JP2017503085A - Nickel-based alloys, methods and uses - Google Patents
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Abstract
ニッケル基合金の製造方法であって、所定の組成の金属の素材を鍛造し、そして溶体化処理する工程と、製品を高温での第一の時効工程と空気中で冷却する工程に供し、そして低温での第二の時効工程と空気中で冷却する工程に供し、それによりニッケル基合金を得る。これらの工程i)〜v)の結果として、この合金は、その結晶粒の全体にわたって均一に析出した金属硬化相を含む。本発明はさらに、ニッケル基合金およびこの合金の使用に関する。【選択図】なしA method for producing a nickel-based alloy, comprising forging and solution treatment of a metal material having a predetermined composition, a first aging step at a high temperature and a step of cooling in air, and It is subjected to a second aging step at low temperature and a step of cooling in air, thereby obtaining a nickel-base alloy. As a result of these steps i) to v), the alloy comprises a hardened metal phase that is uniformly deposited throughout its crystal grains. The invention further relates to a nickel-base alloy and the use of this alloy. [Selection figure] None
Description
本発明は優れた耐食性と機械的性質を有するニッケル基合金およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nickel-base alloy having excellent corrosion resistance and mechanical properties and a method for producing the same.
[0001]近年、エネルギー需要が著しく増大した結果、石油の抽出工業においては、陸地と海底の両方でますます増大する深さにおいて石油を発見する問題が生じている。
[0002]それと同時に、設備のサイズも増大し、壁の直径または厚さは18インチ(460mm)までに達した。この増大により、製造業者は出発インゴットのサイズを二倍以上にすることを余儀なくされ、このことは、化学組成に変動がある場合には、長時間と高い費用のかかる均質化熱処理を行った後であっても、製品の化学的均質さに関する顕著な問題を提示している。
[0001] In recent years, as energy demand has increased significantly, the oil extraction industry has encountered the problem of finding oil at increasing depths both on land and at the bottom of the sea.
[0002] At the same time, the size of the equipment has increased and the wall diameter or thickness has reached 18 inches (460 mm). This increase forced manufacturers to more than double the size of the starting ingot, after long and expensive homogenization heat treatments, if the chemical composition varies. Even so, it presents significant problems regarding the chemical homogeneity of the product.
[0003]最も厳しい環境において用いるための、市場において現在入手できるN07718、N07716、N07725の標示で知られる市販の合金は、以下の制限を有する:
− N07718合金は、有害な相の多くの析出によって結晶粒界を損なうことなく良好な機械的性質を達成することができて、中温度において、そして元素硫黄が存在しないときに使用することができる;
− N07716合金は、高い機械的性質を得るために時効されるが、かなりの相析出物によって修飾された結晶粒界を伴ったミクロ組織を有し、その析出物は粒界腐食の実験室試験においてこの合金の挙動に影響を及ぼし、従って、その析出物は、HPHT(高圧高温)の範囲および発生期の水素が存在する可能性のある環境におけるこの合金の使用を妨げ、この合金の製品を非常に脆くする。
[0003] Commercially available alloys known by the N07718, N07716, N07725 markings currently available on the market for use in the harshest environments have the following limitations:
-N07718 alloy can achieve good mechanical properties without damaging grain boundaries by many precipitation of harmful phases, and can be used at medium temperature and in the absence of elemental sulfur ;
-N07716 alloy is aged to obtain high mechanical properties, but has a microstructure with grain boundaries modified by significant phase precipitates, which precipitates are laboratory tested for intergranular corrosion Affects the behavior of the alloy at the same time, so the precipitates hinder its use in environments where HPHT (high pressure and high temperature) and nascent hydrogen may be present. It becomes very brittle.
[0004]石油の抽出工業の設備要件は、慣例的に用いられる合金の製造業者らに対して、主に時効熱処理に作用する標準的な合金(N07718、N07716、N07725)の機械的性質を著しく(10〜15%)高めることを強いたが、その時効熱処理は、あいにくと、それらの合金の腐食性には影響を及ぼさない。 [0004] The equipment requirements of the petroleum extraction industry have markedly increased the mechanical properties of standard alloys (N07718, N07716, N07725) that primarily act on aging heat treatment, relative to commonly used alloy manufacturers. However, the aging heat treatment unfortunately does not affect the corrosivity of these alloys.
[0005]出願人は、化学的な不整を最小限にするためのVAR(真空アーク再溶解)による再鋳造法および熱変態プロセスを最適にするとともに高性能な機械装置を用いてそのプロセスを反復性のものにすることについて数年にわたって研究した後に、石油と天然ガスの抽出工業の現在の要求を満足するためには、大きな部品に対してであっても、ミクロ組織と耐食性を無効にすることなく、合金の化学組成によって高い機械的性質を得る必要がある、と結論づけた。 [0005] Applicants have optimized VAR (vacuum arc remelting) recasting and thermal transformation processes to minimize chemical imperfections and repeated the processes using high performance machinery After years of research on making it tough, to satisfy the current demands of the oil and gas extraction industry, invalidate the microstructure and corrosion resistance, even for large parts It was concluded that it was necessary to obtain high mechanical properties depending on the chemical composition of the alloy.
[0006]従って、本発明は、上述の趣旨において、先行技術に関して示された問題を解決することができる製造方法およびニッケル基合金を提供することを提案するものである。
[0007]より具体的には、本発明に関する合金は、実質的に互いに両立しないと現在まで考えられていた後述する幾つかの望ましい特徴を併せ持つことができる。
[0006] Accordingly, the present invention, in the above spirit, proposes to provide a manufacturing method and a nickel-base alloy that can solve the problems indicated with respect to the prior art.
[0007] More specifically, the alloys according to the present invention may have some desirable features described below that have been considered to date to be substantially incompatible with each other.
[0008]上記の目的は以下の各工程を含むニッケル基合金の製造方法によって達成される:
i)金属の素材を鍛造し、そして溶体化処理する;
ii)工程i)の製品を高温において第一の時効工程に供する;
iii)工程ii)の製品を空気中で冷却する;
iv)工程iii)の製品を低温において第二の時効工程に供する;
v)工程iv)の製品を(好ましくは空気中で)冷却し、それによりニッケル基合金を得る。
[0008] The above objective is accomplished by a method for producing a nickel-base alloy that includes the following steps:
i) Forging and solution treatment of metal material;
ii) subjecting the product of step i) to a first aging step at high temperature;
iii) cooling the product of step ii) in air;
iv) subjecting the product of step iii) to a second aging step at low temperature;
v) Cooling the product of step iv) (preferably in air), thereby obtaining a nickel-base alloy.
[0009]工程i)〜v)の結果として、ニッケル基合金の硬化金属相が合金の結晶粒の中に均一な形態で析出する。
[0010]実際には、工程ii)およびiv)において硬化金属相(γ’およびγ”)が顕著に析出し、そして時効工程は、それらの相の最大の析出速度が得られるようなやり方で選択された。
[0009] As a result of steps i) to v), the hardened metal phase of the nickel-based alloy is precipitated in a uniform form in the crystal grains of the alloy.
[0010] In practice, in steps ii) and iv) the hardened metal phases (γ ′ and γ ″) are significantly precipitated, and the aging step is performed in such a way that the maximum precipitation rate of those phases is obtained. chosen.
[0011]冷却工程を行う間に硬化金属相が析出し続けるかもしれないが、しかし、それはもはや最適な速度ではなくなり、一方、炭化物相(これを本明細書では「炭化物」とも言う)が、また場合によっては望ましくない金属間相が、このプロセスの間に大きな析出速度をもつかもしれない。 [0011] The hardened metal phase may continue to precipitate during the cooling step, but it is no longer at an optimal rate, while the carbide phase (also referred to herein as "carbide") Also, in some cases, undesired intermetallic phases may have a large precipitation rate during this process.
[0012]このため、上で示した冷却工程(これらの後に時効の各工程が続く)は、従来用いられる処理よりもずっと速い。
[0013]特に有利な態様によれば、工程i)〜v)の結果として、ニッケル基合金は、本質的に非結晶粒界の位置において析出した硬化相γ’およびγ”を含み、また少なくとも上記の結晶粒の境界に沿って不連続に析出した炭化物を含む。
[0012] For this reason, the cooling steps shown above (which are followed by aging steps) are much faster than those conventionally used.
[0013] According to a particularly advantageous embodiment, as a result of steps i) to v), the nickel-base alloy comprises hardened phases γ ′ and γ ″ that are essentially precipitated at the location of the grain boundaries, and at least It includes carbides precipitated discontinuously along the boundaries of the crystal grains.
[0014]革新的なこととして、適切な分析的な均衡と結びついた上述の方法によれば、結晶粒界における炭化物と望ましくない相の析出は最少限になり、そして合金の結晶粒の中で(特に、粒界領域の外側で)金属の硬化相の均一な分布が促進されるので、上述の方法を用いて製造される合金においては、存在しない形態ではないとしても、少なくとも現在用いられている合金と比較して、粒界腐食の現象が極めて限定される、ということが言える。 [0014] Innovatively, according to the method described above, coupled with an appropriate analytical balance, the precipitation of carbides and unwanted phases at the grain boundaries is minimized, and within the grains of the alloy Since the uniform distribution of the hardened phase of the metal is promoted (especially outside the grain boundary region), at least presently used, even if not in non-existing form, in the alloys produced using the above method. It can be said that the phenomenon of intergranular corrosion is extremely limited compared to the alloys that are used.
[0015]より具体的には、二つの時効処理を交互に行い、両者の後に冷却を行うことにより、iii)およびv)の各工程における析出物の生成速度を調節することが可能になる。さらに、この方法の各々の工程について、ニッケル基合金の特性に対して有利な金属相(すなわち、γ’およびγ”)の析出だけが活性化される。 [0015] More specifically, by performing two aging treatments alternately and cooling after both, it is possible to adjust the rate of precipitate formation in each step of iii) and v). Furthermore, for each step of the process, only the precipitation of metal phases (ie γ ′ and γ ″) which is advantageous for the properties of the nickel-base alloy is activated.
[0016]金属の素材は、重量パーセントで表わして、C=0.030以下、Si=0.50以下、Mn=0.50以下、Cr=20.0〜24.0、Ni=55.0〜60.0、Mo=5.5〜7.0、S=0.005以下、P=0.015以下、Cu=1.0以下、Co=1.0以下、Al=0.80以下、Ti=0.50〜1.50、Nb=4.0〜5.5、および残りのパーセントのFe、を含む。好ましくは、Feは約5〜15または約5〜12のパーセントで存在してもよい。 [0016] The metal material is expressed by weight percent, C = 0.030 or less, Si = 0.50 or less, Mn = 0.50 or less, Cr = 20.0 to 24.0, Ni = 55.0. ˜60.0, Mo = 5.5 to 7.0, S = 0.005 or less, P = 0.015 or less, Cu = 1.0 or less, Co = 1.0 or less, Al = 0.80 or less, Ti = 0.50-1.50, Nb = 4.0-5.5, and the remaining percentage of Fe. Preferably, Fe may be present in a percent of about 5-15 or about 5-12.
[0017]好ましくは、工程i)において鍛造されて溶体化処理された金属の素材は、重量パーセントで表わして、C=0.022以下、Si=0.20以下、Mn=0.20以下、Cr=21.0〜23、Ni=57.0〜59.0、Mo=5.5〜6.0、Al=0.30〜0.60、Ti=0.70〜1.0、Nb=4.5〜5.0、Fe=最少限のパーセントとして5、を含む。 [0017] Preferably, the metal material forged and solution-treated in step i) is expressed by weight percent, C = 0.222 or less, Si = 0.20 or less, Mn = 0.20 or less, Cr = 21.0-23, Ni = 57.0-59.0, Mo = 5.5-6.0, Al = 0.30-0.60, Ti = 0.70-1.0, Nb = 4.5-5.0, Fe = 5 as the minimum percentage.
[0018]単なる例としてであるが、工程i)において鍛造されて溶体化処理された金属の素材は、重量パーセントで表わして、Ni=58、Cr=21.5、Mo=5.8、Nb=4.8、Ti=0.9、Al=0.4、Fe=8%、を含むことができる。 [0018] By way of example only, the material of the metal that has been forged and solution treated in step i), expressed in weight percent, is Ni = 58, Cr = 21.5, Mo = 5.8, Nb. = 4.8, Ti = 0.9, Al = 0.4, Fe = 8%.
[0019]可能性のある態様によれば、金属の素材はもっぱら上記の元素から成っていてもよく、すなわち、示したパーセントで、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、S、P、Cu、Co、Al、Ti、Nb、Feから成っていてもよい。 [0019] According to a possible embodiment, the metal material may consist exclusively of the above-mentioned elements, ie C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, S, P, in the indicated percentage. You may consist of Cu, Co, Al, Ti, Nb, and Fe.
[0020]変形の態様によれば、工程i)は、金属の素材をおよそ1000〜1160℃の温度で鍛造し、次いで、この素材をおよそ1030〜1080℃の温度で溶体化処理する副工程を含む。 [0020] According to a variant embodiment, step i) comprises the sub-step of forging a metal blank at a temperature of approximately 1000-1160 ° C and then solution treating the blank at a temperature of approximately 1030-1080 ° C. Including.
[0021]有利なこととして、溶体化処理の副工程の後で工程ii)の前に、水中で冷却工程を行うことができ、あるいは同様のタイプの急冷を行うことができる。
[0022]工程iii)の製品は、それ自体がすでに工業上の重要な製品を構成し、またそれ自体の市場を有する、ということに注目することが重要である。
[0021] Advantageously, the cooling step can be performed in water after the solution treatment sub-step and before step ii), or a similar type of quenching can be performed.
[0022] It is important to note that the product of step iii) itself already constitutes an industrially important product and has its own market.
[0023]本発明の可能性のある態様によれば、この方法は、工程iii)の製品を分離する工程、およびその分離した製品の第一の部分について変形(transforming)を行って最初の最終製品(例えば、比較的に性能の低い製品)にする工程、および/または、その分離した製品を貯蔵する工程を含むことができる、ということが言える。 [0023] According to a possible aspect of the present invention, the method comprises the steps of separating the product of step iii) and performing a transformation on the first part of the separated product to produce the first final It can be said that it can include the steps of making a product (eg, a relatively low performance product) and / or storing the separated product.
[0024]言い換えると、プロセスを開始して鍛造および溶体化処理を行った金属の素材の全てについて必ずしも工程v)の製品にする必要は無く、それらの一部を工程iii)の終りに取り出して、上述したように変形を行い、あるいは単に貯蔵することができる。 [0024] In other words, it is not necessary for all of the metal materials that have been subjected to forging and solution treatment after the start of the process to be products of step v), some of which are removed at the end of step iii) Can be modified as described above, or simply stored.
[0025]従って、従来の合金と比較した場合の製造上および論理上の利点は明白である。
[0026]好ましい変形の態様によれば、工程iii)の製品は、周囲温度において測定して、およそ827MPa以上の降伏強さによって特徴づけることができる。
[0025] Thus, the manufacturing and logical advantages when compared to conventional alloys are obvious.
[0026] According to a preferred variant embodiment, the product of step iii) can be characterized by a yield strength of about 827 MPa or more as measured at ambient temperature.
[0027]さらなる有利な態様によれば、この方法は、工程iii)における上記の分離した製品の第二の部分を工程iv)に(そして次に工程v)に)送り、それによりニッケル基合金から成る第二の製品(例えば、比較的に性能の高い製品)を得る工程を含んでいてもよい。 [0027] According to a further advantageous embodiment, the method sends the second part of the separated product in step iii) to step iv) (and then to step v)), whereby a nickel-base alloy A second product (e.g., a product with relatively high performance) may be included.
[0028]例えば、ニッケル基合金に対する注文があった結果として、分離および/または貯蔵した製品は、工程iii)とは異なる時期に工程iv)に供してもよい、ということが言える。 [0028] For example, it can be said that as a result of an order for a nickel-base alloy, the separated and / or stored product may be subjected to step iv) at a different time than step iii).
[0029]好ましい態様によれば、工程v)の後で、ニッケル基合金は、周囲温度において測定して、およそ950〜970MPa以上の降伏強さ、好ましくは970MPa以上の降伏強さによって特徴づけられる。 [0029] According to a preferred embodiment, after step v), the nickel-base alloy is characterized by a yield strength of approximately 950 to 970 MPa or more, preferably a yield strength of 970 MPa or more, as measured at ambient temperature. .
[0030]本明細書の中で「高い」および「低い」という語句は、方法または合金それ自体において相対的な語句として解釈され、絶対的な語句とは解釈されない、ということが言える。 [0030] It can be said herein that the terms "high" and "low" are interpreted as relative terms in the method or alloy itself, and not as absolute terms.
[0031]低い性能を有する合金は、高い性能の合金との関係においてのみ、そのようにみなされるのであり、そして好ましくは、そのことは降伏強さのパラメータだけに限られる。このことは、この見地による「低い」合金は、他の因子との関連において比較した場合、例えば、耐食性に関して比較した場合、良好ではないかもしれない、ということを意味してはいない。 [0031] Alloys with low performance are considered as such only in relation to high performance alloys, and preferably it is limited to yield strength parameters only. This does not mean that a “low” alloy according to this aspect may not be good when compared in relation to other factors, for example when compared in terms of corrosion resistance.
[0032]同様に、上記の時効工程に関して言及する「高温」および「低温」という語句は、相対的な意味だけを有するだろう。
[0033]工程ii)に関して、この工程は特に、結晶粒界における炭化物とその他の望ましくない相の析出を最少限にするために用いられる。
[0032] Similarly, the phrases "high temperature" and "low temperature" referred to above with respect to the aging process will have only a relative meaning.
[0033] With respect to step ii), this step is particularly used to minimize the precipitation of carbides and other undesirable phases at the grain boundaries.
[0034]より具体的には、好ましい態様によれば、工程ii)を約720〜780℃の温度(これを「高温」と定める)において約3〜8時間または約3〜6時間にわたって行うことができる。さらなる好ましい態様によれば、工程iv)を約600〜640℃の温度(これを「低温」と定める)において約4〜10時間にわたって行うことができる。 [0034] More specifically, according to a preferred embodiment, step ii) is carried out at a temperature of about 720-780 ° C. (defined as “high temperature”) for about 3-8 hours or about 3-6 hours. Can do. According to a further preferred embodiment, step iv) can be carried out at a temperature of about 600-640 ° C. (which is defined as “low temperature”) for about 4-10 hours.
[0035]好ましくは、冷却工程iii)および/またはv)の一方または両方を、空気中で室温において行うことができ、好ましくは、それぞれの製品のほぼ周囲温度以下で行うことができる。 [0035] Preferably, one or both of the cooling steps iii) and / or v) can be carried out in air at room temperature, preferably at about the ambient temperature of the respective product.
[0036]本発明において、「周囲温度(ambient temperature)」という用語は、(特に明示しない限り)中で時効工程ii)およびiv)が実施される強く加熱される雰囲気に対しての外の温度を意味する、と理解される。特に、「周囲温度」とは、上述の時効熱処理を実施するために用いられる炉の外側の温度、もっと正確には、製造プラントの内側に位置する冷却平面における温度であると言うことができる。 [0036] In the present invention, the term "ambient temperature" refers to the temperature outside of a strongly heated atmosphere in which the aging steps ii) and iv) are carried out (unless stated otherwise). Is understood to mean. In particular, the “ambient temperature” can be said to be the temperature outside the furnace used to perform the aging heat treatment described above, more precisely the temperature at the cooling plane located inside the production plant.
[0037]さらに正確に言うと、周囲温度は製造プラントの温度であって、これは、製造が行われる季節および/または上述の方法が実施される製造地点の緯度に大きく依存して変化しうる。 [0037] To be more precise, the ambient temperature is the temperature of the production plant, which can vary greatly depending on the season in which the production takes place and / or the latitude of the production point at which the above method is carried out. .
[0038]上述した目的はまた、以下の各工程によって得られるニッケル基合金によって解決される:
i)上述した金属の素材を鍛造し、そして溶体化処理する;
ii)工程i)の製品を高温において第一の時効工程に供する;
iii)工程ii)の製品を空気中で冷却する;
iv)工程iii)の製品を低温において第二の時効工程に供する;
v)工程iv)の製品を(好ましくは空気中で)冷却し、それによりニッケル基合金を得る。
[0038] The objects described above are also solved by a nickel-base alloy obtained by the following steps:
i) Forging and solution treatment of the metal material described above;
ii) subjecting the product of step i) to a first aging step at high temperature;
iii) cooling the product of step ii) in air;
iv) subjecting the product of step iii) to a second aging step at low temperature;
v) Cooling the product of step iv) (preferably in air), thereby obtaining a nickel-base alloy.
[0039]工程i)〜v)の結果として、ニッケル基合金はその結晶粒の全体にわたって均一に析出した金属硬化相を含む。
[0040]この合金の製造のための好ましい変形態様または有利な変形態様に関しては、上の説明が当てはまる。
[0039] As a result of steps i) to v), the nickel-base alloy includes a hardened metal phase that is uniformly deposited throughout its crystal grains.
[0040] With regard to preferred or advantageous variants for the production of this alloy, the above explanations apply.
[0041]特に有利な態様によれば、工程i)〜v)の最後において、ニッケル基合金は、本質的に非結晶粒界の位置において析出した硬化相γ’およびγ”を含み、また少なくとも上記の結晶粒の境界に沿って不連続な形で析出した炭化物を含む。 [0041] According to a particularly advantageous embodiment, at the end of steps i) to v), the nickel-base alloy comprises hardened phases γ ′ and γ ″ that have precipitated essentially at the location of the grain boundaries, and at least The carbide | carbonized_material precipitated in the discontinuous form along the boundary of said crystal grain is included.
[0042]より正確に言うと、工程iii)が介在する工程ii)およびiv)は、硬化相γ’およびγ”の均一な形態での析出を、また好ましくは微細な形態での析出を促進し、そして結晶粒界における析出炭化物および望ましくない金属間相を最少限にする。 [0042] More precisely, steps ii) and iv) involving step iii) promote the precipitation of the hardened phases γ ′ and γ ″ in a uniform form, and preferably in the fine form. And minimizing precipitated carbides and undesirable intermetallic phases at grain boundaries.
[0043]上述した目的はまた、重量パーセントで表わして、C=0.030以下、Si=0.50以下、Mn=0.50以下、Cr=20.0〜24.0、Ni=55.0〜60.0、Mo=5.5〜7.0、S=0.005以下、P=0.015以下、Cu=1.0以下、Co=1.0以下、Al=0.80以下、Ti=0.50〜1.50、Nb=4.0〜5.5、および残りのパーセントのFe、を含む金属の素材を含むニッケル基合金によって解決される。この合金は、本質的に非結晶粒界の位置において効果的に均一に(そして好ましくは微細に)析出した硬化相γ’およびγ”を含むことと、少なくとも上記の結晶粒の境界において不連続に析出した炭化物を含むことで特徴づけられる。 [0043] The objects described above are also expressed in weight percent, C = 0.030 or less, Si = 0.50 or less, Mn = 0.50 or less, Cr = 20.0-24.0, Ni = 55. 0-60.0, Mo = 5.5-7.0, S = 0.005 or less, P = 0.015 or less, Cu = 1.0 or less, Co = 1.0 or less, Al = 0.80 or less , Ti = 0.50-1.50, Nb = 4.0-5.5, and the remaining percentage of Fe. This alloy essentially contains hardened phases γ ′ and γ ″, which are effectively uniformly (and preferably finely) precipitated at the location of the grain boundaries and is discontinuous at least at the grain boundaries mentioned above. It is characterized by containing carbides precipitated in
[0044]例えば、この合金は、上で説明したあらゆる態様に係る方法を用いて得ることができる。このことから、特に示さない場合であっても、この合金の好ましい変形態様または有利な変形態様は、上述した説明から推論できるあらゆる製造工程を含み得る。 [0044] For example, the alloy can be obtained using the method according to any embodiment described above. From this, even if not specifically indicated, preferred or advantageous variations of this alloy may include any manufacturing process that can be inferred from the above description.
[0045]有利なこととして、本発明の合金は好ましくは、化学工業または石油工業のための装置やパイプ(管)を製造するために用いることができる。 [0045] Advantageously, the alloys of the present invention can preferably be used to produce equipment and pipes for the chemical or petroleum industry.
[0046]本発明の目的を、非限定的な例に基づいて以下で説明する。
実施例1:方法を実施するための手段
[0047]本発明が関連する金属の素材は好ましくは、強い脱硫、完全な脱酸、および機械的性質と腐食性についての反復性を確保するための組成の極めて制限された分析範囲を得るために、電気アーク炉で溶解され、AOD(アルゴン・酸素脱炭)において精製される。
[0046] Objects of the present invention will be described below based on non-limiting examples.
Example 1 : Means for carrying out the method
[0047] The metal material to which the present invention relates is preferably for obtaining a highly limited analytical range of composition to ensure strong desulfurization, complete deoxidation, and repeatability for mechanical and corrosive properties. Then, it is melted in an electric arc furnace and purified in AOD (argon / oxygen decarburization).
[0048]精製プロセスは下記の操作のうちの少なくとも一つによって完了させることができる:
− VIDP(誘導真空脱ガスおよび鋳込み)における液体の鋼のさらなる仕上げ;
− 後続の鍛造に適した鋳型におけるソース鋳造(source casting);
− 後続の再溶融VARまたはESR(真空アーク再溶解またはエレクトロスラグ再溶解)を意図したインゴットのソース鋳造。
[0048] The purification process can be completed by at least one of the following operations:
-Further finishing of liquid steel in VIDP (induction vacuum degassing and casting);
-Source casting in a mold suitable for subsequent forging;
-Ingot source casting intended for subsequent remelting VAR or ESR (vacuum arc remelting or electroslag remelting).
[0049]変形態様によれば、VAR再溶解またはESR再溶解の後に得られたインゴットは、適当な均質化熱処理に供することができ、次いで、鍛造プレス(例えば、各々のサイクルのための実体および変形速度の両方のためにプログラム化できる二つの統合した完全自動化マニプュレーターを有するもの)を使用することによってブルームに変形することができる。 [0049] According to a variant, the ingot obtained after VAR remelting or ESR remelting can be subjected to a suitable homogenization heat treatment, and then subjected to a forging press (e.g. an entity for each cycle and Can be transformed into bloom by using two integrated fully automated manipulators that can be programmed for both deformation speeds.
[0050]中間の研削を行った後のブルームは、四つの同調ハンマーを有する油圧プレス(例えば、双腕マニプュレーターおよび/または新しい概念のRCD(円形連続変形)圧延機を有するもの(これら二つの装置も自動化およびプログラム化することができる))を用いることによってビレットまたはバー(棒材)に変形させることができる。 [0050] The bloom after intermediate grinding is a hydraulic press with four tuned hammers (eg, a dual arm manipulator and / or a new concept RCD (circular continuous deformation) rolling mill (these two devices) Can also be automated and programmed))) and can be transformed into billets or bars.
[0051]長尺の製品(特に、パイプやバーのような、幅または厚さよりも実質的に大きな長さを有するもの)のために特別に設計される熱処理設備は、結晶粒の均一さについて良好な制御性を持たせるとともに、特に本発明に従う合金から製造される製品を使用することを意図している環境における耐食性に対して有害な相の析出を避けるために、狭い温度範囲において加工することを可能にすることができる。 [0051] Heat treatment equipment specially designed for long products (especially those having a length substantially greater than the width or thickness, such as pipes and bars), for grain uniformity Process in a narrow temperature range in order to give good controllability and avoid the precipitation of phases that are detrimental to corrosion resistance, especially in environments intended to use products made from alloys according to the invention Can make it possible.
[0052]好ましい変形態様によれば、金属の素材、ひいては本発明に係る対応する合金は、基本的な元素を平均して次の重量パーセントで含むことができる:Ni=58、Cr=21.5、Mo=5.8、Nb=4.8、Ti=0.9、Al=0.4、Fe=8%。 [0052] According to a preferred variant, the metal material, and thus the corresponding alloy according to the invention, can contain, on average, the basic elements in the following weight percentages: Ni = 58, Cr = 2. 5, Mo = 5.8, Nb = 4.8, Ti = 0.9, Al = 0.4, Fe = 8%.
実施例2:本発明のニッケル基合金と現在用いられている慣用の合金との比較
[0053]本発明のニッケル基合金は、1000〜1160℃の温度範囲における熱変態と1030〜1080℃の範囲における溶体化処理の後に、図1に示す機械的な特徴を典型的に有する。
Example 2 : Comparison between the nickel-base alloy of the present invention and a conventional alloy currently used
[0053] The nickel-base alloys of the present invention typically have the mechanical characteristics shown in FIG. 1 after thermal transformation in the temperature range of 1000-1160 ° C. and solution treatment in the range of 1030-1080 ° C.
[0054]本発明のニッケル基合金(「AF.955」と称する)は、上の段落におけるような溶体化処理の後に、720〜780℃の温度範囲で3〜8時間の時効を行い、そして空冷(あるいは同等の冷却、または急冷)した場合、図2に明示する機械的な特徴および図6、7、8に示す粒界腐食と孔食に対する耐性データを典型的に有する。 [0054] The nickel-base alloy of the present invention (referred to as “AF.955”) is subjected to aging for 3-8 hours at a temperature range of 720-780 ° C. after solution treatment as in the above paragraph, and When air-cooled (or equivalently cooled or rapidly cooled), it typically has the mechanical features shown in FIG. 2 and the intergranular corrosion and pitting resistance data shown in FIGS.
[0055]600〜640℃において4〜10時間の第二の時効を行った後に空冷した合金は、図3に明示する機械的性質および図6、7、8に示す粒界腐食と孔食に対する耐性を示す。 [0055] Alloys air-cooled after second aging at 600-640 ° C. for 4-10 hours are resistant to the mechanical properties shown in FIG. 3 and the intergranular corrosion and pitting corrosion shown in FIGS. Shows tolerance.
[0056]図9によるSCC腐食試験(応力腐食割れ試験)の結果(追加の試験で捕捉したもの)は、Nace Standard MR 0175 / ISO 15156-3 (2009) における合金の包含を認める。 [0056] The results of the SCC corrosion test (stress corrosion cracking test) according to FIG. 9 (captured in an additional test) acknowledge the inclusion of the alloy in Nace Standard MR 0175 / ISO 15156-3 (2009).
[0057]図10におけるSSRT(低ひずみ速度引張試験)の結果は、水素脆性の現象に対して合金の感受性が低下することを示す。
[0058]図4および図5は、石油と天然ガスの抽出工業において遭遇する多くの環境において最も一般的に用いられる合金の化学組成および特徴的な機械的性質を示す。
[0057] The SSRT (Low Strain Rate Tensile Test) results in FIG. 10 show that the susceptibility of the alloy is reduced to the phenomenon of hydrogen embrittlement.
[0058] FIGS. 4 and 5 show the chemical composition and characteristic mechanical properties of the most commonly used alloys in many environments encountered in the oil and natural gas extraction industry.
[0059]全ての合金について、3等級(Gr.3)は熱時効処理の方法(温度/時間)においてのみ3HS等級(Gr.3HS)と異なる。
[0060]より具体的には、本発明に係る合金について、3等級(Gr.3)は、上述した工程ii)およびiii)による単一の時効工程とそれに続く冷却に供されるニッケル基合金に関するものである。反対に、3HS等級(Gr.3HS)は、第二の時効と冷却の工程も受けた合金、すなわち、工程iv)およびv)も受けた合金に関する。
[0059] For all alloys, grade 3 (Gr.3) differs from grade 3HS (Gr.3HS) only in the method of thermal aging treatment (temperature / time).
[0060] More specifically, for alloys according to the present invention, Grade 3 (Gr.3) is a nickel-based alloy that is subjected to a single aging step according to steps ii) and iii) described above and subsequent cooling. It is about. Conversely, the 3HS grade (Gr.3HS) relates to alloys that have also undergone a second aging and cooling step, ie, alloys that have also undergone steps iv) and v).
[0061]図6、7、8、9、10は、本発明の合金と比較した場合の実験室の腐食試験における各材料の耐性能力についての情報を与える。
[0062]特徴的なミクロ組織をさらに比較すると(合金AF.955についての図11A〜11F;先行技術の合金N07718についての図12A〜12F;先行技術の合金N07716についての図13A〜13F;)、粒界腐食、孔食、SCC、SSRTの試験の結果は、同等のニッケル含有量を有する慣用の合金(N07718、N07716)について得られた結果と比較して、合金元素のこの革新的な分析上の調和を導入し、これに綿密で革新的な熱処理方法を組み合わせることによって得られた改善を明らかに示している。
[0061] Figures 6, 7, 8, 9, and 10 provide information about the resistance capability of each material in a laboratory corrosion test when compared to the alloys of the present invention.
[0062] Further comparison of the characteristic microstructures (FIGS. 11A-11F for alloy AF.955; FIGS. 12A-12F for prior art alloy N07718; FIGS. 13A-13F for prior art alloy N07716;) The results of intergranular corrosion, pitting corrosion, SCC, and SSRT tests are based on this innovative analysis of alloying elements compared to the results obtained for conventional alloys with comparable nickel content (N07718, N07716). It clearly shows the improvement obtained by introducing the harmony of this and combining it with a thorough and innovative heat treatment method.
[0063]上述の図面に関して、図11Aと11Bは、工程ii)の前の合金AF.955、すなわち、金属の素材のみを鍛造して溶体化処理した後の合金AF.955の金属組織(100倍と500倍の倍率)を示す。図11Cと11Dは、上記の工程iii)の製品、すなわち、第一の時効とそれに続く空気冷却の工程の後の製品の金属組織(上記と同様の倍率)を示す。最後に図11Eと11Fは、工程v)の終りでの合金AF.955についての上記のものに相当する金属組織を示す。 [0063] With respect to the above-mentioned drawings, FIGS. 11A and 11B show the metallographic structure (100) of alloy AF.955 before step ii), ie, alloy AF.955 after forging and solution treatment of only the metal material. Times and 500 times magnification). FIGS. 11C and 11D show the metal structure (same magnification as above) of the product of step iii) above, ie the product after the first aging and subsequent air cooling steps. Finally, FIGS. 11E and 11F show the metallographic structure corresponding to that described above for alloy AF.955 at the end of step v).
[0064]図12A〜12Fおよび図13A〜13Fはそれぞれ、上述の図面に相当する合金N07718および合金N07716の金属組織を示す(溶体化処理後のもの、合金N07718について図12Aと12B、そして合金N07716について図13Aと13B;それぞれの合金の3等級のものについての第一のタイプの時効の後のもの(図12C、12Dおよび図13C、13D);および、それぞれの合金の3HS等級のものについての第二の時効の後のもの(図12E、12Fおよび図13E、13F))。 [0064] FIGS. 12A-12F and FIGS. 13A-13F show the microstructures of Alloy N07718 and Alloy N07716, respectively, corresponding to the drawings described above (after solution treatment, FIGS. 12A and 12B for Alloy N07718, and Alloy N07716). 13A and 13B; after the first type of aging for 3 grades of each alloy (FIGS. 12C, 12D and 13C, 13D); and for the 3HS grade of each alloy After the second aging (FIGS. 12E, 12F and 13E, 13F)).
[0065]構造上の耐性および耐食性についてのこれらの改善は、時効熱処理時間を過度にすることなく達成される高い機械的性質と相まって、あらゆる「酸味のある」環境での合金の使用を(かなり深い場所(HPHT(高圧高温)の適用)での使用であっても)有利にするのであり、そのような使用をユーザーはかつて目標に定める必要があったし、また合金N07718やN07716と同族のN07725との間で必ずしも最適な選択はなされていなかった。 [0065] These improvements in structural resistance and corrosion resistance coupled with the high mechanical properties achieved without excessive aging heat treatment time, combined with the use of the alloy in any “sour” environment (considerably It would be advantageous to use even in deep locations (even in HPHT (high pressure high temperature) applications), and such use once had to be targeted by the user, and was similar to alloys N07718 and N07716 The optimum selection was not necessarily made with N07725.
[0066]革新的なこととして、本発明の方法およびニッケル合金は、先行技術に関して言われてきた欠点を鮮やかに解決することを可能にする。
[0067]より具体的には、本発明の方法およびニッケル合金は粒界での金属相の析出物(特に、炭化物)を実質的に無くするものであり、従って、先行技術と比較して、結晶粒界における腐食の現象が(実質的に存在しないとは言わないまでも)劇的に低減する。
[0066] Innovatively, the methods and nickel alloys of the present invention make it possible to brilliantly solve the drawbacks that have been said with respect to the prior art.
[0067] More specifically, the methods and nickel alloys of the present invention substantially eliminate metal phase precipitates (particularly carbides) at grain boundaries, and therefore, compared to the prior art, The phenomenon of corrosion at the grain boundaries is dramatically reduced (if not said to be substantially absent).
[0068]加えて、本発明の合金は、これまでに比較してきた合金よりも大きな機械的耐性と耐引張り特性を有し、特に伸びのデータとピンチポイントのデータにおいて応力下でのかなりの耐食性と極めて低い水素脆化を示し、また破断特性における伸びは、初期の水素が発生する可能性のある環境下での合金の安全な使用が保証されるほどに十分に高い。 [0068] In addition, the alloys of the present invention have greater mechanical resistance and tensile properties than previously compared alloys, particularly considerable corrosion resistance under stress in elongation and pinch point data. And extremely low hydrogen embrittlement, and the elongation in fracture properties is high enough to ensure safe use of the alloy in environments where initial hydrogen may be generated.
[0069]最初に説明したように、先行技術のいずれの合金も、このような技術的な結果をこれまでに達成することができず、特に、工業的な規模で鍛造されて製造される製品についてそうであった。 [0069] As explained at the outset, none of the prior art alloys has been able to achieve such technical results so far, in particular products manufactured by being forged on an industrial scale Was about.
[0070]有利なこととして、本発明についてのニッケル基合金の成分と熱処理および/または熱機械的処理は、金属の硬化相の析出現象を独特で特徴的なものにする。
[0071]有利なこととして、本発明の方法においては、析出相どうしの明白な時間的な分離は、性能が著しく異なる様々なタイプの様々な合金を得ることを可能にする。
[0070] Advantageously, the nickel base alloy components and heat treatment and / or thermomechanical treatment for the present invention make the precipitation phenomenon of the hardened phase of the metal unique and characteristic.
[0071] Advantageously, in the method of the present invention, a clear temporal separation of the precipitated phases makes it possible to obtain different types of different alloys with significantly different performance.
[0072]それでもなお、この方法は重要な製造費用の節約を達成することを可能にするのであり、それは、様々な得られる合金の製造を特徴づける一般的なプロセスの故だけではない。 [0072] Nevertheless, this method makes it possible to achieve significant manufacturing cost savings, not only because of the general process that characterizes the production of various resulting alloys.
[0073]実際には、市場においては現在、二つのタイプの製品、すなわち、Ysが120KSi(MPa827)を超える製品とYsが140KSi(MPa約966)を超える製品が存在する。従って、本発明の方法と合金を用いると、同じ製造の連鎖の一部である工程iii)の製品と工程v)の製品のそれぞれとともに、上記の最低レベルを保証することができる。 [0073] In fact, there are currently two types of products in the market: products with Ys exceeding 120 KSi (MPa 827) and products with Ys exceeding 140 KSi (MPa about 966). Thus, using the method and alloy of the present invention, the above minimum level can be guaranteed with each of the products of step iii) and products of step v) that are part of the same manufacturing chain.
[0074]最後に、有利なこととして、冷却を行う長さでさえも、本合金の腐食と脆化に対する耐性といった機械的性質のために最も有用な相の析出に明確に影響を及ぼす。
[0075]いかなるやり方であっても、現象についての科学的な説明を行うことを欲するものではないが、望ましくない相と炭化物は結晶粒界に析出する傾向がある。従って、そのような析出を最少限にし、またそれらの析出物は結晶粒界において連続しないようにすることが、技術的に重要である。結晶粒界における析出物の大小または有無は粒界腐食と水素脆性に対する耐性に影響を及ぼすが、しかし、応力腐食割れの現象に対しては、もっと限定された形でしか影響を及ぼさない。
[0074] Finally, advantageously, even the length of cooling clearly affects the precipitation of the most useful phases due to mechanical properties such as resistance to corrosion and embrittlement of the alloy.
[0075] Although not desired to provide a scientific explanation of the phenomenon in any way, undesirable phases and carbides tend to precipitate at the grain boundaries. Therefore, it is technically important to minimize such precipitation and to ensure that these precipitates are not continuous at the grain boundaries. The presence or absence of precipitates at the grain boundaries affects the resistance to intergranular corrosion and hydrogen embrittlement, but has a more limited effect on the phenomenon of stress corrosion cracking.
[0076]有利なこととして、工程iii)の製品であっても特定の工業用途のためには最適であることが判明している。
[0077]当業者であれば、特定の要件を満足させて、ある元素を機能的に同等の他の元素と置き換えるために、上述した方法とニッケル基合金に変更を加えることができる。
[0076] Advantageously, even the product of step iii) has been found to be optimal for certain industrial applications.
[0077] Those skilled in the art can make modifications to the methods and nickel-base alloys described above to satisfy certain requirements and to replace one element with another functionally equivalent element.
[0078]そのような変更もまた、特許請求の範囲によって定義される保護の範囲の中に含まれる。
[0079]加えて、可能な態様に属するとみなされる変形はそれぞれ、他の態様とは独立したものとして理解することができる。
[0078] Such modifications are also encompassed within the scope of protection defined by the claims.
[0079] In addition, each variation deemed to belong to a possible aspect can be understood as independent of the other aspects.
Claims (15)
i)重量パーセントで表わして、C=0.030以下、Si=0.50以下、Mn=0.50以下、Cr=20.0〜24.0、Ni=55.0〜60.0、Mo=5.5〜7.0、S=0.005以下、P=0.015以下、Cu=1.0以下、Co=1.0以下、Al=0.80以下、Ti=0.50〜1.50、Nb=4.0〜5.5、および残りのパーセントのFe、を含む金属の素材を鍛造し、そして溶体化処理すること;
ii)工程i)の製品を高温において第一の時効工程に供すること;
iii)工程ii)の製品を空気中で冷却すること;
iv)工程iii)の製品を低温において第二の時効工程に供すること;
v)工程iv)の製品を空気中で冷却し、それによりニッケル基合金を得ること;
を含み、前記工程i)〜v)の後に、ニッケル基合金の硬化金属相が合金の結晶粒の中に均一な形態で析出する、前記方法。 A method for producing a nickel-based alloy, comprising the following steps:
i) Expressed in weight percent, C = 0.030 or less, Si = 0.50 or less, Mn = 0.50 or less, Cr = 20.0-24.0, Ni = 55.0-60.0, Mo = 5.5-7.0, S = 0.005 or less, P = 0.015 or less, Cu = 1.0 or less, Co = 1.0 or less, Al = 0.80 or less, Ti = 0.50 Forging and solution treatment of a metal blank containing 1.50, Nb = 4.0-5.5, and the remaining percentage of Fe;
ii) subjecting the product of step i) to a first aging step at high temperature;
iii) cooling the product of step ii) in air;
iv) subjecting the product of step iii) to a second aging step at low temperature;
v) cooling the product of step iv) in air, thereby obtaining a nickel-base alloy;
And after said steps i) to v), the hardened metal phase of the nickel-base alloy is precipitated in a uniform form in the crystal grains of the alloy.
i)重量パーセントで表わして、C=0.030以下、Si=0.50以下、Mn=0.50以下、Cr=20.0〜24.0、Ni=55.0〜60.0、Mo=5.5〜7.0、S=0.005以下、P=0.015以下、Cu=1.0以下、Co=1.0以下、Al=0.80以下、Ti=0.50〜1.50、Nb=4.0〜5.5、および残りのパーセントのFe、を含む金属の素材を鍛造し、そして溶体化処理すること;
ii)工程i)の製品を高温において第一の時効工程に供すること;
iii)工程ii)の製品を空気中で冷却すること;
iv)工程iii)の製品を低温において第二の時効工程に供すること;
v)工程iv)の製品を空気中で冷却し、それによりニッケル基合金を得ること;
によって得られるニッケル基合金であって、工程i)〜v)の後に、その結晶粒の全体にわたって均一に析出した金属硬化相を含む、前記ニッケル基合金。 The following steps:
i) Expressed in weight percent, C = 0.030 or less, Si = 0.50 or less, Mn = 0.50 or less, Cr = 20.0-24.0, Ni = 55.0-60.0, Mo = 5.5-7.0, S = 0.005 or less, P = 0.015 or less, Cu = 1.0 or less, Co = 1.0 or less, Al = 0.80 or less, Ti = 0.50 Forging and solution treatment of a metal blank containing 1.50, Nb = 4.0-5.5, and the remaining percentage of Fe;
ii) subjecting the product of step i) to a first aging step at high temperature;
iii) cooling the product of step ii) in air;
iv) subjecting the product of step iii) to a second aging step at low temperature;
v) cooling the product of step iv) in air, thereby obtaining a nickel-base alloy;
The nickel-base alloy obtained by the method according to claim 1, wherein the nickel-base alloy includes a hardened metal phase uniformly precipitated over the entire crystal grains after steps i) to v).
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