TWI648411B - 沃斯田鐵系合金及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種沃斯田鐵系合金及其製造方法，藉由添加特定含量的鉬，而使沃斯田鐵系合金在應用溫度下可析出含鉬的碳化鈦析出物，藉以獲得優異的高溫持久性能。

Description

沃斯田鐵系合金及其製造方法

本發明是關於一種沃斯田鐵系合金及其製造方法，特別是關於一種具有高溫持久性能的沃斯田鐵系合金及其製造方法。

常見的沃斯田鐵系合金包括鎳基合金(例如，Alloy 800H、825、A-286、625、718及Nimonic 75)、鎳銅合金(例如，Alloy 400、500K)及沃斯田鐵系不鏽鋼(例如，309、310及321不鏽鋼)。由於添加較大量的鎳元素，故沃斯田鐵系合金主要為面心立方(face center cubic；FCC)結構。沃斯田鐵系合金可用於需要高溫機械性質的場合，例如，發動機之組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐外罩、石化廠之管線等。

一般而言，工件在應力作用下，須具有良好的抗潛變性質，始可延長工件的使用壽命。因此，沃斯田鐵系合金工件經常藉由添加鈦元素，例如合金800H包含0.15重量%至0.60重量%的鈦元素，而可在使用溫度(例如500℃至950℃)下形成有利於抗潛變性質的析出相，例如Ti(C,N) 及Ni₃Ti。Ti(C,N)包含在熔煉階段所產生之含氮量較高的氮化鈦(TiN)顆粒，其平均粒徑為3.0μm至30μm；以及在熱加工/熱處理或高溫應用時所產生之碳化鈦(TiC)析出物，其平均粒徑為0.1μm至3.0μm，其中碳化鈦對於工件之抗潛變性質貢獻較大。補充說明的是，析出相對於工件抗潛變性質的影響係由於，在工件顯微組織中的差排(dislocation)移動會導致合金的變形，當工件中具有析出相時，析出相會阻擋差排的移動；或當工件中具有複數個差排時，差排會阻擋另一相鄰差排的移動，故可使工件具有較佳的抗潛變性質。

習知增加沃斯田鐵系合金之高溫抗潛變性質的方法係藉由增加鈦的添加量或提高鈦含量/碳含量的比值，以增加碳化鈦的析出物。當碳化鈦的析出量固定時，降低析出物之粒徑及增加析出物顆粒數量，可達到增進沃斯田鐵系合金的高溫抗潛變性質。

沃斯田鐵系合金的製造可先利用熔煉製程，例如以燃料加熱爐熔煉、非真空電爐(Electric Arc Furnace，EAF)熔煉、真空感應熔煉爐(Vacuum induction melting，VIM)或真空電弧熔煉爐(Vacuum arc melting，VAM)等進行熔煉，以形成合金胚料，其中合金胚料可例如模鑄鑄錠或連鑄胚料。在熔煉製程後，前述合金胚料可選擇性地進行精煉製程，例如氬氣吹氧脫碳(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)等。接著，上述所得之模鑄鑄錠或連鑄胚料進行熱加工，針對不同需求，可形成板狀、塊狀、棒狀、管狀、片狀等各種外型的產品。

一般而言，添加較高鈦含量的合金較不易進行熔煉，通常須利用真空感應熔煉爐或真空電弧重熔的真空製程進行熔煉，以防止鈦元素在非真空熔煉過程中發生氧化反應及/或氮化反應，進而導致合金中的鈦含量大幅損失，或在製程中因二次熔煉形成過多氧化物及/或氮化物，進而導致缺陷或熔鑄失敗。然而，真空熔煉之設備取得不易，且真空熔煉須耗費較高成本。

有鑑於此，亟須提供一種沃斯田鐵系合金及其製造方法，在合金不須添加大量鈦元素之情形下，仍可產生大量的析出物，以使沃斯田鐵系合金具有優異的高溫持久性能。

本發明之一態樣是提供一種沃斯田鐵系合金，其係藉由添加特定含量的鉬，以在應用溫度下析出特定粒徑之含鉬的碳化鈦析出物，而具有優異高溫持久性能的沃斯田鐵系合金。

本發明之另一態樣是提供一種沃斯田鐵系合金的製造方法，其係對具有特定鉬含量的原料進行熔煉製程，以在應用溫度下析出含鉬的碳化鈦析出物，而製得具有優異 高溫抗潛變性質的沃斯田鐵系合金。

根據本發明之一態樣，提供一種沃斯田鐵系合金，其係包含5重量%至75重量%的鐵、7重量%至75重量%的鎳、15重量%至25重量%的鉻、0.3重量%至1.0重量%的鉬、0.05重量%至0.15重量%的碳、0.2重量%至0.8重量%的鈦以及大於0重量%且小於2.0重量%的不可避免的雜質。沃斯田鐵系合金可在500℃至950℃時析出含鉬的碳化鈦析出物，且含鉬的碳化鈦析出物之平均粒徑係小於50奈米。

根據本發明之一實施例，上述沃斯田鐵系合金之鈦含量與碳含量的比值為3至8。

根據本發明之一實施例，上述含鉬的碳化鈦析出物之鉬含量大於沃斯田鐵系合金之鉬含量。

根據本發明之一實施例，以上述含鉬的碳化鈦析出物的含量為100重量%，含鉬的碳化鈦析出物包含2.0重量%至6.0重量%的鉬。

根據本發明之一實施例，上述含鉬的碳化鈦析出物之平均粒徑為3奈米至20奈米。

根據本發明之一實施例，上述不可避免的雜質包含錳、矽、鋁、銅、鈮及鎢。

根據本發明之另一態樣，提供一種沃斯田鐵系合金的製造方法，其係包含提供原料，以及對原料進行熔煉製程，以製得沃斯田鐵系合金。原料包含5重量%至75重量%的鐵、7重量%至75重量%的鎳、15重量%至25重量%的 鉻、0.3重量%至1.0重量%的鉬、0.05重量%至0.15重量%的碳、0.2重量%至0.8重量%的鈦以及大於0重量%且小於2.0重量%的不可避免的雜質。製得之沃斯田鐵合金可在500℃至950℃時析出含鉬的碳化鈦析出物，且含鉬的碳化鈦析出物之平均粒徑係小於50奈米。

根據本發明之一實施例，上述原料之鈦含量大於0.5重量%時，熔煉製程包含真空感應熔煉法及真空電弧熔煉法。

根據本發明之一實施例，在上述熔煉製程後，更包含對沃斯田鐵系合金進行真空吹氧脫碳製程、電渣重熔製程或真空電弧重熔製程。

根據本發明之一實施例，當上述原料之鈦含量小於0.5重量%時，熔煉製程包含燃料加熱爐熔煉法及非真空電爐熔煉法。

應用本發明之沃斯田鐵系合金及其製造方法，藉由添加特定含量的鉬，而使沃斯田鐵系合金在應用溫度下可析出含鉬的碳化鈦析出物，藉以獲得優異的高溫持久性能。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供原料之步驟

120‧‧‧對原料進行熔煉製程，以製得沃斯田鐵系合金之步驟

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沃斯田鐵系合金的製造方法的部分流程圖。

[圖2A]係繪示實施例1、實施例2及比較例的板材進行第一潛變試驗的潛變曲線圖。

[圖2B]係繪示實施例1、實施例2及比較例的板材進行第二潛變試驗的潛變曲線圖。

[圖3A]及[圖3B]係分別顯示實施例1及比較例的HRTEM影像。

[圖4A]及[圖4B]係分別顯示實施例1及比較例的EDX圖譜。

承前所述，本發明提供一種沃斯田鐵系合金及其製造方法，藉由添加特定含量的鉬，而使熔煉製程後所獲得之沃斯田鐵系合金可在應用溫度下析出含鉬的碳化鈦析出物，以製得具有優異高溫持久性能的沃斯田鐵系合金，以具有優異的高溫抗潛變(creep resistance)性質。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一實施例之沃斯田鐵系合金的製造方法100的部分流程圖。首先，進行步驟110，提供原料。在一實施例中，原料係包含5重量%至75重量%的鐵、7重量%至75重量%的鎳、15重量%至25重量%的鉻、0.3重量%至1.0重量%的鉬、0.05重量%至0.15重量%的碳、0.2重量%至0.8重量%的鈦以及大於0重量%且小於2.0重量%的不可避免的雜質，其中鉬含量較佳為0.5重量%至1.0重量%。在一實施例中，鈦含量與碳含量的比值為3至8，較佳為5至8。在一實施例中，前述不可避免的雜質包 含錳、矽、鋁、銅、鈮及鎢。

接著，進行步驟120，對上述原料進行熔煉製程，以製得沃斯田鐵系合金。在一實施例中，熔煉製程包含燃料加熱爐熔煉、非真空電爐(Electric Arc Furnace，EAF)熔煉、真空感應熔煉爐(Vacuum induction melting，VIM)或真空電弧熔煉爐(Vacuum arc melting，VAM)。在一實施例中，在熔煉製程後，可選擇性地進行氬氣吹氧脫碳(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)的精煉製程。

在一實施例中，若原料中的鈦含量較低，例如小於0.5重量%時，可進行燃料加熱爐熔煉或非真空電爐熔煉，以獲得鑄錠。接著，可選擇性地進行氬氣吹氧脫碳，以精煉而獲得合金模鑄錠或連鑄胚料。在另一實施例中，若原料中的鈦含量較高，例如大於0.5重量%時，可以真空感應熔煉爐或真空電弧熔煉爐進行熔煉製程，以獲得鑄錠。接著，可選擇性地進行真空吹氧脫碳、電渣重熔或真空電弧重熔的精煉製程，防止過度的氧化反應及/或氮化反應發生，而導致鈦元素的損耗，以確保合金鑄錠中具有適當的鈦含量。

在一實施例中，在熔煉製程後，可選擇性地對所製得之沃斯田鐵系合金胚料進行表面處理步驟，根據鑄胚的表面情況進行精整，例如裁切、研磨或削皮，以確保進行 加工前之鑄胚的表面品質。然後，將沃斯田鐵系合金鑄胚進行後續之鍛打、軋延或抽線等熱加工或冷加工方法，而形成板狀、塊狀、棒狀、管狀、片狀等外型的產品，以做為各類型的工業應用。在一實施例中，在前述產品進行應用前，可進行熱處理步驟，以確保產品的組織和性能良好，其中熱處理步驟可在900℃至1250℃的溫度下進行，並持溫3分鐘至120分鐘。

利用方法100所製得之沃斯田鐵系合金具有較高含量的鉬，例如0.3重量%至1.0重量%。因此，在應用溫度時，可析出含鉬的碳化鈦析出物，其中此應用溫度為500℃至950℃，較佳是在600℃至900℃。在一實施例中，在應用溫度下析出之含鉬的碳化鈦析出物之鉬含量係高於沃斯田鐵系合金的鉬含量。在一實施例中，以含鉬的碳化鈦析出物的重量為100重量%時，含鉬的碳化鈦析出物中的鉬含量為2%至6%。由於含有較高含量的鉬，故可細化析出物的顆粒尺寸。在一實施例中，含鉬的碳化鈦析出物的平均粒徑係小於50奈米，較佳為3奈米至20奈米，且數量較多。另外，相較於習知的碳化鈦析出物之外觀為接近圓形，含鉬的碳化鈦析出物之外觀則接近方形，且分布更為均勻。由於合金的變形係差排(dislocation)移動所導致，若合金中可具有較多數量的析出物時，對於差排移動的阻擋效果會更顯著，故可使合金具有較佳的抗潛變性質。

因此，藉由上述之含鉬的碳化鈦析出物的特性，可大幅提升沃斯田鐵系合金的高溫持久性能。應理解的 是，在此所述之高溫持久性能包括於500℃至950℃下的潛變性質(creep property)及應力破斷性質(stress rupture property)。換言之，本發明之沃斯田鐵系合金在不須添加高含量的鈦且不限制需具有高比值的鈦含量/碳含量比值的情況，可在高溫環境下具有優異的抗潛變性質，進而延長材料的使用壽命。再者，由於可不添加高含量的鈦元素，可利用非真空的熔煉製程製作沃斯田鐵系合金胚料，故可降低生產成本。

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，提供添加0.62重量%的鉬之原料，其成分含量還包含0.066重量%的碳、0.45重量%的鈦、0.23重量%的矽、0.7重量%的錳、32重量%的鎳、21重量%的鉻、0.38重量%的鋁、平衡量的鐵及不可避免的雜質，其中鈦含量對碳含量的比值為6.82。接著，以非真空電爐熔煉，對原料進行熔煉製程，並以氬氣吹氧脫碳進行精煉，以獲得合金胚料。

然後，將上述合金胚料經鍛造並軋延成厚度8mm的板材後，在溫度1140℃下進行熱處理20分鐘至30分鐘，以控制板材的晶粒尺寸為約100μm。

實施例2及比較例

實施例2使用之原料包含0.96重量%的鉬、 0.068重量%的碳、0.52重量%的鈦、0.25重量%的矽、0.7重量%的錳、31重量%的鎳、21重量%的鉻、0.40重量%的鋁、平衡量的鐵及不可避免的雜質，其中鈦含量對碳含量的比值為7.65。比較例使用之原料不額外添加鉬，故原料中僅具有0.06重量%的鉬，另外還包含0.074重量%的碳、0.61重量%的鈦、0.28重量%的矽、0.7重量%的錳、32重量%的鎳、22重量%的鉻、0.41重量%的鋁、平衡量的鐵及不可避免的雜質，其中鈦含量對碳含量的比值為8.24。

實施例2及比較例由於鈦元素的含量相對較高(大於0.5重量%)，故利用真空感應熔煉爐對原料進行熔煉製程。接著，利用電渣重熔進行精煉，並於精煉製程中以氬氣保護合金電極錠及熔融合金，防止過度的氧化反應及氮化反應發生。接著，將獲得之合金胚料以與實施例1相同的製程製成具有與實施例1之晶粒尺寸相近的板材。

潛變試驗

對上述實施例1、實施例2及比較例的板材進行潛變試驗，其中潛變試驗係以二種測試條件進行。第一潛變試驗係將板材置於815℃之溫度下，施加70MPa的應力；第二潛變試驗係將板材置於650℃之溫度下，施加200MPa的應力。一般而言，溫度愈高及/或施加應力愈大時，板材的潛變應變愈大，也愈容易被拉斷。

請參閱圖2A及圖2B，其係分別繪示實施例1、實施例2及比較例的板材進行第一潛變試驗及第二潛變試驗的潛變曲線圖。潛變曲線圖之橫軸為潛變壽命，縱軸為潛 變應變，其中潛變應變係定義為板材之長度變化量與原始長度的百分比。如圖2A及圖2B所示，實施例1及實施例2之板材皆具有優於比較例之板材的高溫抗潛變性質。再者，由圖2A中可看出，在第一潛變試驗中，實施例1的潛變壽命為1245小時，實施例2的潛變壽命為1423小時，而比較例的潛變壽命僅為268小時。由圖2B中可看出，在第二潛變試驗中，實施例1的潛變壽命為1473小時，實施例2的潛變壽命為1574小時，而比較例的潛變壽命僅為250小時。須理解的是，在此所定義之潛變壽命是在特定潛變試驗的條件下，板材被拉斷所需耗費的時間。

由潛變試驗的結果可知，實施例1及實施例2的沃斯田鐵系合金之潛變壽命為比較例的沃斯田鐵系合金之潛變壽命的4.6倍至6.2倍。再者，實施例1添加的鉬含量較實施例2添加的鉬含量低，然而，實施例1的潛變壽命與實施例2的潛變壽命並不具有顯著差異。換言之，僅需添加少量的鉬元素，即可對沃斯田鐵系合金的抗潛變性質有大幅強化的效果，故可節省合金並降低製程成本。

特徵試驗

將實施例1及比較例的板材在進行完上述第一潛變試驗後，分別以高解析度穿透式電子顯微鏡(high-resolution transmission electron microscopy，HRTEM)觀察影像，並利用能量色散X射線光譜(energy dispersive x-ray spectroscopy，EDX)對析出物進行元素分析。

請參閱圖3A及圖3B，其係分別根據實施例1及比較例之板材所獲得之HRTEM影像，其中圖3A標示的比例尺長度代表20nm，而圖3B標示的比例尺長度代表100nm。圖3A及圖3B上以箭頭指示者即為析出物，而圖3A上標示的「虛線」係表示差排。由圖3A及圖3B可看出，比較例的析出物之外觀接近圓形，且具有較大的顆粒尺寸，平均粒徑大於0.1μm，而實施例1的析出物外觀偏方形，平均粒徑為約3nm至約20nm。就析出物的數量而言，實施例1具有多於比較例的析出物。

接著，請參閱圖4A及圖4B，其係分別根據實施例1及比較例之板材所獲得之EDX圖譜。圖4A及圖4B的EDX圖譜主要是針對板材上的析出物進行元素分析。由圖4A及圖4B可看出，比較例的析出物主要包含鈦及碳，故可推測比較例的析出物之主要成分為碳化鈦，而實施例1的析出物中除了高含量的鈦及碳之外，更含有鉬，亦即實施例1的析出物為含鉬的碳化鈦。由圖4B的EDX分析，可計算出實施例1之含鉬的碳化鈦析出物中包含2.0wt%至6.0wt的鉬元素。

根據特徵試驗及潛變試驗的結果，可推論出應用本發明提供之沃斯田鐵系合金及其製造方法，藉由添加鉬元素，使得沃斯田鐵系合金在特定溫度下析出含鉬的碳化鈦析出物，且析出物的尺寸降低，數量增加。含鉬的碳化鈦析出物更使得沃斯田鐵系合金的潛變壽命大幅延長，即具有更優異的高溫持久性能。再者，本發明之沃斯田鐵系合金及其 製造方法不僅不須添加大量的鈦元素，且僅須添加少量的鉬元素，便可使沃斯田鐵系合金的潛變壽命有顯著的延長，可有效降低製程成本。

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。

Claims (10)

1. 一種沃斯田鐵系合金，包含：5重量%至75重量%的鐵；7重量%至75重量%的鎳；15重量%至25重量%的鉻；0.5重量%至1.0重量%的鉬；0.05重量%至0.15重量%的碳；0.2重量%至0.8重量%的鈦；以及大於0重量%且小於2.0重量%的不可避免的雜質，其中該沃斯田鐵系合金在500℃至950℃時析出含鉬的碳化鈦析出物，且該含鉬的碳化鈦析出物之一平均粒徑係小於50奈米。
2. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系合金，其中該鈦之一含量與該碳之一含量的比值為3至8。
3. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系合金，其中該含鉬的碳化鈦析出物之鉬之一含量大於該沃斯田鐵系合金之該鉬之一含量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系合金，其中以該含鉬的碳化鈦析出物的含量為100重量%，該含鉬的碳化鈦析出物包含2.0重量%至6.0重量%的鉬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系合金，其中該含鉬的碳化鈦析出物之該平均粒徑為3奈米至20奈米。
6. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系合金，其中該不可避免的雜質包含錳、矽、鋁、銅、鈮及鎢。
7. 一種沃斯田鐵系合金的製造方法，包含：提供一原料，其中該原料包含：5重量%至75重量%的鐵；7重量%至75重量%的鎳；15重量%至25重量%的鉻；0.5重量%至1.0重量%的鉬；0.05重量%至0.15重量%的碳；0.2重量%至0.8重量%的鈦；以及小於2.0重量%的不可避免的雜質；以及對該原料進行一熔煉製程，以製得該沃斯田鐵系合金，其中該沃斯田鐵系合金在500℃至950℃時析出含鉬的碳化鈦析出物，且該含鉬的碳化鈦析出物之一平均粒徑係小於50奈米。
8. 如申請專利範圍第7項所述之沃斯田鐵系合金的製造方法，其中當該原料之鈦含量大於0.5重量%時，該熔煉製程包含一真空感應熔煉法及一真空電弧熔煉 法。
9. 如申請專利範圍第8項所述之沃斯田鐵系合金的製造方法，在該熔煉製程後，更包含對該沃斯田鐵系合金進行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。
10. 如申請專利範圍第7項所述之沃斯田鐵系合金的製造方法，其中當該原料之鈦含量小於0.5重量%時，該熔煉製程包含一燃料加熱爐熔煉法及一非真空電爐熔煉法。