TW202020175A

TW202020175A - 高鎳合金及其製造方法

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Publication number: TW202020175A
Application number: TW107142543A
Authority: TW
Inventors: 李名言; 郭世明; 賴建霖
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-01
Also published as: TWI662136B

Abstract

本發明提供一種高鎳合金及其製造方法。於此製造方法中，配料係先被提供，並進行熔煉製程，以製得模鑄錠或連鑄胚料。然後，對模鑄錠或連鑄胚進行精煉製程，即可製得本發明之高鎳合金。由於配料具有特定含量的鈰，故所製得高鎳合金不具有氣孔缺陷，且特定含量的鈰亦可有效提升所製得高鎳合金之耐蝕性質。

Description

高鎳合金及其製造方法

本發明是關於一種高鎳合金及其製造方法，特別是關於一種含鈰的高鎳合金及其製造方法。

工業用高鎳合金產品係以鎳含量大於99.0wt%以上之鎳金屬稱之(一般也稱作工業用純鎳)，且此高鎳合金產品通常使用在低於315℃的溫度環境，如食品、人造纖維等含苛性鹼的環境，以保證所生產產品之純淨度。

習知為防止高鎳合金產生氣孔缺陷，通常會在熔煉時添加如碳、鐵、錳、矽等配料，以幫助除氣，而可避免產生氣孔缺陷。然而，當鎳含量提高時，前述可幫助除氣的碳、鐵、錳、矽等配料之添加量便相對減少，而使得高鎳合金凝固後易於內部產生氣孔缺陷。

有鑑於此，亟須提供一種高鎳合金及其製造方法，以解決上述問題。

因此，本發明之一態樣是提供一種高鎳合金，其係藉由添加特定含量的鈰，以製得高鎳合金。

本發明之另一態樣是提供一種高鎳合金，其由上述方法所製成，所得的含有特定鈰含量的高鎳合金於熔煉過程中不產生氣孔缺陷，且具有高耐蝕性質。

根據本發明之上述態樣，提出一種高鎳合金，包含99.7重量%至99.9重量%的鎳、0.003重量%至0.1重量%的鈰、0.002重量%至0.01重量%的碳、0.01重量%至0.1重量%的鐵；以及大於0重量%且小於0.3重量%之不可避免的雜質，雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。

依據本發明之一實施例，上述高鎳合金之鈰的含量為0.003重量%至0.08重量%。

依據本發明之一實施例，上述高鎳合金之鈰的含量為0.003重量%至0.061重量%。

依據本發明之一實施例，上述碳、鐵、錳及矽之總含量與鈰之含量的比值為2.0至50.0。

依據本發明之一實施例，上述碳、鐵、錳及矽之總含量與鈰之含量的比值為2.0至12.0。

根據本發明之另一態樣，提出一種高鎳合金的製造方法，包含提供配料，其中配料包含99.5重量%至99.9重量%的鎳、0.015重量%至0.14重量%的鈰、0.03重量%至0.04重量%的碳、0.01重量%至0.1重量%的鐵，以及平衡量之雜質，雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。接著，對配料進行熔煉製程，以製得模鑄錠或連鑄胚料，以及對模鑄錠或連鑄胚進行精煉製程，以製得高鎳合金。其中高鎳合金，包含99.7重量%至99.9重量%的鎳、0.003重量%至0.1重量%的鈰、0.002重量%至0.01重量%的碳、0.01重量%至0.1重量%的鐵，以及大於0重量%且小於0.3重量%之不可避免的雜質，雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。

依據本發明之一實施例，上述之熔煉製程包含燃料加熱爐熔煉製程、非真空電爐熔煉製程、真空感應熔煉爐熔煉製程或真空電弧熔煉爐熔煉製程。

依據本發明之一實施例，上述之精煉製程包含氬氣吹氧脫碳製程、真空吹氧脫碳製程、電渣重熔製程或真空電弧重熔製程。

依據本發明之一實施例，上述之高鎳合金的製造方法更包含對以精煉製程製得的高鎳合金進行熱加工或冷加工製程。

應用本發明之高鎳合金及其製造方法，其係將高鎳合金中添加特定含量的鈰，此含特定鈰含量的高鎳合金於熔煉過程中無氣孔缺陷的產生且具有高耐蝕性質。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供配料

120‧‧‧對配料進行熔煉製程，以製得模鑄錠或連鑄胚料

130‧‧‧對模鑄錠或連鑄胚進行精煉製程

140‧‧‧製得高鎳合金

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：〔圖1〕係繪示根據本發明一實施例之高鎳合金的製造方法100之流程圖。

〔圖2A〕及〔圖2B〕其係分別為實施例2及比較例2的高鎳合金，經緞軋後之組織的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)之照片。

承上所述，一種高鎳合金及其製造方法。其係將高鎳合金中添加特定含量的鈰，此含特定鈰含量的高鎳合金於熔煉過程中無氣孔缺陷的產生，且在酸性或鹼性的環境中，具有高耐蝕性質。

在一實施例中，本發明之高鎳合金包含99.7重量百分比(wt%)至99.9wt%的鎳、0.003wt%至0.1wt%的鈰、0.002wt%至0.01wt%的碳、0.01wt%至0.1wt%的鐵、以及大於0wt%且小於0.3wt%之不可避免的一雜質，該雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。

在上述實施例中，高鎳合金中的鎳含量為99.7wt%至99.9wt%。若鎳含量低於99.7wt%，則鎳金屬的純度不足，將無法符合高鎳合金所應用的產品對高鎳合金材料在耐蝕性質、高溫(瞬時)強度或潛變強度的要求。若鎳含量高於99.9wt%，則無法添加足夠的其他鎳以外的配料，以增加高鎳合金的機械性質或化學性質。

在上述實施例中，高鎳合金中鈰含量為0.003wt%至0.1wt%，其中以0.003wt%至0.08wt為宜，又以0.003wt%至0.061wt%為較佳。鈰可增加高鎳合金在酸性或鹼性的環境中的耐蝕性質。前述的酸性或鹼性的環境可例如：含苛性鹼(如KOH或NaOH等)之環境；苛性鹼與KClO₃或NaClO₃等的混合物之環境；含NH₄F、H₂SO₄、HCl、HF、NH₄或HNO₃等之環境；或者上述任意組合之環境。此外，添加鈰的高鎳合金在熔煉製程或精煉製程的過程中，鈰與氧作用形成氧化鈰(CeO₂)，而可避免高鎳合金之內部於凝固時產生氣孔缺陷。若鈰含量低於0.003wt%，則無法有效提升高鎳合金的耐蝕性質，且無法有效抑制高鎳合金之氣孔缺陷。若鈰含量高於0.1wt%，則將大幅提高成本，且高鎳合金的耐蝕性質並無明顯提升。

補充說明的是，鈰在含鉻或含鋁的高鎳合金中，是透過增加鉻氧化層或鋁氧化層的強度，而使高鎳合金之耐蝕性質提升。而本發明之高鎳合金不另外添加鉻及鋁，因此，並非透過前述的增加鉻氧化層或鋁氧化層強度提升高鎳合金的耐蝕性質。

在上述實施例中，高鎳合金中的碳含量為0.002wt%至0.01wt%。碳可幫助高鎳合金在熔煉時除氣，以防止氣孔缺陷。若碳含量低於0.002wt%，則無法有效除氣。若碳含量高於0.01wt%，則易使熔煉中的高鎳合金在高溫時發生晶間石墨化，造成高鎳合金的機械性能下降。

在上述實施例中，高鎳合金中的鐵含量為0.01wt%至0.1wt%。鐵亦可幫助高鎳合金在熔煉時除氣，以防止氣孔缺陷。若鐵含量低於0.01wt%，則無法有效除氣。若鐵含量高於0.1wt%，則影響高鎳合金的耐腐蝕性能。

在上述實施例中，高鎳合金中包含大於0wt%且小於0.3wt%之不可避免的雜質，前述的雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。其中錳及矽的功能如同碳及鐵，可提升高鎳合金的除氣效率。前述雜質含量不為0wt%。此外，若雜質含量高於0.3wt%，則將影響高鎳合金的耐蝕性質、高溫(瞬時)強度或潛變強度。

在一實施例中，碳、鐵、錳及矽之總含量與鈰含量的比值為2.0至50.0，較佳為2.0至12.0。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一實施例之高鎳合金的製造方法100之流程圖。首先，如方法100之步驟110所示，提供配料。此處的配料比例係利用稱重的方式計算而得，其中包含99.5wt%至99.9wt%的鎳；0.015wt%至0.14wt%的鈰；0.03wt%至0.04wt%的碳；0.01wt%至0.1wt%的鐵；以及平衡量之雜質，雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。補充說明的是，本發明之高鎳合金不另外加入鉻或鋁作為配料。

接著，如方法100之步驟120所示，對配料進行熔煉製程，以製得模鑄錠或連鑄胚料。在一實施例中，熔煉製程可例如為燃料加熱爐熔煉製程、非真空電爐(Electric Arc Furnace，EAF)熔煉製程、真空感應熔煉爐(Vacuum induction melting，VIM)熔煉製程或真空電弧熔煉爐(Vacuum arc melting，VAM)熔煉製程等。

然後，如方法100之步驟130所示，對模鑄錠或連鑄胚進行精煉製程。在一實施例中，精煉製程可例如為氬氣吹氧脫碳(Argon Oxygen Decarbonization，AOD)製程、真空吹氧脫碳(Vacuum Oxygen Decarbonization，VOD)製程、電渣重熔(electroslag remelting，ESR)製程、真空電弧重熔(Vacuum arc remelting，VAR)製程等。經過精煉製程的可使後續得到的高鎳合金組織均勻，無粗大之夾雜物，且加工性能良好。藉由上述的熔煉製程及前述的精煉製程，可控制各個成分的配料熔煉成為在目標成份的區間內。

之後，如方法100之步驟140所示，製得高鎳合金。在此實施例中，高鎳合金包含99.7wt%至99.9wt%的鎳、0.003wt%至0.1wt%的鈰、0.002wt%至0.01wt%的碳、0.01wt%至0.1wt%的鐵、以及大於0wt%且小於0.3wt%之不可避免的雜質，雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。此製得的高鎳合金具有高耐蝕性質且無氣孔缺陷。

在其他實施例中，可視高鎳合金表面情況，選擇性地進行表面精整步驟，表面精整步驟可例如裁切、研磨及/或削皮等，以確保後續熱加工或冷加工前之高鎳合金的品質。

在一實施例中，可選擇對上述之以精煉製程製得的高鎳合金進行熱加工或冷加工製程，以產出鍛件、板、捲、棒、線及/或管等產品，以利各類型之工業應用。前述的熱加工或冷加工製程可例如緞打、軋延、抽線、穿管、銲接製管。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明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。

實施例1

首先，實施例1提供配料包含99.714wt%的鎳、0.021wt%的鈰、0.1wt%的鐵、0.1wt%的錳、0.01wt%的矽、0wt%的銅、0wt%的鈷、0.035wt%的碳及0wt%的硫。接著，請參閱表1，其係實施例1~2和比較例1~2之高鎳合金的熔煉/精煉製程與成分。實施例1以非真空電爐及氬氣吹氧脫碳製程分別進行熔煉製程及精煉製程，可防止鈰大量氧化，以獲得高鎳合金。

實施例1所製得的高鎳合金包含99.8wt%的鎳、0.003wt%的鈰、0.04wt%的鐵、0.06wt%的錳、0.02wt%的矽、0.008wt%的銅、0.03wt%的鈷、0.004wt%的碳及0.0007wt%的硫。

實施例2

首先，實施例2提供配料包含99.583wt%的鎳、0.132wt%的鈰、0.1wt%的鐵、0.1wt%的錳、0.02wt%的矽、0wt%的銅、0wt%的鈷、0.04wt%的碳及0wt%的硫。接著，請再參閱表1，實施例2以真空感應熔煉爐及電渣重熔製程分別進行熔煉製程及精煉製程，以獲得高鎳合金。

實施例2所製得的高鎳合金鑄包含99.77wt%的鎳、0.061wt%的鈰、0.04wt%的鐵、0.06wt%的錳、0.04wt%的矽、0.005wt%的銅、0.03wt%的鈷、0.005wt%的碳及0.0011wt%的硫。

比較例1

首先，比較例1之配料為市售Nickel 201(UNS N02201)。接著，請繼續參閱表1，比較例1以非真空電爐及氬氣吹氧脫碳製程分別進行熔煉製程及精煉製程，以獲得高鎳合金。

比較例1所製得的高鎳合金鑄包含99.55wt%的鎳、0.12wt%的鐵、0.1wt%的錳、0.1wt%的矽、0.01wt%的銅、0.03wt%的鈷、0.05wt%的碳及0.0012wt%的硫。

比較例2

首先，比較例2之配料為市售較高純度之Nickel 201。接著，請再次參閱表1，比較例2以真空感應熔煉爐及電渣重熔製程分別進行熔煉製程及精煉製程，以獲得高鎳合金。

比較例2所製得的高鎳合金包含99.81wt%的鎳、0.04wt%的鐵、0.04wt%的錳、0.05wt%的矽、0.002wt%的銅、0.04wt%的鈷、0.004wt%的碳及0.001wt%的硫。

腐蝕試驗

腐蝕試驗是藉由腐蝕速率及腐蝕率判斷高鎳合金的耐蝕性質。較低的腐蝕速率或腐蝕率代表高鎳合金具有較佳之耐蝕性質。

首先，將實施例1~2和比較例1~2所製得高鎳合金緞軋成厚度20mm的高鎳合金板材。然後研磨高鎳合金板材以進行表面拋光。接著將研磨後的高鎳合金板材浸泡於不同酸鹼溶液中1至2週，期間每天或每兩天取出稱重。藉由檢測高鎳合金板材受腐蝕的減薄量及單位面積的失重，分別計算腐蝕速率及腐蝕率。

請參閱表2，其係實施例1~2和比較例1~2浸泡於不同溶液中之腐蝕試驗結果，其中比較例1為一般市售產品Nickel 201(UNS N02201)，比較例2為市售較高純度之Nickel 201。

由表2之結果顯示，實施例1~2之添加鈰為配料的高鎳合金具有優良的耐蝕性質，相較於未之添加鈰為配料的比較例1~2，實施例1~2於沸騰之50%(體積百分比)NaOH溶液中之腐蝕速率約為比較例1~2的0.29倍至0.43倍。實施例1~2於沸騰之80%(體積百分比)NaOH及500ppm NaClO₃溶液中之腐蝕速率約為比較例1~2的0.18倍至0.22倍。實施例1~2於室溫30%(體積百分比)HCl溶液中之腐蝕速率約為比較例1~2的2.74倍至3.42倍。實施例1~2於100℃、40%(體積百分比)NH₄F溶液中之使用壽命可有效被延長約1.72倍至3.39倍。

因此，由上述之結果可知，添加鈰的高鎳合金除可增加在鹼性環境中的耐蝕性質外，亦能增加在酸性環境中的耐蝕性質。故當工業製程中，同時對高鎳合金進行鹼/酸洗，可避免高鎳合金受到腐蝕。

氣孔缺陷試驗

在製造高鎳合金的過程中，於熔煉製程或精煉製程時容易使高鎳合金發生氣孔。尤其是將鎳的純度提高，則有助於脫氣的錳、鐵及碳等配料的添加量則隨之降低，此將導致高鎳合金於凝固後內部發生孔洞缺陷。

因此，將實施例2及比較例2所製得高鎳合金緞軋成厚度20mm的高鎳合金板材。利用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察實施例2及比較例2之經緞軋後的高鎳合金之組織，以分析高鎳合金在熔煉製程或精煉製程是否發生氣孔。如有氣孔的產生，則將造成高鎳合金不利於後續的加工。

請參閱圖2A及圖2B，其係分別為實施例2及比較例2的高鎳合金經緞軋後之組織的SEM之照片。其中，圖2A之比例尺為100μm，而圖2B之比例尺為20μm。

由圖2A顯示，實施例2之添加鈰為配料的高鎳合金，並無發生氣孔缺陷，具有良好的品質。由圖2B顯示，比較例2之未添加鈰為配料的高鎳合金，具有大小不一的氣孔缺陷，對於後續的加工有不良的影響。

由上述實施例可知，本發明之高鎳合金及其製造方法，其優點在於將高鎳合金中添加特定含量的鈰，此含特定含量鈰的高鎳合金於熔煉過程中無氣孔缺陷的產生，且在酸性或鹼性的環境中，具有高耐蝕性質。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，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

110‧‧‧提供配料

120‧‧‧對配料進行熔煉製程，以製得模鑄錠或連鑄胚料

130‧‧‧對模鑄錠或連鑄胚進行精煉製程

140‧‧‧製得高鎳合金

Claims

一種高鎳合金，包含：99.7重量%至99.9重量%的鎳；0.003重量%至0.1重量%的鈰；0.002重量%至0.01重量%的碳；0.01重量%至0.1重量%的鐵；以及大於0重量%且小於0.3重量%之不可避免的一雜質，該雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。
如申請專利範圍第1項所述之高鎳合金，其中該高鎳合金之該鈰的含量為0.003重量%至0.08重量%。
如申請專利範圍第2項所述之高鎳合金，其中該高鎳合金之該鈰的含量為0.003重量%至0.061重量%。
如申請專利範圍第1項所述之高鎳合金，其中該碳、該鐵、該錳及該矽之一總含量與該鈰之一含量的一比值為2.0至50.0。
如申請專利範圍第4項所述之高鎳合金，其中該碳、該鐵、該錳及該矽之該總含量與該鈰之該含量的該比值為2.0至12.0。
一種高鎳合金的製造方法，包含：提供一配料，其中該配料包含： 99.5重量%至99.9重量%的鎳；0.015重量%至0.14重量%的鈰；0.03重量%至0.04重量%的碳；0.01重量%至0.1重量%的鐵；以及平衡量之一雜質，該雜質至少包含錳、矽、鈷及銅；對該配料進行一熔煉製程，以製得一模鑄錠或一連鑄胚料；以及對該模鑄錠或該連鑄胚進行一精煉製程，以製得一高鎳合金，其中該高鎳合金，包含：99.7重量%至99.9重量%的鎳；0.003重量%至0.1重量%的鈰；0.002重量%至0.01重量%的碳；0.01重量%至0.1重量%的鐵；以及大於0重量%且小於0.3重量%之不可避免的一雜質，該雜質至少包含錳、矽、鈷及銅。
如申請專利範圍第6項所述之高鎳合金的製造方法，其中該熔煉製程包含一燃料加熱爐熔煉製程、一非真空電爐熔煉製程、一真空感應熔煉爐熔煉製程或一真空電弧熔煉爐熔煉製程。
如申請專利範圍第6項所述之高鎳合金的製造方法，其中該精煉製程包含一氬氣吹氧脫碳製程、一真空吹氧脫碳製程、一電渣重熔製程或一真空電弧重熔製程。
如申請專利範圍第6項所述之高鎳合金的製造方法，更包含對以該精煉製程製得的該高鎳合金進行一熱加工或一冷加工製程。