CN110438371A - 一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法。合金基本组成包括：25～45wt.％的钨，15～25wt.％的钴，余量为镍和不可避免的残余元素。合金采用真空感应炉熔炼方式，通过熔炼过程从底部到顶部依次按Ni→Co→W顺序合理布料，同时电磁搅拌5～15min，浇铸过程控制浇铸温度在1500～1560℃，采用风冷(50～400m3/min)、水冷(1～10L/min)等方式提高合金液冷却速度，可实现高钨高钴铸态镍合金的低偏析系数/含量比，保证浇铸前获得化学成分均匀的合金液，可获得快速凝固的铸态组织，有效减少钨元素的偏析程度增加的幅度，获得最为适宜的偏析系数/含量比，因而可明显提升铸锭的力学性能和锻造塑性，延伸率可达37％。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法。
背景技术
本发明涉及的镍合金属于一种镍基单相合金，基体元素包括镍、钴、钨，通过真空感应熔炼浇铸可以获得单相的奥氏体组织。但是在合金的浇铸凝固过程中，由于存在溶质再分配过程，凝固过程的铸锭中往往存在严重的成分偏析以及偏析相的析出，成分偏析导致材料的组织、性能不均匀，严重的偏析甚至会导致铸锭在锻造过程中开裂。
由于合金中存在大量的难熔元素钨，凝固过程中钨元素的溶质再分配过程导致合金存在严重的枝晶偏析。为了消除或减缓镍合金铸锭的偏析，改善铸件的成分均匀性，提高铸件的力学性能，提升铸锭的锻造塑性，在铸锭制备过程必须严格控制钨的偏析。
2011年，美国US7921778B2专利公布了一种高钨高钴的镍合金成分，其铸态合金延伸率为22％，但未就铸态合金的偏析控制技术进行研究和报道；至今国内尚未发现任何有关高钨高钴镍合金的研究，更未发现铸态合金偏析控制技术和塑性的研究。为此，本发明提供了一种高钨(≥25wt.％)高钴(≥15wt.％)的镍合金低偏析控制方法，实现了高钨高钴铸态镍合金的低偏析系数/含量比，可保证浇铸前获得化学成分均匀的合金液，得到快速凝固的铸态组织，有效减少钨元素的偏析程度增加的幅度，获得最为适宜的偏析系数/含量比。通常情况下，降低元素的偏析可改善合金的塑性，但往往改善幅度有限，甚至略有下降[孟庆官.铸型种类及铸件壁厚对K4169合金组织和力学性能的影响[D].哈尔滨工业大学,2011.]。高钨高钴镍合金主要发生枝晶偏析。根据凝固工件枝晶间的溶质浓度cs与合金原始平均浓度co的偏离情况分类。cs＞co的，称为正偏析，cs＜co的，称为负偏析。为消除枝晶偏析，目前主要的途径有降低浇铸温度、提高冷却速度等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法，获得钨、钴偏析程度较低且塑性较高的高钨高钴铸态镍合金。
一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于高钨高钴的镍合金铸锭，其基本组成元素的质量百分比：25～45wt.％的钨，15～25wt.％的钴，余量为镍和不可避免的残余元素；制备步骤为：装料→抽真空→送电→全熔→精炼→浇铸→脱模
进一步地，本发明熔炼方式采用真空感应炉熔炼的方式。
进一步地，所述装料顺序从底部到顶部，依次装入Ni→Co→W。
进一步地，所述全熔期、精炼期采用电磁搅拌，时间为5～15min。
进一步地，所述浇铸温度控制在1500～1560℃。
进一步地，浇铸完成后，采用风冷或水冷方式提高合金液凝固速度，所述风冷冷速为50～400m3/min、水冷冷速为1～10L/min。
本发明采用的低偏析控制方法可使得铸态镍合金延伸率达37％，比美国专利公布数据高出68％，可明显提高铸锭的力学性能和锻造塑性，具有意想不到的效果。
本发明的理论依据：
凝固偏析是指在合金凝固过程中所产生的固态化学成分分布不均匀的现象。凝固偏析包括宏观偏析和微观偏析两种。微观偏析又称为短程偏析，是指微小范围内的化学成分不均匀；宏观偏析又称长程偏析或区域偏析，表现为铸锭或铸件各部位之间化学成分的差异。微观偏析可以分为枝晶偏析、晶界偏析、胞状偏析，为评价偏析的程度，引入元素的偏析系数k(k＝w枝晶间/w枝晶干)，w枝晶间、w枝晶干分别为枝晶间和枝晶干元素比重，偏析系数能反映元素的偏析情况，元素偏析系数与“1”偏差越大，表明该元素偏析越严重，分布得越不均匀。同时单一元素的偏析程度随元素含量的增加是逐渐增大的。为评价偏析程度与钨含量的关系，引入偏析系数/含量比作为评价指标。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
1)实现了高钨高钴铸态镍合金的低偏析系数/含量比；
2)本发明通过合理的布料顺序、电磁搅拌，保证浇铸前获得化学成分均匀的合金液；
3)本发明通过控制浇铸温度及铸锭快速冷却，可以获得快速凝固的铸态组织，有效减少钨元素的偏析程度增加的幅度，获得最为适宜的偏析系数/含量比；
4)本发明获得低偏析高钨高钴铸态镍合金，延伸率可达37％，铸锭的力学性能和锻造塑性明显提升。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的低偏析高钨高钴铸态镍合金铸锭；
图2为不同钨含量铸态镍合金的偏析系数，椭圆形区域是本发明实施例优化后获得的高钨高钴铸态镍合金偏析系数。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述。
实施例1
1)一个示例性的低偏析高钨高钴的铸态镍合金，以质量百分比计，含有：35％钨和20％的钴和余量的镍。
2)按照步骤1)所述合金的元素配比称取原材料，包括：金属钨条、金属钴板及金属镍板；
3)按照质量百分比0.015wt.％称取脱氧剂碳；
4)将步骤2)得到的原材料及步骤3)得到的碳装入真空感应熔炼炉氧化铝坩埚中；
5)合上真空感应炉真空室，抽真空至真空度＜40Pa后送电化料，熔化期控制真空度＜40Pa，全熔后测量温度1530℃；
6)精炼期控制真空度0.1～1Pa，精炼温度1550℃，精炼时间60min；
7)钢水温度调整至1510℃，小功率带电浇铸成铸锭；
8)对钢锭模表面进行吹风。
实施例2
1)一个示例性的低偏析高钨高钴铸态镍合金，以质量百分比计，含有：36％钨和19％的钴和余量的镍。
2)按照步骤1)所述合金的元素配比称取原材料，包括：金属钨条、金属钴板及金属镍板；
3)按照质量百分比0.015wt.％称取脱氧剂碳；
4)将步骤2)得到的原材料及步骤3)得到的碳装入真空感应熔炼炉氧化铝坩埚中；
5)合上真空感应炉真空室，抽真空至真空度＜40Pa后送电化料，熔化期控制真空度＜40Pa，全熔后测量温度1534℃；
6)精炼期控制真空度0.1～1Pa，精炼温度1550℃，精炼时间60min；
7)钢水温度调整至1550℃，小功率带电浇铸成铸锭；
8)对钢锭模表面进行喷水。
实施例3
1)一个示例性的低偏析高钨高钴铸态镍合金，以质量百分比计，含有：34％钨和21％的钴和余量的镍。
2)按照步骤1)所述合金的元素配比称取原材料，包括：金属钨条、金属钴板及金属镍板；
3)按照质量百分比0.015wt.％称取脱氧剂碳；
4)将步骤2)得到的原材料及步骤3)得到的碳装入真空感应熔炼炉氧化铝坩埚中；
5)合上真空感应炉真空室，抽真空至真空度＜40Pa后送电化料，熔化期控制真空度＜40Pa，全熔后测量温度1540℃；
6)精炼期控制真空度0.1～1Pa，精炼温度1550℃，精炼时间60min；
7)钢水温度调整至1530℃，小功率带电浇铸成铸锭；
8)对钢锭模表面进行喷水。
综上所述，本发明实施例提供了一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法，制备的合金具有低偏析、低氧含量、高密度、高延伸率等优点，尤其是延伸率比美国专利数据高出68％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是利用本发明所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高钨高钴铸态镍合金的低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于高钨高钴的镍合金铸锭，其基本组成元素的质量百分比：25～45wt.％的钨，15～25wt.％的钴，余量为镍和不可避免的残余元素；制备步骤为：装料→抽真空→送电→全熔→精炼→浇铸→脱模。
2.根据权利要求1所述高钨高钴的镍合金低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于：熔炼方式采用真空感应炉熔炼的方式。
3.根据权利要求1所述高钨高钴的镍合金低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于：所述装料顺序从底部到顶部，依次装入Ni→Co→W。
4.根据权利要求1所述高钨高钴的镍合金低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于：所述全熔期、精炼期采用电磁搅拌，时间为5～15min。
5.根据权利要求1所述高钨高钴的镍合金低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于：所述浇铸温度控制在1500～1560℃。
6.根据权利要求1所述高钨高钴的镍合金低偏析控制及塑性提升方法，其特征在于：浇铸完成后，采用风冷或水冷方式提高合金液凝固速度，所述风冷冷速为50～400m3/min、水冷冷速为1～10L/min。
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