CN105483494A - 易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金，该合金各组份的重量百分比为：Ni：40～45％、Cr：20～25％、Mo：2～5％、Cu：1～3％、Ti：1.5～3％、Al：0.1～0.5％、V：0.01～0.5％、Zr：0.001～0.05％、B：0.001～0.005％、Mg：0.005～0.05％、Nb≤1.0％、C≤0.05％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Fe：余量。该合金能改善合金的热加工塑性，降低热加工过程中热裂的倾向，其强度高、韧塑性好、耐腐蚀性好，综合性能优良。

Description

易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金

技术领域

本发明涉及一种合金，特别涉及一种易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金。

背景技术

通常镍基结构材料除了基体元素镍之外，还含有铬、钼、铌、钨、铜、钛和铝等有益元素。镍基合金根据强化方式可分为固溶强化型和时效强化型，前者可通过冷加工提高强度，但无法制造较大型的复杂的零件。相比之下，时效强化型合金则无此限制，可通过时效热处理制成具有较高强度的较大型零件，因此在很多重要工业领域得到了广泛应用。

从成分的角度看，镍基高温合金和耐蚀合金都是通过添加足量或适量的铬、钼、铌、钨、铜、钛和铝等合金元素来获得设计的高温性能和耐蚀性能。而高合金含量的代价不仅使合金成本变高、市场竞争力降低，而且往往导致合金的工艺性能变差，比如高温变形温度太窄、热塑性较差、硬化速率过大等等。当工艺性能差到某种程度，工业生产就难以实现。这是部分镍基合金无法通过常规热穿孔而只能用热挤压甚至机械打孔方法生产无缝管的主要原因，导致市场上镍基超合金无缝管的成本高，甚至难以获得。

γ’和/或γ”强化型镍基合金的性能水平与微观组织密切相关，如晶粒尺寸、强化相的形貌、大小和分布、其它碳化物及金属间相的形貌等，这些因素均由热处理工艺来控制的，而合金的组织性能归根结底都是由先天性基因——成分所决定的。由于镍基合金成本相对较高，相比之下铁镍基合金更具成本优势。再加上部分铁镍基合金的综合性能丝毫不比普通镍基合金差，这就使得铁镍基合金具有较强的市场竞争力。不过铁镍基合金的合金含量还是很高，同样存在高温变形温度太窄、热塑性较差、硬化速率过大等问题，因此市场上高性能铁镍基合金无缝管依然存在“一管难求”的局面，只能通过机械打孔的方式获得厚壁管。

发明内容

本发明的目的是提供一种易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金，该合金能改善合金的热加工塑性，降低热加工过程中热裂的倾向，其强度高、韧塑性好、耐腐蚀性好，综合性能优良。

本发明的技术方案是：

易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金，其各组分的重量百分比为：

Ni：40～45％、Cr：20～25％、Mo：2～5％、Cu：1～3％、Ti：1.5～3％、Al：0.1～0.5％、V：0.01～0.5％、Zr：0.001～0.05％、B：0.001～0.005％、Mg：0.005～0.05％、Nb≤1.0％、C≤0.05％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Fe：余量。

本发明较好的技术方案是，所述合金各组份的重量百分比为：

Ni：41-45％；Cr：20-25％；Mo：2-5％；Cu：1-3％；Ti：1.5-2.5％；Al：0.2-0.50％；V：0.025-0.45％；Zr：0.015-0.45％；B：0.0025-0.0045％；Mg：0.010-0.25％；Nb：0.30-0.645％；C：0.001-0.04％；Si：0.10-0.35％；Mn：0.30-0.5％；Fe：余量。

本发明所述合金采用以下方法制备：

合金采用真空感应熔炼加电渣重熔或真空感应熔炼加真空自耗重熔双联工艺获得合金锭，经均匀化热处理、热锻成挤压棒坯，再经热挤压获得厚壁无缝管。均匀化处理温度为1160～1190℃、时间为24～72小时；热锻造温度为950～1150℃、保温时间为60～180分钟；热挤压温度为1050～1200℃、保温时间为60～120分钟。然后进行固溶加时效热处理，制得强度高、韧塑性好、高耐腐蚀的的合金。

该合金制成厚壁无缝管，经过精密机加工，可广泛用于制造对耐腐蚀有较高要求的零部件产品。

合金中各元素的主要作用如下：

(1)Ni:较高含量的Ni是获得以Ni为基的奥氏体的关键，同时也是合金获得优异耐腐蚀性能，特别是耐应力腐蚀及硫化物应力腐蚀开裂能力的重要基础。

(2)Cr：相对高的Cr含量是获得耐腐蚀性的保证，特别是提高合金在氧化性介质中耐蚀能力的关键。但过高的Cr含量将促进σ相的析出，进而损害合金的热稳定性和热塑性。

(3)Mo：较高的Mo含量主要是为了提高合金耐点蚀、缝蚀等局部腐蚀能力，尤其是提高合金在卤素离子、还原性介质中的腐蚀能力。但过高的Mo含量同样会促进σ相的析出，有害于合金的热稳定性和热塑性。

(4)Cu：适量的铜含量，有利于提高合金耐还原性介质的腐蚀能力，比如，以铜合金化的Ni-Fe-Cr-Mo合金能显著提高在还原性酸尤其在热硫酸中的耐蚀性；含铜的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金在硫酸中比不含铜者更易于钝化且有良好的耐蚀性。而与铬、钼结合，合金可具有较高的耐混合性酸腐蚀的能力，比如，含有较高的铬量和适量钼、铜的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金具有良好的耐氧化性、还原性和氧化-还原性介质的腐蚀、点蚀、缝蚀和应力腐蚀等性能。但过高的铜含量不利于合金的热加工性能和热稳定性。

(5)Nb：当Nb含量较高时，它是强韧化相γ”(Ni3Nb)的组成元素，对合金的时效强化效应有重要作用，是合金获得高强度和高韧性的保证。但过高的Nb含量会在铸态时过分偏析，大大增加了后续均匀化处理的难度。当Nb含量较低时，其主要作用是固碳，减轻碳化铬形成而导致的贫铬倾向。

(6)Ti、Al：少量的Ti、Al有脱氧作用，适量Ti、Al的加入对合金的时效强化效应有积极作用，促进次要强韧化相γ’(Ni3(Al,Ti))的有效析出，有助于合金获得高强度和高韧性。过高的Ti、Al和Nb含量会消耗过量Ni，不利于基体的稳定，同时加工难度也会成倍增大。

(7)Si、Mn：少量Si、Mn有脱氧作用，但在高合金中，Si、Mn对有害中间相的析出非常敏感，使析出相复杂化且损害有益析出相的热稳定性，增加了控制难度，通常需要严格控制。

(8)C：有固溶强化作用，也能稳定奥氏体基体，但过高的C含量不仅会损害合金的耐腐蚀性能，而且对焊接性能有害。

(9)V、Zr、B、Mg；有益微量元素V、Zr、B、Mg及其精确配比对合金的热加工性能大有好处。

发明所述合金以铁-镍为基，同时含有较高的铬、钼含量，适量的钛、铝、铌和微量的锆、钒、硼等有益元素，属于时效强化型铁镍基奥氏体合金，能通过适当的热处理，可析出γ’强韧化相，从而获得较高的强度、硬度和韧塑性，同时由于镍、铬、钼含量高，耐腐蚀性能特别是抗应力腐蚀开裂能力很强，并使其热加工性能得到明显改善，可用于各种高腐蚀性环境，如高含硫油气开采、石油化工、化学工程及海洋工程等领域等。

与固溶强化型镍基合金相比，本发明所述合金的不仅强度高(可达到110ksi甚至120ksi级别)，而且能通过时效热处理制造其它固溶处理和/或冷加工方法所不能制造的较大型或较复杂零件，与其它时效强化型镍基高合金相比，由于微量有益元素的配入，热塑性得到改善，热加工过程中热裂倾向降低，整体工艺性能更优，工艺成本更低。

具体实施方式

按照下列配比选取合金各组分：

重量百分含量％

合金

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

Ni	44.91	43.22	44.09	41.76
					Cr	20.44	22.36	24.32	23.24
Mo	2.25	3.32	3.02	4.47
					Cu	1.07	1.98	2.68	1.44
Ti	2.26	1.79	2.21	2.48
					Al	0.21	0.43	0.33	0.409
V	0.063	0.2	0.325	0.45
					Zr	0.0047	0.007	0.096	0.085
B	0.0028	0.0034	0.0044	0.0036
					Mg	0.012	0.013	0.013	0.023
Nb	0.068	0.412	0.301	0.645
					C	0.022	0.012	0.0083	0.031
Si	0.260	0.138	0.197	0.118
					Mn	0.304	0.476	0.419	0.499
Fe	余	余	余	余

按照实施例1-4所述配比，用下列方法制备本发明所述合金：

采用真空感应熔炼加电渣重熔或真空感应熔炼加真空自耗重熔双联工艺获得合金锭，经均匀化热处理、热锻成挤压棒坯，再经热挤压获得厚壁无缝管。

均匀化处理温度为1160～1190℃、时间为24～72小时；热锻造温度为950～1150℃、保温时间为60～180分钟；热挤压温度为1050～1200℃、保温时间为60～120分钟。然后进行常规γ’相强化型镍基或铁镍基合金所通常采取的固溶热处理加双级时效热处理，制得综合性能优良的合金。

实施例1-4所得合金的力学性能

实施例1-4所得合金的耐腐蚀性能

实施例5

采用真空感应熔炼合金1000kg，成分组成如下：Ni：43.7％、Cr：23.6％、Mo：3.55％、Cu：1.78％、Ti：2.23％、Al：0.28％、V：0.025％、Zr：0.029％、B：0.0025％、Mg：0.015％、Nb：0.36％、C：0.032％、Si：0.25％、Mn：0.32％、Fe：余量。合金浇铸成Φ220mm的圆棒，再电渣重熔成Φ380mm的钢锭，置于高温井式炉中进行均匀化热处理，后经镦粗拔长制成Φ230mm的圆棒，棒材经机加工制成挤压管坯，再经热挤压制成Φ108×22mm的厚壁无缝管，经上述的固溶热处理加双级时效热处理制出合格产品，最后机加工成封隔器用于川东某气田。

实施例6

采用真空感应熔炼合金3000kg，成分组成如下：Ni：42.4％、Cr：22.75％、Mo：2.45％、Cu：2.67％、Ti：1.83％、Al：0.48％、V：0.041％、Zr：0.019％、B：0.003％、Mg：0.013％、Nb：0.43％、C：0.04％、Si：0.32％、Mn：0.46％、Fe：余量。合金浇铸成Φ300mm的圆棒，再电渣重熔成Φ500mm的钢锭，后置于高温井式炉中进行均匀化热处理，后经快锻机镦粗拔长开坯，以及径向锻机锻造制成Φ230mm的圆棒，经机加工制成挤压管坯，再经热挤压制成Φ200×30mm的厚壁无缝管，经上述的固溶热处理加双级时效热处理制出合格产品，最后经机加工成井下管道悬挂器用于新疆某酸性油田。

Claims (2)

1.一种易加工成厚壁无缝管的时效强化型铁镍基耐蚀合金，其特征在于，该合金各组份的重量百分比为：

Ni：40～45％、Cr：20～25％、Mo：2～5％、Cu：1～3％、Ti：1.5～3％、Al：0.1～0.5％、V：0.01～0.5％、Zr：0.001～0.05％、B：0.001～0.005％、Mg：0.005～0.05％、Nb≤1.0％、C≤0.05％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Fe：余量。

2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，该合金各组份的重量百分比为：

Ni：41-45％；Cr：20-25％；Mo：2-5％；Cu：1-3％；Ti：1.5-2.5％；Al：0.2-0.50％；V：0.025-0.45％；Zr：0.015-0.45％；B：0.0025-0.0045％；Mg：0.010-0.25％；Nb：0.30-0.645％；C：0.001-0.04％；Si：0.10-0.35％；Mn：0.30-0.5％；Fe：余量。