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CN1148097A - 高强度镍基铸造高温合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温用合金钢领域。特别是适用在高温(1350℃)下使用的高强度耐磨镍基高温合金部件。本发明所提出的镍基高温合金的具体化学成分为(重量％)C0.10～0.40％，Cr25.0～38.0％，Mo≤2.0％，W10.0～18.0％，Hf0.01～3.0％，Al 0.01～3.0％，Si≤2.0％，Mn≤2.0％，Fe≤10％，RE≤0.20，其余为镍，本发明合金与现有技术相比较具有成本低，性能好，尤其在高温下使用其性能明显优于现有合金。

Description

高强度镍基铸造高温合金
本发明属于高温用合金钢领域。特别是适用在高温(1350℃)下使用的高强度耐磨镍基高温合金部件。
在现代工业中，轧钢厂的大型钢坯加热炉的高强耐热耐磨部件，如推钢式加热炉内的热滑轨和步进粱式加热炉内的耐热垫块等，均采用钴基高温合金材料制造(如UMCo-50，PGUMCo-50合金COBAL 1973.3，P60-66)。但是这类合金由于钴资源的缺乏和价格的昂贵，所以难以大量推广使用。另外，中国专利CN8500649A介绍了一种Ni-Cr-W型铸造镍基高温合金，虽然该合金的成本低于UMCo-50钴基合金，但该合金在高温时仍存在蠕变强度偏低，和抗热冲击性能差等缺点。采用该合金所制造的热滑轨和垫块等部件，由于这些部件在高温重载下难以长期保持足够的高度而往往导致被加热坯料的温度不均匀性，从而严重影响成材的质量。
本发明的目的是提出一种具有在高温下有更高的使用性能和材料成本低的高强度耐磨蚀镍基铸造高温合金。
根据本发明的目的，同时也考虑到各合金元素的作用，特别是加入Hf和Al在合金中的效果，并为获得能大量固溶其它合金元素的稳定奥氏体基体效果，因此我们所设计的是以镍为基本元素的镍基高温合金，其具体合金成份范围如下(重量％)C0.10～0.40％，Cr 25.0～38.0％，Mo≤2.0％，W 10.0～18.0％，Hf 0.01～3.0％，Al 0.01～3.0％，Si≤2.0％，Mn≤2.0％，Fe≤10％，RE≤0.20，其余为Ni。本发明镍基铸造高温合金的成份设计，是考虑到现有的高温合金中不足之处，通过对合金成份的调整，来得到具有更高性能和经济的镍基铸造高温合金材料。因此在本发明合金成份中考虑到Cr是提高合金抗氧化性的决定元素，其加入量应不少于25％，W、Mo、Hf是重要的固溶强化和碳化物强化元素，特别是W同时具有明显地提高合金的熔点，抗高温蠕变的双重作用。故W的加入量应在10～18％，W含量过高，合金中则易析出有害相而使材料的强度降低。Mo和W同时加入有综合强化作用，但Mo所形成的氧化物在高温时容易液化，这样可能使合金材料易坑蚀，因此Mo元素含量应限制在较低水平。Hf元素有明显改善合金的显微组织，特别是碳化物的形貌和晶界形态，对提高合金的强度，特别是对合金韧性的改善起着决定性的作用，但考虑到该合金的成本与性能，因此Hf的含量应控制在0.01～3.0％范围内。抗高温氧化性能较差是含高W、Mo合金存在的共同缺点，因此提高Cr含量的同时，还应加入适量的Al，加入适量的Al能起到抑制合金内部氧化的发生，和有助于合金表面形成致密的氧化保护膜，对材料本身起到保护作用，但Al含量过高或过低都会给合金的性能带来坏的作用。因此Al含量应控制在0.01～3.0％范围内。加入碳元素所形成的碳化物是该合金的主要强化手段，当在该合金中存在稳定的一次碳化物时，可使该材料具有优良的高温耐磨性能，但是碳有明显降低合金的固-液相温度，因此在超高温下长期使用的本发明合金，碳含量应限制在0.10～0.40％范围内。虽然加入适量的稀土可提高在低、中温下使用该合金的抗氧化性能，但是在1200℃以上使用，稀土会给该合金的抗氧化性带来不利的效果。所以在本发明合金中的稀土加入量，应根据材料的实际使用温度而限定在≤0.20％以下。加入Si有利于提高合金的耐热性，但若含量超过2％，对合金韧性产生不良影响，Mn是奥氏体组织的稳定化元素，并有将合金中之S固定的作用，当Mn量限制在2％时即可达到充分效果。故Si、Mn含量范围均限在2％以下。加入Fe取代Ni仅出于降低合金成本的考虑，当Fe含量超过10％时将严重损害合金的高温性能，故本发明要求合金中Fe含量越少越好。P和S都是有害杂质，需限制在0.04％以下。
本发明镍基铸造高温合金的制造方法可以采用非真空炉或真空炉进行冶炼，铸造可采用砂型铸造或精密铸造方法进行铸造生产，生产方法与现有技术相似，不需要特殊工艺进行生产。本发明高温合金与现有技术相比较具有成本低，该合金与CN85100649A专利钢的成本相当，而与PGUMCo-50钴基高温合金相比较成本仅为2/5，但该合金的使用性能，如高温持久性能，抗热冲击性能和抗氧化性能等均显著优于上述对比合金。
实施例
在本发明镍基铸造高温合金的化学成份范围内，我们冶炼五炉不同含量配比的合金，为了对比方便，我们也冶炼了1炉CN85100649A合金和PGUMCo-50合金，冶炼均采用25Kg真空感应炉冶炼。并精铸成试样，生产工艺相同。表1为本发明合金与对比合金的成份比较，在表中1、2、3、4、5为本发明合金成份，6、7为对比合金成份，表2为本发明合金实施例的持久性能表，表3为1000小时持久强度的比较，表4为抗热冲击性能对比，在表中的数值是产生可见裂纹的加热——水冷循环次数。表5为氧化失重(g/m2h)的对比。上述实验方式是将试样由室温升至1250℃保温24小时后随电炉炉冷至室温，四次循环后比较试样的失重状况。根据上述表的对比结果可看出，本发明合金与对比合金的相比较其性能优于对比合金，尤其在高温情况下使用，其性能明显优于对比合金。
              表2  本发明实施例的持久性能
 温度℃  实施例序号              断裂时间，小时：分
     8MPa      18MPa     38MPa
1000      12345 /        /10051：40′///  1206：30′1218：10′1123：46′982：09′996：11′
1100      12345 /   1105：13′1402：090′1143：25′1096：10′1004：49  161：08′170：15′120：40138：20′145：30′
1200      12345   1120：17′1268：10′1071：46′980：12′1001：06′   96：46′101：07′89：42′80：10′86：03′ /
                   表1  本发明与对比合金的化学成分对比
合金量     C   Cr    Ni    Co    Fe    W    Mo     Hf     Al     Nb    Si    Mn     RE       S     P
本发明   1   0.22   32.1    余     /   0.35   17.2    0.8    0.05    0.9      /   0.31  0.61     /     0.025   0.03
  2   0.28   29.1    余     /   0.21   14.5    1.2    2.6    2.0      /   0.24  0.64     /     0.018   0.027
  3   0.30   27.9    余     /   0.26   15.8     /    1.1    1.5      /   0.80  0.82   0.16     0.015   0.031
  4   0.40   34.6    余     /   5.0   12.9    2.0    2.0    0.06      /   0.66  0.64     /     0.027   0.021
  5   0.27   30.2    余     /   4.1   14.5     /    0.9    0.02      /   0.35  1.28   0.12     0.029   0.026
CN85100149A   0.44   33.1    余     /   4.7   13.7     /     /     /      /   0.84  0.38   0.16*
PGUMCo-50   0.19   28.4     /   51.6   17.9     /     /     /     /     0.6   0.68  0.81
*RE为配入量
     表3  本发明与同类合金及钴基合金
          1000小时持久强度(MPa)对比
 温度℃  本发明   CN85100649A  PGUNCo-50
   950    58       36      32
  1000    38       24      25
  1100    18       10      11
  1200     8       /      /
表4  本发明与对比合金抗热冲击性能对比，表
   数值为产生可见裂纹的加热-水冷循环次数
 温度℃   本发明 CN85100649A  PGUMCo-50
  750   ＞120      62      75
  850     78      25      34
  950     72      30      38
 1050   ＞110      42      46
  表5  本发明与对比合金氧化失重量(G/m2.h)对比
温度℃     1000     1050     1100     1150     1200    1250
本发明     0.20     0.31     0.37     0.61     1.21    3.01
CN85100149A     0.23     0.40     0.51     0.97     1.92    5.81
PGUMC0-50     0.34     0.51     0.73     1.46     2.50    4.96

Claims (1)

1、一种镍基铸造高温合金，其特征在于这种合金的化学成份为(重量％)C0.10～0.40％，Cr 25.0～38.0％，Mo≤2.0％，W 10.0～18.0％，Hf 0.01～3.0％，Al 0.01～3.0％，Si≤2.0％，Mn≤2.0％，Fe≤10％，RE≤0.20，其余为Ni。
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