TW201643266A - 耐蝕高鎳合金的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種耐蝕高鎳合金的製造方法，包括以下步驟。首先提供一高鎳合金鑄胚。接著於800℃~1200℃的溫度對高鎳合金鑄胚進行加熱，並於前述溫度持溫0.5小時~5小時。然後對高鎳合金鑄胚進行熱軋加工，以得到一高鎳合金材料，其中熱軋加工的完軋溫度介於710℃~1040℃之間。

Description

耐蝕高鎳合金的製造方法

本發明是有關於合金的處理方法，且特別是有關於一種耐蝕高鎳合金的製造方法。

鎳金屬是一種高熔點(1453℃)材料，且在熔點溫度以下，是以穩定的面心立方(face-centered cube，FCC)結構存在，因此易以固溶方式容納其他金屬元素。鎳合金不僅具有耐蝕性良好、延展性優良等特性，且導電和導熱的性能均佳，在常溫下具磁性，故工業上的應用相當廣泛。

一般所謂工業用高鎳合金，指鎳含量高於99.0wt%的鎳合金，也稱作工業用純鎳。這類產品通常是在低於315℃的溫度，於食品、人造纖維等苛性鹼環境使用，以保證所生產產品的純淨度。或者也可用於耐蝕結構件，如化學製品的輸送桶、陽極板、電子元件的外殼、電子電氣導線等。常見的工業用純鎳產品Nickel 200、201之成分如表1所示(數值為重量百分比，鎳之數值為最小容許值，其他元素之數值為最大容許值)。這些工業用純鎳產品在冷、熱加工之後，需要再經過退火熱處理製程以 獲得低硬度、高延展性的特性，以便後續繼續進行成型加工。然而，對於一般工業用高鎳合金的退火熱處理條件或其晶粒尺寸尚無明確要求。

有鑑於此，本發明在於提出一種耐蝕高鎳合金的製造方法，利用高鎳合金在高溫下熱加工性良好的特性，在熱軋時採取適當的再加熱溫度、再加熱時間，並適時調整軋延率，以將完軋溫度控制於710℃~1040℃之間，從而得到晶粒尺寸適宜的材料。本發明的方法不但可以獲得具有良好抗蝕性、可長時間使用於酸鹼環境中的高鎳合金材料，且此高鎳合金材料在使用前無須再經熱處理，可避免一般退火熱處理造成的能源消耗和成本增加，大幅降低材料使用成本。

根據本發明的前述態樣，提出一種耐蝕高鎳合金的製造方法，包括以下步驟。首先提供一高鎳合金鑄胚。接著於800℃~1200℃的溫度對高鎳合金鑄胚進行加熱，並於前述溫度持溫0.5小時~5小時。然後對高鎳合金鑄胚進行熱軋加工以得到一高鎳合金材料，其中熱軋加工的完軋溫度介於710℃~1040℃之間。

在本發明的一實施例中，完軋溫度介於840℃~960℃之間。

在本發明的一實施例中，高鎳合金材料的平均晶粒尺寸介於55μm~260μm之間。

在本發明的一實施例中，高鎳合金材料的平均晶粒尺寸介於100μm~210μm之間。

在本發明的一實施例中，熱軋加工包括4~9個軋延道次。

在本發明的一實施例中，每一軋延道次的裁減率介於5%~70%之間。

在本發明的一實施例中，每一軋延道次的裁減率介於15%~70%之間。

在本發明的一實施例中，高鎳合金鑄胚包括99.0wt%~99.9wt%的鎳、0wt%~0.15wt%的碳、0wt%~0.4wt%的鐵、0wt%~0.35wt%的錳、0wt%~0.25wt%的銅以及0wt%~0.36wt%的矽。

100‧‧‧方法

102、104、106‧‧‧步驟

圖1是根據本發明一實施例所繪示的抗蝕高鎳合金的製造方法的流程圖。

在本文中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值 的概要性表示方式。因此，記載了某一特定數值範圍，等同於揭露了該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，如同在說明書中明文寫出該任意數值和該較小數值範圍一樣。例如，記載「尺寸為10mm~100mm」的範圍，就等同於揭露了「尺寸為20mm~50mm」的範圍，無論說明書中是否列舉其他數值。

圖1是根據本發明的一實施例所繪示的耐蝕高鎳合金的製造方法的流程圖。下文將參照圖1詳細說明本實施例之耐蝕高鎳合金的製造方法。

參照圖1，耐蝕高鎳合金的製造方法100包括步驟102、步驟104和步驟106。在步驟102中，提供一高鎳合金鑄胚。此高鎳合金鑄胚的成分是以鎳金屬為主要元素的合金，例如鎳鐵基合金，其中鎳金屬所佔比例較佳是高於80wt%，更佳是高於90wt%，再更佳是高於99wt%。在一實施例中，高鎳合金鑄胚包括99.0wt%~99.9wt%的鎳、0wt%~0.15wt%的碳、0wt%~0.4wt%的鐵、0wt%~0.35wt%的錳、0wt%~0.25wt%的銅以及0wt%~0.36wt%的矽。高鎳合金鑄胚的一具體例是工業用的純鎳產品Nickel 201，其合金成分為99.5Ni-0.23Fe-0.22Mn-0.05Si-0.001C-0.002Cu。

前述以鎳金屬為主要元素的合金可使用包括燃料加熱爐熔煉、非真空電爐(Electric Arc Furnace，EAF)熔煉、真空感應熔煉爐(Vacuum induction melting，VIM)熔煉或真空電弧熔煉爐(Vacuum arc melting，VAM)熔煉等熔煉方法來得到模鑄鑄錠或連鑄胚料，並可選擇性進行後績之氬氣吹氧脫碳(Argon Oxygen Decarbonization，AOD)、真空吹氧脫碳(Vacuum Oxygen Decarbonization，VOD)、電渣重熔(electroslag remelting，ESR)、真空電弧重熔(Vacuum arc remelting，VAR)等精煉製程。通常，精煉後之高鎳合金鑄胚組織均勻，無粗大之介再物(inclusion)，加工性質良好，故適合鍛造或軋延等成型方式。

接著，在步驟104中，於800℃~1200℃的溫度(較佳是950℃~1150℃)對高鎳合金鑄胚進行加熱，並於前述溫度持溫0.5小時~5小時。此步驟是熱加工之前的預熱步驟，需將高鎳合金鑄胚整體均勻加熱至預定溫度。此步驟例如可在加熱爐中進行。需注意的是，如果加熱溫度過高或過低，將會影響鑄胚的高溫機械性質(材料太軟或太硬)，進而降低生產效能；另外，如加熱時間過短，鑄胚整體加熱不均勻，而如加熱時間過長，則會造成材料性質之劣(弱)化。

接著，在步驟106中，對已預熱的高鎳合金鑄胚進行熱軋加工以得到一高鎳合金材料。具體而言，例如是將高鎳合金鑄胚自加熱爐中取出，並經一至多道軋延道次，將高鎳合金鑄胚軋延成具有目標厚度的板材。應注意者，在步驟106之中，熱軋加工的完軋溫度是介於 710℃~1040℃之間，較佳是840℃~960℃之間。完軋溫度可以透過調整步驟104的加熱溫度、步驟106中每一道軋延道次的裁減率(其意義請見下段)或軋延道次的總數量來加以控制，下段將再對此進行詳細說明。

在熱軋加工的過程中，每一軋延道次均會使高鎳合金鑄胚的厚度變得更薄。就每一軋延道次而言，軋延後之厚度與軋延前之厚度的比例稱之為裁減率或軋延率。裁減率愈高，表示高鎳合金鑄胚愈快被加工成目標厚度，所需的軋延道次也就愈少，因此，高鎳合金鑄胚離開熱源(例如加熱爐)的時間愈短，而完軋溫度愈高。反之，若步驟104的加熱溫度愈低，或熱軋加工時每一軋延道次的裁減率愈低，或軋延道次愈多，完軋溫度就會愈低。所以，為了將熱軋加工的完軋溫度控制於710℃~1040℃之間(較佳是840℃~960℃之間)，除了在步驟104中將加熱溫度訂於800℃~1200℃之間(較佳是950℃~1150℃之間)以外，例如還可將步驟106的熱軋加工控制於4~9個軋延道次之間，且每一軋延道次的裁減率例如可控制於5%~70%之間，較佳是介於15%~70%之間。

控制完軋溫度的原因說明如下：一般而言，當晶粒尺寸過小時，因為所擁有之晶界面積較多，其腐蝕速率將會提高；若晶粒尺寸過大時，則會因為晶界處之雜質元素濃度的增加(雜質元素聚集)而增強晶粒間腐蝕效應，進而導致耐蝕性質下降。因此，每一種材料就其特定 應用而言，其晶粒尺寸應介於適當的範圍之內。另外，金屬材料經高溫處理時，其晶粒將會成長，而經加工變形時晶粒則會變細。因此金屬材料在熱加工後的性質不易預測。然而，高鎳合金在高溫下的晶粒成長相當快速，其熱效應遠強於加工效應，因此其晶粒尺寸基本上可由溫度控制之。綜合前述理由，透過完軋溫度的控制，可將高鎳合金材料的平均晶粒尺寸控制於最佳範圍之內，使其具有良好的抗腐蝕性。在本發明的一實施例中，高鎳合金材料的平均晶粒尺寸介於55μm~260μm之間，較佳是介於100μm~210μm之間。

在步驟106後，軋延所得的板材可視需求進行後績之裁切、噴砂酸洗與整平等精整作業，以得到表面性質與平整度符合需求之光面中厚板材。有關前述裁切、噴砂酸洗與整平等精整作業，應為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知，故不另贅述。

下文將列舉實施例以更具體地描述本發明。雖然描述了以下實驗，但是在不逾越本發明範疇之前提下，可適當地改變所用材料、其量及比率、處理細節以及處理流程等等。因此，不應根據下文所述的實驗對本發明作出限制性的解釋。

實施例1之高鎳合金鑄胚選用常見之工業用純鎳產品Nickel 201，其合金成分為99.5Ni-0.23Fe-0.22Mn-0.05Si-0.001C-0.002Cu。使用非真空電爐EAF將此產品熔煉成模鑄鑄錠，並進行後續之電渣重熔精 煉製程。接著進行表面處理步驟(裁切，研磨、削皮等表面精整)，以確保在加工前鑄胚的表面品質。

接下來，於900℃~1200℃之溫度區間，將鑄胚鍛成厚度125mm之方胚。鍛造後進行熱軋步驟，以將厚度125mm之方胚軋成厚度約12mm之中厚板，其過程如下：將鍛打後之方胚置於已升溫至950℃的加熱爐中再加熱，持溫120min後，經4~9個軋延道次以完成熱軋加工，其中各道次之裁減率在15%~70%之間。完軋溫度被控制在700℃~1050℃之間。

實施例2、3、4以及比較例1、2的製作和實施例1大致相同，不同之處在於加熱爐的加熱溫度和每一軋延道次的裁減率，且因此完軋溫度和平均晶粒尺寸也各不相同。這些參數統整於表2之中。

表3為實施例1~4和比較例1~3(比較例3為一般市售產品Nickel 201)浸泡於不同溶液中之腐蝕試驗結果。腐蝕速率較低或浸泡失重較少，代表產品之耐蝕性質較佳。結果顯示，實施例1~4所產出之品粒尺寸介於56μm~261μm的高鎳合金材料具有優良的耐蝕性質，於沸騰之50%(體積百分比)NaOH溶液中之腐蝕速率約為市售產品的0.7倍~0.9倍，於室溫/30%(體積百分比)HCl溶液中之腐蝕速率約為市售產品的1/2倍~4/5倍，於100℃/NH₄F溶液中之使用壽命可有效被延長約1.2倍-1.7倍。

綜上所述，本發明提出一種耐蝕高鎳合金的製造方法，在熱軋時採取適當的再加熱溫度、再加熱時間，並適時調整軋延率，將完軋溫度控制於710℃~1040℃之間，從而得到晶粒尺寸適宜、具有良好抗蝕性的材料。

雖然已以數種實施方式/實施例對本發明作說明如上，然而這些內容並非用以限制本發明，在本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

102、104、106‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種耐蝕高鎳合金的製造方法，包括：提供一高鎳合金鑄胚；於800℃~1200℃的溫度對該高鎳合金鑄胚進行加熱，並於該溫度持溫0.5小時~5小時；以及對該高鎳合金鑄胚進行一熱軋加工，以得到一高鎳合金材料，其中該熱軋加工的完軋溫度介於710℃~1040℃之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中該完軋溫度介於840℃~960℃之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中該高鎳合金材料的平均晶粒尺寸介於55μm~260μm之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中該高鎳合金材料的平均晶粒尺寸介於100μm~210μm之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中該熱軋加工包括4~9個軋延道次。
6. 如申請專利範圍第5項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中每一軋延道次的裁減率介於5%~70%之間。
7. 如申請專利範圍第5項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中每一軋延道次的裁減率介於15% ~70%之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之耐蝕高鎳合金的製造方法，其中該高鎳合金鑄胚包括：99.0wt%~99.9wt%的鎳；0wt%~0.15wt%的碳；0wt%~0.4wt%的鐵；0wt%~0.35wt%的錳0wt%~0.25wt%的銅；以及0wt%~0.36wt%的矽。
9. 一種耐蝕高鎳合金，其係利用如申請專利範圍第1項至第8項任一項所述之方法製得。