專利名稱：超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金及非金屬夾雜物控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沉淀強(qiáng)化Fe-Ni基奧氏體抗氫脆合金領(lǐng)域，具體地說是一種超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆Fe-Ni基奧氏體合金及其Ti2CS型非金屬夾雜的控制方法。
背景技術(shù)：
沉淀強(qiáng)化Fe-Ni基奧氏體抗氫脆合金是在單相奧氏體合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該類合金的共同特點(diǎn)是添加T1、Al或者Nb等合金化元素，通過固溶+時效熱處理，在合金中析出與基體具有共格關(guān)系的Y , -Ni3(Al1Ti)強(qiáng)化相，達(dá)到提高合金強(qiáng)度的目的，典型合金如國外的A286、JBK-75、IN903,國內(nèi)的J75、J90、JlOO也屬于此類合金。研究證實(shí)，合金中具有共格關(guān)系的Y ^相對合金的抗氫損傷能力無明顯影響，而與基體具有非共格關(guān)系的析 出相與基體形成的界面是強(qiáng)的氫陷阱，氫會在該界面聚集，惡化合金抗氫損傷能力。因此，該類合金要求嚴(yán)格控制碳化物、氧化物和硫化物等非金屬夾雜物，亦是該類合金中一般要求C彡O. 02wt. %、S ( O. 006wt. %、P ( O. 006wt. %的一個重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，盡管C、S、P雜質(zhì)元素控制在上述范圍內(nèi)，可消除合金中常見的A型硫化物類(如FeS)和B型氧化鋁類夾雜物，D類球狀氧化物也可控制在<1. O級以下，但合金中會生成一種特殊的Ti2CS型非金屬夾雜物(如圖1)。參照GB 10561-2005, Ti2CS型非金屬夾雜物評級在2. O級以上，Ti2CS的生成原因在于，該類合金為保證合金強(qiáng)度，會添加大于2. Owt. %的Ti，而Ti是極其活潑的元素，即使在C、S等元素含量較低的情況下，熔煉過程中也易于與Ti形成化合物。沉淀強(qiáng)化高Fe-Ni基奧氏體合金是在臨氫環(huán)境下使用的合金，控制非金屬夾雜物的含量，對于保證合金強(qiáng)度和耐氫脆能力，以及對合金的工程應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高純凈度、高強(qiáng)度、耐氫脆合金及其Ti2CS型非金屬夾雜物的控制方法，該種合金具有超低C、S、P雜質(zhì)含量，同時具有高強(qiáng)度和耐氫脆性能，同時提供的熔煉方法可消除Ti2CS型非金屬夾雜物，實(shí)現(xiàn)合金組織純凈化控制。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超超低碳的高強(qiáng)度、耐氫脆Fe-Ni基奧氏體合金，其主要成分范圍如下(重量百分比)Ni 29. O 32. O, Cr 14. O 16. O,Mo 1. 30 1. 50，鈦1· 60 2. 30，鋁0· 2 O. 5，硅0.1 O. 3，硼0. 001 O. 006，鐵及不可避免的殘余元素:余量。所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆Fe-Ni基奧氏體合金，不可避免的殘余元素包括碳、硫、磷，按重量百分比計，碳含量控制在< O. 010，硫含量控制在O. 002，磷含量控制在< O. 006，合金中無Ti2CS型非金屬夾雜物的生成。上述超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆Fe-Ni基奧氏體合金Ti2CS型非金屬夾雜物控制方法，采用真空感應(yīng)熔煉一鋼模鑄造一鑄錠真空自耗重熔一鍛造一軋制的方法制備合金棒材，再通過固溶+時效熱處理達(dá)到合金的強(qiáng)化。通過采用低磷高純鐵做原料，控制合金中的磷雜質(zhì)含量；通過采用CaO坩堝進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，以及精煉脫硫、脫碳工藝有效控制合金中的碳、硫雜質(zhì)含量，抑制Ti2CS型非金屬夾雜物的形成，提高合金的耐氫脆性能；通過鍛造、軋制獲得所需規(guī)格尺寸的棒材；通過最終的固溶+時效熱處理，使合金中析出適宜尺寸和數(shù)量的Y '強(qiáng)化相，保證合金具有高的強(qiáng)度，具體步驟如下1、控制合金中的碳含量彡O. 010 (重量百分比)。2、控制合金中的硫含量< O. 002、磷含量< O. 006 (重量百分比)。3、控制合金中的主要成分(重量百分比％)如下 Ni 29. O 32. O, Cr 14. O 16. O,Mo 1. 30 1. 50，鈦1. 60 2. 30，鋁0. 2 O. 5，硅0.1 O. 3，硼0. 001 O. 06，碳彡 O. 015，硫彡 O. 002，磷彡 O. 006，鐵余量。4、以磷含量低于O. 007wt. %工業(yè)純鐵、電解鎳、金屬鉻、金屬鑰及其它中間合金(如硅鐵、硼鐵、鈦鐵和鋁鐵)為原料，熔煉前先將Fe、N1、Cr和Mo裝入坩堝中，將硅鐵、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑裝入料斗。5、采用CaO坩堝進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，在1530 1570°C精煉處理10 15分鐘，隨后依次加入硅鐵、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑，再次進(jìn)行5 15分鐘精煉，利用CaO坩堝的熱穩(wěn)定性和鈣質(zhì)脫硫劑進(jìn)行脫硫處理，在1480 1520°C澆鑄鑄錠。6、所述鑄錠進(jìn)行常規(guī)真空自耗重熔。7、所述自耗鑄錠，在1050 1150°C保溫5 8h后進(jìn)行合金鍛造，開坯鍛造溫度1050 1150°C，終鍛溫度850 950°C，獲得鍛棒；在鍛至最終規(guī)格前允許回爐再加熱，再熱制度為1050 1150°C下保溫1. 5 3h。8、所述鍛棒在1050 1150°C保溫2 5h后進(jìn)行軋制，開坯軋制溫度1050 1150°C，終軋溫度850 950°C，應(yīng)一次軋制成所需規(guī)格棒材，不進(jìn)行中間退火處理。9、取步驟8中的軋棒進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度控制在970 990°C、保溫時間O. 5 2h,水淬。10、取步驟9中經(jīng)固溶處理后的棒材進(jìn)行710 750°C保溫8 32h的時效處理，空冷。11、取步驟9中經(jīng)固溶處理后的棒材，沿軋制棒材縱截面截取金相試樣，按標(biāo)準(zhǔn)的金相試驗(yàn)方法制備試樣，按GB 10561-2005進(jìn)行夾雜物評定。12、取步驟10中經(jīng)時效處理后的棒材，加工拉伸試樣，按GB228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能檢測。13、取步驟10中經(jīng)時效處理后的棒材加工拉伸試樣，隨后進(jìn)行300°C、10MPa、高純氫(體積純度> 99. 999%)、10天的充氫處理，按GB228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能檢測。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是1、本發(fā)明采用高穩(wěn)定性的CaO作為熔煉用坩堝材料，熔煉過程中在1530 1570°C進(jìn)行一次精煉和一次精煉脫硫工藝方法，在不降低合金中Ti元素含量的情況下，有效脫碳 和脫硫，可實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化Fe-Ni基奧氏體合金中超超低碳控制(C < O. 010%)，抑制熔煉過程中Ti2CS型非金屬夾雜物的生成，保證合金的純凈度。2、本發(fā)明合金的屈服強(qiáng)度(σ。2) 720 820MPa，抗拉強(qiáng)度1020 1120MPa，延伸率26 32%，斷面收縮率55 65%。
3、本發(fā)明中的合金無Ti2CS型非金屬夾雜物的生成，合金在300°C、IOMPa高純氫環(huán)境中放置10天后，屈服強(qiáng)度(σ ^ 2)高于720 780MPa、抗拉強(qiáng)度高于1050 llOOMPa，延伸率高于22 28%，斷面收縮率高于35 45%，氫致塑性損減低于35 45%。


圖1為980°C /lh、水淬處理后合金的微觀組織，其中夾雜物為Ti2CS。圖2為980°C /lh、水淬處理后合金中微觀組織，其中夾雜物為TiN。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:含碳O. 005wt%的高強(qiáng)度、耐氫脆合金棒材(Φ65ι πι)
采用CaO坩堝，在1. O噸真空感應(yīng)爐上熔煉合金，熔煉過程中進(jìn)行一次精煉和一次精煉脫硫處理，隨后澆鑄鑄錠；鑄錠經(jīng)自耗重熔后，進(jìn)行鍛造、軋制制備成Φ65πιπι規(guī)格的合金棒材，其化學(xué)成分見表1，制備過程為1、以磷含量低于O. 007wt. %工業(yè)純鐵(本實(shí)施例為O. 006wt. %)、電解鎳、金屬鉻、金屬鑰及其它中間合金(如硅鐵、硼鐵、鈦鐵和鋁鐵)為原料，熔煉前將Fe、N1、Cr和Mo裝入土甘禍中，將娃鐵、欽鐵、招鐵、砸鐵和韓質(zhì)脫硫劑(如CaO)裝入料斗。2、采用CaO坩堝進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，在1530 1570°C精煉處理10 15分鐘(本實(shí)施例為1540°C精煉10分鐘)，隨后依次加入硅鐵、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑(本實(shí)施例添加順序?yàn)楣梃F、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑)，再次進(jìn)行5 15分鐘精煉(本實(shí)施例為10分鐘)，利用CaO坩堝的熱穩(wěn)定性和鈣質(zhì)脫硫劑進(jìn)行脫碳、脫硫處理，在1480 1520°C澆鑄鑄錠(本實(shí)施例為1520°C)。3、所述鑄錠進(jìn)行真空自耗重熔，自耗鑄錠規(guī)格為Φ280 340mm (本實(shí)施例為Φ 310mm)。4、所述自耗鑄錠，在1050 1150°C保溫5 8h后進(jìn)行合金鍛造(本實(shí)施例為1140°C保溫時間為4h)，開坯鍛造溫度1050 1150°C (本實(shí)施例為1120°C)，終鍛溫度850 1000°C (本實(shí)施例終鍛溫度為900°C)，獲得鍛棒；在鍛至最終規(guī)格前允許回爐再加熱，在加熱溫度1050 1150°C下保溫1. 5 3h(本實(shí)施例回爐加熱三次，在1120°C保溫時間為1. 5h),鍛棒為145 X 145mm方棒。5、所述鍛棒在1050 1150°C保溫2 5h (本實(shí)施例為1130°C保溫時間為3h)后進(jìn)行軋制，開坯軋制溫度1050 1150°C (本實(shí)施例為1120°C)，終軋溫度850 950°C (本實(shí)施例終鍛溫度為900°C )，一次軋制成所需規(guī)格棒材，不進(jìn)行中間退火處理，軋棒尺寸為Φ65πιιη06、取步驟4中的軋棒，在1/4直徑處切取試樣進(jìn)行固溶處理，固溶處理溫度控制在970 990°C (本實(shí)施例為980°C)，保溫時間O. 5 2h (本實(shí)施例為Ih)后水淬。7、取步驟6中經(jīng)固溶處理后的棒材進(jìn)行710 750°C (本實(shí)施例為720°C )保溫8 32h (本實(shí)施例為16h)的時效處理，空冷。8、取步驟6中經(jīng)固溶處理后的棒材，沿軋制棒材縱截面截取金相試樣，按標(biāo)準(zhǔn)的金相試驗(yàn)方法制備試樣，按GB 10561-2005進(jìn)行夾雜物評定，結(jié)果見表2，少量TiN夾雜物照片見圖2。
9、取步驟7中經(jīng)時效處理后的棒材加工拉伸試樣，按GB228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表3。10、取步驟7中經(jīng)時效處理后的棒材加工拉伸試樣，隨后進(jìn)行300°C、10MPa、高純氫(體積純度99. 999%)、10天的充氫處理，按GB228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表3。表I合金的化學(xué)成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%
權(quán)利要求
1.一種超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金，其特征在于，按重量百分計，該合金主要成分的范圍如下Ni 29. O 32. O, Cr 14. O 16. O,Mo 1. 30 1. 50，鈦1. 60 2. 30，招0. 2 O. 5， 硅0.1 O. 3，硼0. 001 O. 006，鐵及不可避免的殘余元素余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金，其特征在于，不可避免的殘余元素包括碳、硫、磷，按重量百分計，該合金中，碳含量控制在< O. 010,硫含量控制在 (O. 002，磷含量控制在< O. 006。
3.按照權(quán)利要求1所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金，其特征在于，合金中無Ti2CS 型非金屬夾雜物的生成。
4.按照權(quán)利要求1所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金，其特征在于，合金的屈服強(qiáng)度720 820MPa，抗拉強(qiáng)度1020 1120MPa，延伸率26 32%，斷面收縮率55 65%。
5.按照權(quán)利要求4所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金，其特征在于，合金在300°C、 IOMPa高純氫環(huán)境中放置10天后，屈服強(qiáng)度高于720 780MPa、抗拉強(qiáng)度高于1050 llOOMPa，延伸率高于22 28%，斷面收縮率高于35 45%，氫致塑性損減低于35 45%。
6.—種權(quán)利要求1 5之一所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金的非金屬夾雜物控制方法，其特征在于，合金制備具體過程如下(1)采用CaO坩堝進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉合金，澆注鑄錠；以磷含量低于O. 007wt. %工業(yè)純鐵、電解鎳、金屬鉻、金屬鑰及其它中間合金硅鐵、硼鐵、鈦鐵和鋁鐵為原料，熔煉前先將Fe、N1、Cr和Mo裝入坩堝中，將硅鐵、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑裝入料斗； 采用CaO坩堝，在1530 1570°C精煉處理10 15分鐘，隨后依次加入硅鐵、鈦鐵、鋁鐵、硼鐵和鈣質(zhì)脫硫劑，再進(jìn)行5 15分鐘精煉，利用CaO坩堝的熱穩(wěn)定性和鈣質(zhì)脫硫劑進(jìn)行脫硫處理，在1480 1520°C澆鑄鑄錠，通過控制合金中的殘余元素碳、硫雜質(zhì)含量，抑制 Ti2CS型非金屬夾雜物的生成。(2)鑄錠進(jìn)行真空自耗重熔；(3)合金鍛造；(4)合金軋制；(5)棒材熱處理。
7.按權(quán)利要求6所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金的非金屬夾雜物控制方法，其特征在于所述步驟(3)中，在1050 1150°C保溫5 8h后進(jìn)行合金鍛造，開坯鍛造溫度 1050 1150°C，終鍛溫度 850 950°C。
8.按權(quán)利要求6所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金的非金屬夾雜物控制方法，其特征在于所述步驟(3)中，鍛成最終規(guī)格前，回爐再加熱，再熱制度為1050 1150°C保溫時間為1. 5 3h。
9.按權(quán)利要求6所述的超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金的非金屬夾雜物控制方法，其特征在于所述步驟(4)中，在1050 1150°C保溫2 5h后進(jìn)行軋制，開坯軋制溫度1050 1150°C，終軋溫度850 950°C，一次軋制成所需規(guī)格棒材，不進(jìn)行中間退火處理。
10.按權(quán)利要求6所述超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆合金的Ti2CS型非金屬夾雜物控制方法，其特征在于所述步驟(5)中，棒材熱處理采用固溶+時效處理，固溶處理溫度控制在.970 990°C，保溫時間O. 5 2h，水淬；經(jīng)固溶處理后的棒材，進(jìn)行710 750°C保溫8 32h的時效處理，空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及沉淀強(qiáng)化奧氏體抗氫脆合金領(lǐng)域，具體地說是一種超超低碳、高強(qiáng)度、耐氫脆Fe-Ni基奧氏體合金及其Ti2CS型非金屬夾雜物的控制方法。按重量百分計，Ni29.0～32.0，Cr14.0～16.0，Mo1.30～1.50，鈦1.60～2.30，鋁0.2～0.5，硅0.1～0.3，硼0.001～0.006，鐵余量。按重量百分計，控制碳含量≤0.010，硫含量≤0.002，磷含量≤0.006。本發(fā)明采用CaO坩堝并以低磷工業(yè)高純鐵為原料，在1530～1570℃進(jìn)行一次和二次精煉，達(dá)到脫碳和脫硫目的，實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化奧氏體合金中超超低碳控制(C≤0.010%)、抑制Ti2CS相生成，保證合金純凈度，提高合金力學(xué)性能。
文檔編號C22C38/54GK102994908SQ20121047994
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者趙明久, 戎利建, 閆德勝, 姜海昌, 胡曉峰, 宋元元, 王本賢 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所