阅读说明：本技术 一种高温镍基合金hred6及其制备方法 (High-temperature nickel-based alloy HRED6 and preparation method thereof ) 是由 汤俊波 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高温镍基合金HRED6及其制备方法,所述高温镍基合金HRED6包括以下重量份的组分：镍48.0～50.0％,铬27.0～30.0％,钨4.0～6.0％,硅1.2～2.0％,铌1.2～1.8％,碳0.40～0.45％,锰0.5～1.5％,钴＜0.5％,氮≤0.05％,磷＜0.035％,硫＜0.03％。本发明通过对镍基合金中的元素组成进行合理优选,并对其制备方法进行优化,制备得到了高温镍基合金HRED6,与现有的镍基合金相比,其高温特性显著提高,在1200℃的高温处理条件下,仍具有优异的拉伸强度、断裂韧性、持久寿命和抗腐蚀等性能,其中拉伸强度≥744MPa,屈服强度≥832MPa,断裂韧性≥42.8MPa·m～(1/2),断裂伸长率≥9.3％,持久寿命≥367h,相对腐蚀率≤41.3％,因此在工装的热处理过程中不易出现变形、开裂等现象,提高了工装的使用寿命,进而提高了生产效率。(The invention discloses a high-temperature nickel-based alloy HRED6 and a preparation method thereof, wherein the high-temperature nickel-based alloy HRED6 comprises the following components in parts by weight: 48.0-50.0% of nickel, 27.0-30.0% of chromium, 4.0-6.0% of tungsten, 1.2-2.0% of silicon, 1.2-1.8% of niobium, 0.40-0.45% of carbon, 0.5-1.5% of manganese, less than 0.5% of cobalt, less than or equal to 0.05% of nitrogen, less than 0.035% of phosphorus and less than 0.03% of sulfur. The invention reasonably optimizes the element composition in the nickel-based alloy and optimizes the preparation method to prepare the high-temperature nickel-based alloy HRED6, compared with the prior nickel-based alloy, the high-temperature nickel-based alloy has obviously improved high-temperature characteristic, still has excellent tensile strength, fracture toughness, endurance life, corrosion resistance and other properties under the high-temperature treatment condition of 1200 ℃,wherein the tensile strength is more than or equal to 744MPa, the yield strength is more than or equal to 832MPa, and the fracture toughness is more than or equal to 42.8 MPa.m 1/2 The elongation at break is more than or equal to 9.3 percent, the endurance life is more than or equal to 367h, and the relative corrosion rate is less than or equal to 41.3 percent, so that the phenomena of deformation, cracking and the like are not easy to occur in the heat treatment process of the tool, the service life of the tool is prolonged, and the production efficiency is further improved.)

一种高温镍基合金HRED6及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种高温镍基合金HRED6及其制备方法。

背景技术

镍基合金是指在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。其被广泛应用于汽车、船舶、航空等机械工业领域，制成齿轮、轴承等零部件。其中齿轮、轴承等零部件需要经过接近1200℃高温特殊热处理后才能得到符合其使用机械性能的零部件，由于热处理过程的高温、高承载、反复冷热交替使用等条件比较恶劣，一般耐热钢材质的配比和熔炼工艺控制无法满足其使用工况要求，热处理工装一般在60-80个循环过程中出现变形、开裂等现象，影响其使用寿命。因此对零部件的承热能力不断提出更高要求。其中Re元素的加入可提高合金的耐高温性能，然而Re是地球地壳中最稀有的元素之一，价格昂贵，不适合大量广泛使用。因此在亟需一种成本低廉、可耐高温的镍基合金。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高温镍基合金HRED6及其制备方法，本发明通过对镍基合金中的组成进行优化，进一步对其冶炼工艺进行优化，通过预脱氧和终脱氧两个步骤，从而显著减少高温镍基合金HRED6中的氧含量，进而显著提高了该合金在高温处理下拉伸强度、断裂韧性、持久寿命等性能，从而避免了工装制备过程中，高温热处理易变形开裂的问题，提高了生产效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高温镍基合金HRED6，包括以下重量份的组分：

其中，镍Ni是镍基合金的基础，其可与铁能无限互溶，扩大铁的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，并且还可增加强度、塑性、韧性以及疲劳性能。然而为进一步提高其各项性能，镍基合金中还需加入其它的合金元素。在本发明中，镍含量控制在48.0～50.0％。

铬Cr是提高合金耐高温抗腐蚀性能的关键，其可与碳形成稳定的化合物，提高基体的稳定性能，改善合金的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力；然而铬的过量加入可能会降低合金的韧性。在本发明中，铬含量控制在27.0～30.0％。

钨W是能与镍形成固溶体的固溶强化元素，其可与碳形成具有高强度和耐磨性的碳化物，从而增加合金的强度，然而钨的过量加入会影响合金在高温下的组织稳定性，降低其高温性能。在本发明中，钨含量控制在4.0～6.0％

硅Si也是强化元素之一，其不仅可提高合金的强度、硬度、淬透性等性能，并且还可在合金冶炼过程中作为脱氧剂进行脱氧，然而其含量过高会降低合金的韧性以及疲劳性能。在本发明中，硅含量控制在1.2～2.0％。

铌Nb也是强化元素之一，具有优异的耐高温、抗腐蚀性能，提高合金的硬度和疲劳性能，然而加入量过多会导致镍基合金的塑性和韧性显著降低。在本发明中，铌的含量控制在1.2～1.8％。

碳C的加入可提高镍基合金的硬度和抗磨损能力，但加入量过多会影响镍基合金的蠕变性能和低周疲劳性能。在本发明中，碳的含量控制在0.40～0.45％。

锰Mn是能与镍形成固溶体的固溶强化元素之一，其不仅可提高镍基合金的硬度和脆性，并且可作为脱氧剂在合金冶炼过程中发挥作用，然而过量加入会影响镍基合金的耐高温性能。在本发明中，锰的含量控制在0.5～1.5％。

钴Co对于镍基合金的耐高温特性有影响，而氮N、磷P、硫S则为镍基合金的不利元素，会严重影响镍基合金的塑性、脆性和疲劳性能，因此在本发明中，钴的含量控制在＜0.5％，氮的含量控制在≤0.05％，磷的含量控制在＜0.035％，硫的含量控制在＜0.03％。

进一步地，所述高温镍基合金HRED6包括以下重量份的组分：

进一步地，所述高温镍基合金HRED6在1200℃条件下的抗拉强度≥744MPa，屈服强度≥832MPa，断裂韧性≥42.8MPa·m^1/2，断裂伸长率≥9.3％，持久寿命≥367h，相对腐蚀率≤41.3％。

本发明还提供了一种所述高温镍基合金HRED6的制备方法，包括：

步骤1、将原料装入中频炉内加热熔化；

步骤2、所有组分全部熔化得到钢液，温度达到1500～1600℃时，依次加入锰和硅进行预脱氧；

步骤3、取样分析成分合格后继续加热至最高熔化温度，停止加热并静置；

步骤4、当钢液降至浇注温度时，加入硅钙钡进行终脱氧，打渣后出钢，得到所述高温镍基合金HRED6。

进一步地，步骤1中所述原料包括：增碳剂、铌铁、钨铁、金属铬或高碳铬铁、电解镍和304不锈钢。

进一步地，步骤2中先加入质量百分数0.5％的锰，再加入质量百分数0.25％的硅进行预脱氧。

进一步地，步骤2预脱氧结束后，加入除渣剂打渣1-2次。

进一步地，步骤3中所述最高熔化温度为1700℃。

进一步地，步骤4中所述硅钙钡的加入量为钢液质量的0.1％。

进一步地，步骤4中采用插入式热电偶对钢液进行测温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对镍基合金中多种元素组分及含量进行合理优选，并进一步对其制备方法进行优化，通过预脱氧和终脱氧两个步骤，显著减少高温镍基合金HRED6中的氧含量，制备得到了高温镍基合金HRED6，与现有的镍基合金相比，其高温性能显著提高，在1200℃的高温处理条件下，仍具有优异的拉伸强度、断裂韧性、持久寿命和抗腐蚀等性能，其中拉伸强度≥744MPa，屈服强度≥832MPa，断裂韧性≥42.8MPa·m^1/2，断裂伸长率≥9.3％，持久寿命≥367h，相对腐蚀率≤41.3％，因此在工装的热处理过程中不易出现变形、开裂等现象，提高了工装的使用寿命，进而提高了生产效率。

具体实施方式

下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种高温镍基合金HRED6的组分及其制备方法，具体为：

(1)按照以下重量份的组分配方：镍48.0～50.0％，铬27.0～30.0％，钨4.0～6.0％，硅1.2～2.0％，铌1.2～1.8％，碳0.40～0.45％，锰0.5～1.5％，钴＜0.5％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁，将原料增碳剂、铌铁、钨铁、高碳铬铁、电解镍和304不锈钢，分别依据料的大小和顺序装入中频炉内，装完后启动电源功率送电，以加快熔化速度，缩短钢料在大气中的接触时间，减少氧化、吸气。

(2)钢料全部熔化得到钢液，温度达到1500～1600℃，约1550℃时，先加入质量百分数0.5％的锰，再加入质量百分数0.25％的硅进行预脱氧，并覆盖石川2#除渣剂打渣1-2次。

(3)取样进行光谱分析，分析各元素的组成，经分析，本实施例的高温镍基合金包括以下重量份的组分：镍48.8％，铬29.5％，钨5.2％，硅2.0％，铌1.4％，碳0.40％，锰1.2％，钴＜0.5％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁。成分合格，熔化继续加热钢液至最高熔化温度1700℃后，立即关闭电源，静置2-3分钟，同时钢液表面覆盖除渣剂。

(4)钢液静置后，用插入式热电偶测温,当温度接近浇注温度时,向钢液中加入质量分数为0.1％的硅钙钡进行终脱氧，终脱氧结束后，用钢筋挑除大块覆盖渣，再用石川2#除渣剂撒于钢水表面上，蘸除覆盖渣并用钢筋挑出，反复打渣1-2次后，即可向钢包出钢，制得高温镍基合金HRED6。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)经光谱分析后，各元素的组成包括以下重量份的组分：镍50.0％，铬27.2％，钨4.1％，硅1.7％，铌1.2％，碳0.41％，锰0.6％，钴＜0.5％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)经光谱分析后，各元素的组成包括以下重量份的组分：镍48.1％，铬28.8％，钨6.0％，硅1.2％，铌1.8％，碳0.45％，锰1.5％，钴＜0.5％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)经光谱分析后，各元素的组成包括以下重量份的组分：镍48.7％，铬28.8％，钨4.9％，硅2.0％，铌1.7％，碳0.43％，锰1.3％，钴＜0.5％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于：镍基合金中各元素的组成包括以下重量份的组分：镍48.7％，铬28.8％，钨7.3％，硅2.0％，铌0.9％，碳0.43％，锰0.3％，钴0.7％，氮≤0.05％，磷＜0.035％，硫＜0.03％，余量为铁。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处在于：步骤(2)中省略加入先加入锰和硅进行预脱氧的步骤。

对比例3

本对比例与实施例1的不同之处在于：步骤(2)中采用质量分数0.1％的硅钙钡进行预脱氧，步骤(4)中依次加入质量百分数0.5％的锰和质量百分数0.25％的硅进行终脱氧。

评价方案

测定实施例1-4和对比例1-3制备得到的镍基合金在高温条件下(1200℃)的抗拉强度、屈服强度、断裂韧性、断裂伸长率、持久寿命和相对腐蚀率(GB/T 10125-2012)等性能，测试结果如表1所示。

表1不同镍基合金的力学性能

根据表1的性能测定结果，其中本发明所述的高温镍基合金HRED6在1200℃的高温处理条件下，仍具有优异的性能，其中抗拉强度≥744MPa，屈服强度≥832MPa，断裂韧性≥42.8MPa·m^1/2，断裂伸长率≥9.3％，持久寿命≥367h，相对腐蚀率≤41.3％。相较于本发明的高温镍基合金HRED6，当元素组成中的钨和钴含量升高、铌和锰含量降低时(对比例1)，镍基合金在高温条件下的力学性能和抗腐蚀性能均有显著降低，即耐高温特性显著降低；当所述镍基合金的制备方法中省略预脱氧步骤，或者改变了两次脱氧步骤中使用的脱氧剂的顺序时，也都会对制备得到的高温镍基合金的耐高温性能产生显著影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。