镍基合金Inconel601及其制备方法、应用与流程

镍基合金inconel 601及其制备方法、应用
技术领域
1.本发明提供了一种镍基合金inconel 601及其制备方法、应用。


背景技术：

2.耐热钢广泛应用于冶金、矿山、电力、水泥机械等工业部门，如火力发电厂的锅炉喷燃器、球团矿烧结机中的篦条和熟料窑冷却机的扬料板以及水泥工业的热工设备耐热件等。这些耐热钢零部件在特殊的工况下(高温、磨料磨损等)与氧化性气体(o2、h2o、co2和so2等)接触时，会发生氧化反应，对工业生产和零部件的使用寿命都会产生不利的影响，所以要求材质不仅具有一定的耐磨性，还要有良好的抗氧化性，才能满足使用要求。
3.金属的高温抗氧化性则是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。镍基合金由于其有较高的铬含量使其可用于许多腐蚀和高温环境中，而铝的加入进一步提高了它的强度和抗氧化特性，使其具有优异的高温抗氧化性能，同时具有较好的高温力学性能和耐腐蚀性能，并且易于成形、加工和焊接，可制作成板、管、丝、带、棒、锻件等，在石油化工、冶金、热处理、环保等领域得到了广泛应用。镍基合金中的重要牌号inconel 601，其高温抗氧化性仅为0.5g/(m2·
h)，虽然属于抗氧化性等级，但是对于一些特殊应用领域，其高温抗氧化性有待进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题在于克服了现有技术镍基合金inconel 601的高温抗氧化性能有待进一步提高的缺陷，提供了一种镍基合金inconel 601及其制备方法、应用。本发明制备得到的镍基合金inconel 601的抗氧化性较现有技术进一步提升，甚至可达到完全抗氧化性，更适合应用于有高抗氧化性需求的领域。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.现有技术虽有公开n元素可以有助于提高合金的抗氧化性，是在耐热合金领域，存在一个技术偏见，即n和al元素不能同时添加，因为二者容易在熔炼和高温服役环境下结合生成aln，降低了基体中al元素的含量，使其抗氧化性能变差。本发明正是克服了这一技术偏见，在镍基合金inconel601中创造性地添加n元素，使inconel 601的高温抗氧化性显著提升，甚至达到完全抗氧化性等级。
7.本发明提供了一种镍基合金inconel 601，其包括：1.5～1.7％的al和0.05～0.1％的n，其中百分比均为各组分相对于所述镍基合金inconel 601的重量百分比。
8.本发明中，所述al占的重量百分比较佳地为1.6～1.7％，例如1.62％、1.65％或1.66％。
9.本发明中，所述n占的重量百分比较佳地为0.07～0.08％，更佳地为0.079％。
10.本发明中，本领域技术人员常规可以理解，所述镍基合金inconel 601还包括ni元素。
11.其中，所述ni元素在所述镍基合金inconel 601中所占的重量比较佳地为58.0～
601中的铝含量。
29.同时，inconel 601的常规精炼工艺中，精炼时间较长，一般在20～25min，因为精炼时间越长，脱硫、发泡、去除夹杂物的效果越好，并且常规认为在20～25min的精炼时间下各原料组合才能有效地混合均匀；但是inconel 601中铝含量较高，精炼时需要搅动钢水，钢水中的氧会析出与铝形成一层氧化膜浮在钢水表面，导致铝含量降低，抗氧化性性能不佳。本发明创造性地使用镍基母合金在低氧气分压下进行精炼，并配合缩短精炼时间，不仅保证了脱硫、发泡和去除夹杂物的效果，同时有效提高了成品中铝含量到1.5％以上，将inconel 601的抗氧化性提高了一倍以上。
30.表1 inconel 601合金的化学成分
31.元素nicrfeal
‑‑
含量/％58.0～63.021.0～25.0余量1.0～1.7
‑‑
元素cmnssicu含量/％≤0.10≤1.0≤0.015≤0.50≤1.0
32.本发明中，所述镍基母合金的制备方法可为本领域常规，一般地，将镍基合金inconel 601的原料混合物进行熔炼，铸锭即可。
33.其中，所述原料混合物可为本领域常规，一般地包括镍、铬、铝。
34.所述原料混合物中，所述镍的纯度较佳地为不低于99.9％，更佳地为99.99％。
35.所述原料混合物中，所述铬的纯度可为本领域常规，较佳地为不低于99.9％，更佳地为99.99％。
36.所述原料混合物还可以包括铁。
37.原料混合物中加铁可以调整其他成分范围，而且不引入杂质元素。
38.其中，所述熔炼的气氛可为本领域常规，较佳地氧气分压不高于6pa，更佳地氧气分压不高于4pa。
39.其中，所述熔炼的终点可为本领域常规，较佳地使钢液无气泡、无杂质即可。
40.其中，所述熔炼后、所述铸锭前较佳地还包括取样分析、调整元素含量，使al含量满足如上所述，其他元素满足inconel 601的标准要求。
41.所述调整元素含量可通过本领域常规的方法实现，一般地添加所述取样分析得出的元素含量低于目标值的组分即可。
42.原料混合物熔炼过程中会有少量的铝、铬被氧化导致镍基母合金中的al、gr含量较原料混合物中铝和铬的占比下降，通过上述取样分析和调整元素含量步骤可以调整镍基母合金中各元素的含量。
43.本发明中，所述镍基母合金较佳地还包括氮元素。
44.其中，所述氮元素在所述镍基母合金中的重量比较佳地为0.05-0.1％。
45.所述镍基母合金中包括所述氮元素时，所述原料混合物可包括本领域常规的含氮元素的金属化合物。其中，所述含氮元素的金属化合物较佳地为氮化铬铁。
46.所述氮化铬铁中氮的含量可为本领域常规，较佳地不低于5wt.％，更佳地为10wt.％。
47.加氮化铬铁不会在体系中引入杂质元素，铁和铬都是镍基合金inconel601的有益元素。
48.发明人研究中发现，inconel 601中加入氮元素，不仅克服了n和al元素不能同时添加的技术偏见，还显著地进一步提升了inconel 601的高温抗氧化性，使其达到完全抗氧化性等级。
49.本发明中，所述精炼的时间较佳地为8～12min，更佳地为10min。
50.本发明中，所述精炼的温度可为本领域常规，较佳地为1500～1600℃，更佳地为1600℃。
51.本发明中，所述氧化性气体可为本领域常规能将铝氧化为氧化铝的气体，一般地包括o2。
52.本发明中，所述氧化性气体的分压较佳地小于0.3pa，更佳地小于0.2pa。
53.其中，所述精炼的气氛可通过本领域常规的方法实现，较佳地，先抽真空至绝压不高于3pa，再通入非氧化性气体同时继续抽真空。
54.所述非氧化性气体可为本领域常规，较佳地为氮气或惰性气体。
55.所述惰性气体可为本领域常规，较佳地为氩气。
56.抽真空至绝压不高于3pa后边通非氧化性气体边抽真空的作用在于，持续保持精炼过充中气氛中氧化性气体的含量处于较低的水平。
57.精炼的气氛实现过程中，所述抽真空至绝压不高于3pa较佳地包括两个阶段：第一阶段，先后开机械泵、罗茨泵，真空度抽到20帕以下，开始送电融化；第二阶段，抽真空至绝压不高于3pa。
58.其中，所述浇铸过程中，所述氧化性气体的分压可通过本领域常规的方法实现，较佳地，将所述浇铸的气氛抽真空至绝压不高于3pa即可。
59.所述抽真空至绝压不高于3pa可通过本领域常规的方法实现，较佳地通过机械真空泵和罗茨真空泵的串联实现。
60.本发明中，所述精炼和所述浇铸过程一般地可在熔炼炉中进行。所述熔炼炉可为本领常规的能耐高真空的熔炼炉，较佳地为中频感应熔炼炉。其中，所述中频感应熔炼炉的感应频率可为本领域常规，较佳地为1200～1800hz，更佳地为1500hz。
61.本发明中，本领域技术人员常规可以理解，所述精炼前较佳地还包括所述熔炼炉的模壳焙烧过程。
62.其中，所述模壳焙烧的温度可为本领域常规，较佳地为1000～1100℃，更佳地为1050℃。
63.其中，所述模壳焙烧的时间可为本领域常规，较佳地为1.5～4h，更佳地为2h。
64.本发明中，所述浇铸的温度可为本领域常规，较佳地为1530～1580℃，更佳地为1530～1550℃。
65.inconel 601的现有生产工艺中，浇铸温度一般在1500℃，发明人在研究中发现，将浇铸温度提高到1530～1580℃，可以进一步促进了奥氏体的形成，从而进一步提升inconel 601的抗氧化性，同时也使得合金中各元素溶解更加均匀，提升合金材料性能的均一性。
66.本发明中，所述浇铸后较佳地还包括热处理步骤。
67.其中，所述热处理温度较佳地为1100～1250℃，更佳地为1200℃。
68.其中，所述热处理的时间较佳地为1～3h，更佳地为3h。
69.其中，所述热处理后较佳地还进行冷却步骤。所述冷却较佳地为水冷。
70.发明人研究中发现，热处理后的inconel 601碳化物颗粒明显减小，晶粒更加致密，能进一步提升合金材料的抗氧化性。本领域常规地认为，浇铸后进行高温热处理会导致氧化，所以一般浇铸后没有热处理步骤。本发明的inconel 601高温抗氧化性能优越，浇铸后进行热处理，不仅没有促进氧化的发生，反而进一步提升了合金材料的抗氧化性。
71.本发明还提供了一种由上述制备方法制得的镍基合金inconel 601。
72.本发明还提供了一种如上所述的镍基合金inconel 601在抗氧化材料领域中的应用。
73.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
74.本发明所用试剂和原料均市售可得。
75.本发明的积极进步效果在于：
76.本发明的镍基合金inconel 601的高温抗氧化性能更好，1100℃下氧化速度可均低于0.25g/(m2·
h)，甚至可低至0.06g/(m2·
h)，达到完全抗氧化等级；在高温环境下能使用更长时间，抵抗更加恶劣的高温环境。
附图说明
77.图1～3分别为实施例1～3所得镍基合金inconel 601在1100℃下氧化100h后的实物图。
78.图4为对比例1所得镍基合金inconel 601在1100℃下氧化100h后的实物图。
79.图5～6分别为实施例3热处理前后金相图，图5为热处理前，图6为热处理后。
具体实施方式
80.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
81.以下实施例和对比例所用原材料的牌号、纯度和生产厂商如下所示：
82.纯镍，牌号nickel200，纯度99.9％，上海氏捷实业有限公司；
83.纯铬，牌号cr-1，纯度99.95％，北京兴荣源科技有限公司；
84.纯铝，牌号1020，纯度99.9％，上海青浩金属集团有限公司；
85.氮化铬铁，牌号fecrn10，n含量为10％，上海神运铁合金有限公司。
86.实施例1
87.s1：制备母合金
88.取纯镍63份、纯铬23份、纯铝1.65份、纯铁12.35份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬或铝元素的含量低于表2所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬和铝元素含量达到表2所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
89.s2：制备镍基合金inconel 601
90.1050℃下对模壳焙烧2h，装填s1所得的镍基母合金，关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空，真空度小于20pa时送电，母合金熔清后，继续抽高真空至绝压小于1pa进行精炼，精炼温度1600℃，精炼时间10min，精炼过程中通入氩气，并继续抽真空。精炼结束后关停氩气，炉内抽真空至绝压小于1pa，钢温在1550℃时开始浇铸，所得合金1200℃加热3h，水冷，得到镍基合金inconel 601。
91.对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表2所示。
92.表2实施例1所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0093][0094]
实施例2
[0095]
s1：制备母合金
[0096]
取纯镍63份、纯铬25份、纯铝1.62份、纯铁10.38份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬或铝元素的含量低于表3所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬和铝元素含量达到表3所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
[0097]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0098]
s2与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0099]
对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表3所示。
[0100]
表3实施例2所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0101][0102]
实施例3
[0103]
s1：制备母合金
[0104]
取纯镍63份、纯铬25份、纯铝1.66份、氮化铬铁0.79份，纯铁9.55份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬、铝或氮元素的含量低于表4所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬、铝和氮元素含量达到表4所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
[0105]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0106]
s2与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0107]
对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表4所示。
[0108]
表4实施例3所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0109][0110]
实施例4
[0111]
s1：制备母合金
[0112]
取纯镍63份、纯铬25份、纯铝1.5份、氮化铬铁0.5份，纯铁10份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬、铝或氮元素的含量低于表5所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬、铝和氮元素含量达到表5所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
[0113]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0114]
s2与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0115]
对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表5所示。
[0116]
表5实施例4所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0117][0118][0119]
实施例5
[0120]
s1：制备母合金
[0121]
取纯镍63份、纯铬25份、纯铝1.7份、氮化铬铁1份，纯铁9.3份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬、铝或氮元素的含量低于表6所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬、铝和氮元素含量达到表6所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
[0122]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0123]
s2与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0124]
对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表6所示。
[0125]
表6实施例5所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0126][0127]
实施例6
[0128]
s1：制备母合金
[0129]
取纯镍63份、纯铬25份、纯铝1.66份、氮化铬铁0.79份，纯铁9.55份，加入熔炼炉中关闭炉盖打开机械泵和罗茨泵抽真空至压力小于20pa时送电，至炉料完全熔化，继续熔化
直到钢液无气泡、无杂质。此时从钢水中取样分析各元素含量，如果镍、铬、铝或氮元素的含量低于表7所示的数值，则在母合金熔炼过程中补充相应原材料，直至母合金中镍、铬、铝和氮元素含量达到表7所示，进行浇铸，得到镍基母合金。
[0130]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0131]
钢温在1500℃时开始浇铸，不进行热处理，其他均与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0132]
对s2所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表7所示。
[0133]
表7实施例6所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0134][0135]
对比例1
[0136]
1050℃下对模壳焙烧2h，取纯镍63份、纯铬23份、纯铝1.18份、纯铁12.82份装料，装料后关闭炉盖抽真空至压力为20帕以下，开始送电融化，熔清后精炼20-25分钟，精炼时抽真空至压力小于8pa，精炼后取样进行元素分析，如果镍、铬或铝含量低于表8所示的数值，则补充相应原材料，继续精炼，直至采样分析镍、铬和铝含量达到表8所示；精炼后钢温在1500℃时开始浇铸，得到镍基合金inconel 601。
[0137]
对所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表8所示。
[0138]
表8对比例1所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0139][0140]
对比例2
[0141]
1050℃下对模壳焙烧2h，取纯镍63份、纯铬23份、纯铝1.68份、纯铁12.32份装料，装料后关闭炉盖抽真空至压力为20帕以下，开始送电融化，熔清后精炼20-25分钟，精炼时抽真空至压力小于8pa，精炼后取样进行元素分析，如果镍、铬或铝含量低于表9所示的数值，则补充相应原材料，继续精炼，直至采样分析镍、铬和铝含量达到表9所示；精炼结束后钢水表面形成一层很厚的氧化膜，无法通过晃动附着在精炼炉边上，精炼后钢温在1500℃时开始浇铸，氧化铝膜会浇铸到合金中，得到镍基合金inconel 601表面疏松、内部有气孔，产品不合格。
[0142]
对所得镍基合金inconel 601各元素含量进行分析，结果如表9所示。
[0143]
表9对比例2所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0144]
[0145]
对比例3
[0146]
s1：制备母合金
[0147]
s1与实施例1的s1相同，得到ni、gr和al含量分别为63％、23％和1.65％的镍基母合金。
[0148]
s2：制备镍基合金inconel 601
[0149]
精炼时抽真空至压力小于8pa，其他均与实施例1的s2相同，得到镍基合金inconel 601。
[0150]
对所得的镍基合金inconel 601进行元素分析，结果如表10所示。可见，gr含量和al含量都较实施例1有明显的降低。
[0151]
表10对比例3所得镍基合金inconel 601各元素含量表
[0152][0153]
效果实施例
[0154]
1、镍基合金inconel 601外观比对
[0155]
对实施例1～3和对比例1所得的镍基合金inconel 601用手机进行拍照，分别如图1～4所示。从图中可以看出，实施例1～3所得的镍基合金inconel 601样块的表面质量更好，氧化脱落明显少于对比例1样块。
[0156]
2、金相显微镜测试
[0157]
对实施例3浇铸后不进行热处理所得的合金样块以及热处理后的镍基合金inconel 601用金相显微镜进行表征，结果分别如图5和6所示。从图中可以看出，热处理后碳化物颗粒明显减小，晶粒也更加细小，有利于形成更加致密的氧化膜，促进抗氧化性的提高。
[0158]
3、高温抗氧化性能测试
[0159]
高温抗氧化实验按gb/t13303-1991采用增重法测定试样氧化速度。实施例1～6和对比例1、对比例3所得镍基合金inconel 601切割为30*15*5mm的样块，表面打磨光滑，粗糙度值ra达到0.8μm，测量尺寸，洗净干燥后放入恒重的刚玉坩埚中称重，然后放入马弗炉中保持1373k(1100℃)恒温加热，分别在20h、40h、60h、80h、100h时取出试样连同坩埚整体称重。按gb/t13303-1991第5.2节和5.6节公式(2)采用80～100h内质量变化计算氧化速度，试验结果如表11所示。
[0160]
表11实施例和对比例所得镍基合金inconel 601高温抗氧化性能数据
[0161][0162][0163]
由表11可以看出，本发明实施例1～2通过对精炼工艺的改进成功地将镍基合金inconel 601中的铝含量提高到1.5％以上，将镍基合金inconel 601的100h平均氧化速度由0.52g/(m2·
h)降低到0.25g/(m2·
h)以下，甚至可低至0.232g/(m2·
h)。实施例3、5、6说明在提高al元素含量的同时添加n元素，能将镍基合金inconel 601的抗氧化性能进一步提升至接近或低于0.1g/(m2·
h)，甚至可低至0.06g/(m2·
h)，达到完全抗氧化等级。