TWI518183B - Corrosion resistant high nickel alloy and its manufacturing method - Google Patents

Description

耐蝕高鎳合金及其製造方法

本發明係關於一種合金，特別係關於一種耐蝕高鎳合金及其製造方法。

鎳金屬屬於高熔點(約1453℃)之材料，其在熔點溫度以下均為穩定之面心立方結構，且容易以固溶方式容納其他合金元素，使其不僅具有優良之延展性，其導電與導熱性亦佳，且常溫具磁性，故工業上的應用十分廣泛。表1所示為純鎳之基本性質。

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，一般也常稱作工業用純鎳，通常使用在低於315℃的溫度環境，如食品、人造纖維等苛性鹼環境使用，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，通常會在熔煉鎳金屬時添加如碳、鐵、錳、矽等元素，以幫助除氣。然而，添加該等元素雖可減少氣孔缺陷產生，卻會對高鎳合金之性質產生不利之影響。如碳之添加會使合金材料易在高溫時發生晶間石墨化，造成機械性能下降，且耐蝕性質亦會隨鐵、錳、矽等雜質元素之添加而大幅下降。

因此，有必要提供一創新且具進步性之耐蝕高鎳合金及其製造方法，以解決上述問題。

本發明提供一種耐蝕高鎳合金，以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅。

本發明另提供一種耐蝕高鎳合金之製造方法，包括以下步驟：提供一合金配料，該合金配料以總重為100wt%計算，包括99.5~99.9wt%的鎳、0.05~0.3wt%的鈦、0.005~0.1wt%的碳及其餘之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅；及熔煉該合金配料，以製得耐蝕高鎳合金，該耐蝕高鎳合金以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素。

本發明藉由添加少量鈦元素，可於高鎳合金晶粒內部形成碳、錳、鐵及矽等雜質聚集之二次相，以降低晶界上碳含量及合金內整體之雜質濃度，進而防止晶間石墨化及提高合金之耐蝕性質。

為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

S11~S12‧‧‧步驟

圖1顯示本發明耐蝕高鎳合金之製造方法流程圖；圖2顯示發明例2之含鈦高鎳合金於低倍率電子顯微鏡觀察下呈現等軸晶粒組織之照片；及圖3顯示發明例2之含鈦高鎳合金於高倍率電子顯微鏡觀察下晶粒內分佈之二次相照片(a)及其EDX成份分析結果(b)。

本發明提供一種耐蝕高鎳合金，以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅。

在本實施例中，為增加合金之耐蝕性，較佳地，鈦之含量係大於矽之含量。

此外，為進一步防止高鎳合金產生氣孔缺陷，有必要提高熔煉高鎳合金時之除氣效率。因此，在本實施例中，該雜質元素除上述之錳、鐵、矽、鈷及銅之外，可另包括硫或鋅，且較佳地，硫或鋅之含量皆應小於鈦之含量，以提高熔煉高鎳合金時之除氣效率。

圖1顯示本發明耐蝕高鎳合金之製造方法流程圖。參閱圖1之步驟S11，提供一合金配料，該合金配料以總重為100wt%計算，包括99.5~99.9wt%的鎳、0.05~0.3wt%的鈦、0.005~0.1wt%的碳及其餘之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅。在此步驟中，為增加合金之耐蝕性，較佳地，鈦之含量係大於矽之含量。

此外，為提高後續熔煉高鎳合金時之除氣效率，以進一步防止高鎳合金產生氣孔缺陷，該雜質元素除上述之錳、鐵、矽、鈷及銅之外，可另包括硫或鋅，且較佳地，硫或鋅之含量皆應小於鈦之含量，以提高熔煉高鎳合金時之除氣效率。

參閱步驟S12，熔煉該合金配料，以製得耐蝕高鎳合金，該耐蝕高鎳合金以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素。

在此步驟中，熔煉方法係可選自如下的其中一種：燃料加熱爐熔煉、非真空電爐(Electric Arc Furnace,EAF)熔煉、真空感應爐(Vacuum Induction Melting,VIM)熔煉及真空電弧爐(Vacuum Arc Melting,VAM)熔煉。

此外，在步驟S12之後可另包括對該耐蝕高鎳合金進行一精鍊步驟，以增進合金成份與組織之均勻性。較佳地，精鍊方法係可選自如下的其中一種：氬氣吹氧脫碳(Argon Oxygen Decarburization,AOD)、真空吹氧脫碳(Vacuum Oxygen Decarburization,VOD)、電渣重熔(electroslag remelting,ESR)及真空電弧重熔(Vacuum arc remelting,VAR)。

在本實施例中，該電渣重熔精鍊方法可包括添加一含鈦渣料進行精煉，以因應鈦在電渣重熔時發生燒損之情況。較佳地，該含鈦渣料係含3-20%之TiO₂(二氧化鈦)，且該含鈦渣料係可選擇包含CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂(氟化鈣-氧化鈣-氧化鎂-氧化鋁-二氧化矽-二氧化鈦)之渣系。

再者，為確保該耐蝕高鎳合金之表面品質符合後續加工應用之要求，在該精鍊步驟之後可另包括對該耐蝕高鎳合金進行一表面處理步驟。在本實施例中，該表面處理步驟可包括裁切、研磨及削皮等表面精整程序。

本發明藉由添加少量鈦元素，可於高鎳合金晶粒內部形成碳、 錳、鐵及矽等雜質聚集之二次相，以降低晶界上碳含量及合金內整體之雜質濃度，進而防止晶間石墨化及提高合金之耐蝕性質。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

[發明例1]

依據表2之秤重配料方式，將各個元素之原料熔煉後成為目標成份區間內之高鎳合金胚料，胚料可在電爐熔煉後經氬氣吹氧脫碳而得。接著進行表面處理步驟，可視鑄胚表面情況進行包括裁切，研磨、削皮等表面精整，以確保在加工前鑄胚的表面品質。

[發明例2]

依據表3之配料方式，胚料可在電爐熔煉後經電渣重熔(ESR)精煉而成，因鈦在電渣重熔時易發生燒損，故可添加含鈦渣料，而該含鈦渣料係選擇包含CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂之渣系，以確保合金鑄錠中之鈦含量。通常精煉後之合金胚之組織均勻，無粗大之夾雜物，加工性質良好，故適合鍛造或軋延等成型方式。接著進行表面處理步驟，可視鑄胚表面情況進行包括裁切，研磨、削皮等表面精整，以確保在加工前鑄胚的表面品質。

本發明之比較例1係選用Ni 200，其成份為99.5Ni-0.15Fe-0.1Mn-0.1Si-0.05C-0.03Co；而比較例2係選用Ni 201，其成份為99.75Ni-0.08Fe-0.07Mn-0.01Si-0.02C-0.05Co。

表4為發明例1、發明例2、比較例1及比較例2於不同溶液中之浸泡腐蝕試驗結果。表4中腐蝕速率越低或浸泡失重越少，代表合金之耐蝕性質越佳。

表4之結果顯示比較例1與比較例2之腐蝕速率差異不大，顯示當鎳含量高於99.5wt%時，不易明確判讀微小鎳含量的差異對高鎳合金抵抗腐蝕能力之影響。然而，發明例1及發明例2之高鎳合金在添加鈦元素之後，其腐蝕速率不僅明顯降低，其浸泡失重亦大幅減少，證明含鈦高鎳合金確實具有極佳之耐蝕性。

圖2顯示發明例2之含鈦高鎳合金於低倍率電子顯微鏡觀察下呈現等軸晶粒組織之照片。圖3顯示發明例2之含鈦高鎳合金於高倍率電子顯微鏡觀察下晶粒內分佈之二次相照片(a)及其EDX成份分析結果(b)。圖2及圖3顯示含鈦高鎳合金特有之碳氧化物二次相，此類介在物利用鈦對碳、氧等元素具有之較高結合能力，而將該等不利耐蝕性之元素(如碳、氧、錳、鐵、矽等)集中在晶粒內部之二次相內，以有效降低基材及其易被腐蝕晶界中之雜質含量，進而達到增進耐蝕性之結果。

此外，比較表2與表3中之鈦損失量，亦可得知發明例2使用含鈦渣料進行電渣重熔製程，確實可降低鈦在精煉時之燒損，並可因電渣重熔之作用而避免雜質偏析，使二次相之分佈更為均勻，進而得到如表4所示之良好耐蝕性結果。

本發明之耐蝕高鎳合金可於後續經鍛打、軋延、抽線等熱加工或冷加工方法，形成板、捲、棒、線等產品，以利各類型之工業應用。此外，本發明之耐蝕高鎳合金亦可應用於KOH、NaOH等苛性鹼環境及含有NH₄F、H₂SO₄、HCl、HF、NH₄、HNO₃或其混合物之酸、鹼環境。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

S11~S12‧‧‧步驟

Claims (16)

1. 一種耐蝕高鎳合金，以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅。
2. 如請求項1之耐蝕高鎳合金，其中鈦之含量大於矽之含量。
3. 如請求項1之耐蝕高鎳合金，其中銅之含量小於鈦之含量。
4. 如請求項1之耐蝕高鎳合金，其中該雜質元素另包括硫，且硫之含量小於鈦之含量。
5. 如請求項1之耐蝕高鎳合金，其中該雜質元素另包括鋅，且鋅之含量小於鈦之含量。
6. 一種耐蝕高鎳合金之製造方法，包括以下步驟：(a)提供一合金配料，該合金配料以總重為100wt%計算，包括99.5~99.9wt%的鎳、0.05~0.3wt%的鈦、0.005~0.1wt%的碳及其餘之雜質元素，該雜質元素至少包括錳、鐵、矽、鈷及銅；及(b)熔煉該合金配料，以製得耐蝕高鎳合金，該耐蝕高鎳合金以總重為100wt%計算，包括99.6~99.9wt%的鎳、0.03~0.12wt%的鈦、0.003~0.02wt%的碳以及其餘總重小於0.3wt%之雜質元素。
7. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中步驟(a)之該合金配料之鈦之含量大於矽之含量。
8. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中步驟(a)之銅之含量小於鈦之含量。
9. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中步驟(a)之該雜質元素另包括硫，且硫之含量小於鈦之含量。
10. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中步驟(a)之該雜質元素另包括鋅，且鋅之含量小於鈦之含量。
11. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中步驟(b)之熔煉方法選自如下的其中一種：燃料加熱爐熔煉、非真空電爐熔煉、真空感應爐熔煉及真空電弧爐熔煉。
12. 如請求項6之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中在步驟(b)之後另包括對該耐蝕高鎳合金進行一精鍊步驟，而精鍊方法選自如下的其中一種：氬氣吹氧脫碳、真空吹氧脫碳、電渣重熔及真空電弧重熔。
13. 如請求項12之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中在該精鍊步驟之後另包括對該耐蝕高鎳合金進行一表面處理步驟。
14. 如請求項12之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中該電渣重熔精鍊方法包括添加一含鈦渣料進行精煉。
15. 如請求項14之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中該含鈦渣料係含3-20%之TiO₂。
16. 如請求項14之耐蝕高鎳合金之製造方法，其中該含鈦渣料係選擇包含CaF₂-CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂之渣系。