. Das Gießen wird bevorzugt unter Argonschutz durchgeführt; das Gießen unter dem Argonschutz kann eine Einwirkung der Außenluft auf den geschmolzenen Stahl vermindern.
In der vorliegenden Offenbarung werden Parameter des Rohbearbeitens, Frischens, Entgasens in einem VODC und Gießens während der Herstellung streng kontrolliert, derart, dass die Nickelbasis-Superlegierung geringe Gehalte von P und S aufweist, wodurch die Hochtemperaturbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit der Nickelbasis-Superlegierung verbessert werden.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Stahlkokille geglüht, um die Nickelbasis-Superlegierung zu erhalten.
In der vorliegenden Offenbarung wird das Glühen durch Erhitzen auf bevorzugt 880 °C ± 10 °C mit bevorzugt 50 °C/h bis 100 °C/h, bevorzugter 80 °C/h, und dann Halten für bevorzugt 8 h bis 12 h durchgeführt.
Das Glühen wird bevorzugt in einem Heizofen durchgeführt; und die Stahlkokille ist bevorzugt auf weniger als oder gleich 150 °C, wenn sie in den Heizofen eintritt. In der vorliegenden Offenbarung wird nach dem Glühen ein geglühtes Produkt bevorzugt mittels einer Ofenkühlung auf bevorzugt weniger als oder gleich 500 °C bevorzugt abgekühlt.
Die Nickelbasis-Superlegierung und das Herstellungsverfahren dafür, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, sind unten in Verbindung mit den Beispielen ausführlich beschrieben, wobei diese Beispiele jedoch nicht so aufgefasst werden sollten, das sie den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Beispiel 1
Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Mengenverhältnissen abgewogen: C: 0,07 %, Si: 0,6 %, Mn: 1,15 %, P: 0,05 %, S: 0,01 %, Cr: 20,0 %, Ni: 31,0 %, Cu: 0,25 %, Al: 0,22 %, Ti: 0,25 % und Fe als Rest.
Ein Herstellungsverfahren beinhaltete die folgenden Schritte:
Die Legierungsrohmaterialien wurden gemäß den obigen Bestandteilen abgewogen und in einen EAF gegeben, um EAF-Rohbearbeiten durchzufuhren; wobei das Schmelzen mit 4.800 kV·A und bei 1.620 °C durchgeführt wurde, bis ein erhaltenes Schmelzesystem einen Massegehalt an P von weniger als oder gleich 0,004 % aufwies; die Oxidation wurde mit 4.500 kV A und bei 1.650 °C durchgeführt, bis ein erhaltenes Oxidationssystem einen Massegehalt an C von weniger als oder gleich 0,15 % aufwies; die Reduktion wurde mit 4.500 kV·A und bei 1.650 °C durchgeführt, bis ein erhaltenes Reduktionssystem etwa 5 % Schlacke (FeO) und einen Massegehalt an S von weniger als oder gleich 0,005 % aufwies; das LF-Frischen wurde in einem LF mit 2.800 kV·A und bei 1.650 °C für 30 min unter Einblasen von Stickstoff mit einer Stickstoff-Durchflussmenge von 100 l/min durchgeführt; das Entgasen in einem VODC wurde mit einem Vakuumgrad von weniger als 1 mbar durchgeführt, bis ein erhaltenes Entgasungssystem einen Masseprozentanteil von O von weniger als oder gleich 30 ppm und einen Masseprozentanteil von H von weniger als oder gleich 1,5 ppm aufwies; Argon wurde für 3 min in das Entgasungssystem eingeblasen, und das Gießen wurde unteter Argonschutz durchgeführt, um eine Stahlkokille zu erhalten.
Die Stahlkokille wurde auf 140 °C abgekühlt und in einem Heizofen durch Erhitzen auf 880 °C ± 10 °C mit 80 °C/h und dann Halten für 10 h geglüht und der Ofenkühlung auf 550 °C unterzogen, um eine Nickelbasis-Superlegierung zu erhalten.
Beispiel 2
Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Mengenverhältnissen abgewogen: C: 0,07 %, Si: 0,42 %, Mn: 1,0 %, P: 0,06 %, S: 0,02 %, Cr: 19,0 %, Ni: 32 %, Cu: 0,15 %, Al: 0,25 %, Ti: 0,28 % und Fe als Rest.
Ein Herstellungsverfahren war dasselbe wie dasjenige in Beispiel 1.
Beispiel 3
Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Mengenverhältnissen abgewogen: C: 0,09 %, Si: 0,55 %, Mn: 1,20 %, P: 0,05 %, S: 0,01 %, Cr: 22,0 %, Ni: 33,0 %, Cu: 0,12 %, Al: 0,28 %, Ti: 0,15 % und Fe als Rest.
Ein Herstellungsverfahren war dasselbe wie dasjenige in Beispiel 1.
Beispiel 4
Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Mengenverhältnissen abgewogen: C: 0,08 %, Si: 0,45 %, Mn: 1,4 %, P: 0,04 %, S: 0,01 %, Cr: 23,0 %, Ni: 34,0 %, Cu: 0,18 %, Al: 0,23 %, Ti: 0,23 % und Fe als Rest.
Ein Herstellungsverfahren war dasselbe wie dasjenige in Beispiel 1.
Beispiel 5
Rohmaterialien wurden entsprechend den folgenden Mengenverhältnissen abgewogen: C: 0,09 %, Si: 0,65 %, Mn: 1,25 %, P: 0,04 %, S: 0,01 %, Cr: 21,0 %, Ni: 33,5 %, Cu: 0,02 %, Al: 0,25 %, Ti: 0,27 % und Fe als Rest.
Ein Herstellungsverfahren war dasselbe wie dasjenige in Beispiel 1.
Vergleichsbeispiel 1
Dieses Vergleichsbeispiel unterschied sich von Beispiel 1 darin, dass das Entgasen im VODC an einem Vakuum-Sauerstoff-Entkohlung-(VOD)-Ofen und einem Argon-Sauerstoff-Entkohlung-(AOD)-Ofen durchgeführt wurde.
Die VOD weist Schmelzfunktionen einschließlich äußerst geringer Entkohlung und Entstickung von rostfreiem Stahlmaterial auf; und die AOD weist Funktionen einschließlich Entkohlung, Entschwefelung, Dehydrierung und Entfernen von Einschlüssen auf. Die Schmelzvorgänge von VOD/AOD weisen feste Ausrüstung auf. Während des Schmelzens ist die Einheitlichkeit von geschmolzenem Stahl bei VOD/AOD begrenzt, während für den VODC die Ausrüstung immer rotiert. Daher weist der VODC, ob für Entkohlung, Entschwefelung, Entphosphorisierung oder Entgasung, umfassende Funktionen auf, welche die Kombination von VOD/AOD übersteigen und einen qualitativ hochwertigen geschmolzenen Stahl mit weniger Phosphor, Schwefel und Einschlussindizes bereitstellen können.
Die Elementzusammensetzungen in den Nickelbasis-Superlegierungen von Beispiel 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1 wurden mittels eines deutschen direktanzeigenden Spektrometers OBLFQSN750 analysiert, und die Ergebnisse wurden in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1 Zusammensetzung von Nickelbasis-Superlegierungen, die in Beispiel 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden

SN	Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)*
SN	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Al	Ti	Fe
Beispiel 1	0,07	0,6	1,15	0,010	0,0015	20	31	0,25	0,22	0,25	der Rest
Beispiel 2	0,07	0,42	1,0	0,010	0,003	19	32	0,15	0,25	0,28	der Rest
Beispiel 3	0,09	0,55	1,20	0,012	0,002	22	33	0,12	0,28	0,15	der Rest
Beispiel 4	0,08	0,45	1,4	0,010	0,003	23	34	0,18	0,23	0,23	der Rest
Beispiel 5	0,09	0,65	1,25	0,008	0,003	21	33,5	0,02	0,25	0,27	der Rest
Vergleichsbeispiel 1	0,07	0,6	1,15	0,018	0,004	20	31	0,25	0,22	0,25	der Rest

Die Leistungsfähigkeiten der Nickelbasis-Superlegierungen, die in Beispiel 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden, wurden geprüft, und die Ergebnisse wurden in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2 Ergebnisse der Prüfungen der Leistungsfähigkeit der Nickelbasis-Superlegierungen, die in Beispiel 1 bis 5 und Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden

SN	Zugfestigkeit Rm (MPa)	Spezifizierte plastische Elongationsfestigkeit R_P0.2 (MPa)	Reißdehnung A (%)	Verschleißbeständi gkeit
Prüfverfahren	GB/T228.1-2016	GB/T228.1-2016	GB/T228.1-2016	GB/T12444-2006
Beispiel 1	545	285.75	46.5	√
Beispiel 2	523	273	45.0	√
Beispiel 3	542	290	43.0	√
Beispiel 4	566	297	45.5	√
Beispiel 5	552	283	44.5	√
Vergleichsbeispiel 1	498	252	42.5	√

Die obigen Beschreibungen sind lediglich bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass der Durchschnittsfachmann weiter mehrere Verbesserungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Prinzip der vorliegenden Offenbarung abzurücken; solche Verbesserungen und Modifikationen sollten jedoch als in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallend angesehen werden.

Claims

Nickelbasis-Superlegierung, umfassend die folgenden Bestandteile in Masseprozent: C: 0,07% bis 0,10%, 0 < Si ≤ 1,00%, 0 < Mn ≤ 1,50%, P ≤ 0,020%, S ≤ 0,005 %, Cr: 19,0 % bis 23,0 %, Ni: 31,0 % bis 34,5 %, 0 < Cu ≤ 0,75 %, Al: 0,15 % bis 0,60 %, Ti: 0,15 % bis 0,60 % und Fe als Rest.
Nickelbasis-Superlegierung nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Bestandteile in Masseprozent: C: 0,07 % bis 0,09 %, Si: 0,42 % bis 0,65 %, Mn: 1,0 % bis 1,40 %, P ≤ 0,020 %, S ≤ 0,005 %, Cr: 19 % bis 23 %, Ni: 31,0 % bis 34 %, Cu: 0,02 % bis 0,25 %, Al: 0,20 % bis 0,30 %, Ti: 0,15 % bis 0,35 % und Fe als Rest.
Herstellungsverfahren der Nickelbasis-Superlegierung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend die folgenden Schritte: Unterziehen eines Legierungsrohmaterials nacheinander dem Rohbearbeiten, Frischen, Entgasen in einem Vakuum-Sauerstoff-Entkohlungskonverter (VODC) und Gießen, um eine Stahlkokille zu erhalten; und Glühen der Stahlkokille, um die Nickelbasis-Superlegierung zu erhalten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Rohbearbeiten das Rohbearbeiten in einem Lichtbogenofen (EAF) umfasst; und das EAF-Rohbearbeiten das Schmelzen, das mit 4.800 kV·A bis 5.000 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.620 °C durchgeführt wird, die Oxidation, die mit 4.500 kV·A bis 4.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C durchgeführt wird, und Reduktion, die mit 4.500 kV·A bis 4.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C durchgeführt wird, umfasst.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei ein erhaltenes Schmelzesystem in Masseprozent weniger als oder gleich 0,004 % P aufweist; ein erhaltenes Oxidationssystem in Masseprozent weniger als oder gleich 0,15 % C aufweist; und ein erhaltenes Reduktionssystem in Masseprozent 4,8 % bis 5,2 % Schlacke und weniger als oder gleich 0,005 % S aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Frischen das Frischen in einem Pfannenofen (LF) umfasst, das mit 2.600 kV·A bis 2.800 kV·A und bei mehr als oder gleich 1.650 °C für mehr als oder gleich 30 min unter Einblasen von Stickstoff mit einem Durchflussstrom von Stickstoff von 50 l/min bis 150 l/min durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Entgasen in einem VODC mit einem Vakuumgrad von weniger als 1 mbar durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei ein erhaltenes Entgasungssystem in Masseprozent weniger als oder gleich 30 ppm O und weniger als oder gleich 1,5 ppm h aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei 15 min bis 30 min vor dem Gießen Argon für 2 min bis 3 min in das Entgasungssystem eingeblasen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Glühen durch Erhitzen auf 880 °C ± 10 °C mit 50 °C/h bis 100 °C/h und dann Halten für 8 h bis 12 h durchgeführt wird.