耐磨损性且耐腐蚀性的镍基合金制造技术

本发明专利技术涉及在高腐蚀性和磨蚀性环境的应用中使用的镍基合金。所述合金含有大体积分数的提供耐磨损性和耐磨蚀性的金属碳化物颗粒。所述合金通过感应熔化和气体雾化来形成合金粉末颗粒而制得。所述颗粒通过热等静压进行固结以形成固体物品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及为在高腐蚀性和磨蚀性环境中应用而设计的系列镍基合 金。更具体来说，本专利技术涉及含有大体积分数的导致改善耐磨蚀磨损性 的碳化物颗粒的系列耐腐蚀性镍基合金。这类合金通过在感应炉中熔化 规定的组合物并气体雾化来产生合金粉末颗粒而制得。随后将所产生的 合金粉末颗粒通过热等静压(hot isostatic pressing, HIP)工序固结以获得实 心合金棒，或者可将所述合金粉末用于HIP/镀覆，以在暴露于磨蚀性/腐 蚀性环境的部件的关键表面上产生耐磨损性/耐腐蚀性层。还可以将所制 得的粉末通过诸如各种喷射沉积法、等离子体转移法、激光沉积法等替 代性方法施用于关键表面以产生耐磨损性/耐腐蚀性层。
技术介绍
随着制造技术的进步和新制造工艺的发展，对用于制造用在苛刻用 途中的先进机械的材料的需求持续增加。许多用途涉及复杂的且侵蚀性 的使用环境，在这些环境中，机器部件和加工装置受到诸如冲击载荷、 强烈腐蚀和剧烈磨损等多种因素的影响。 一些最苛刻的用途的例子有干 燥食品的加工和塑料加工，即塑料注射成型或者塑料挤出。现代的塑料 通常含有陶瓷纤维添加物以改善其功能性。这些纤维添加物显著增加了 塑料的磨蚀力，这对制造塑料注射成型机和挤出机元件(即机筒、螺杆、 螺杆头部、回路阀等)所用的材料提出了更大的挑战。最具挑战性的用途 之一是诸如TEFZIL和TEFLON等含氟聚合物的加工。为有助于形成合适的聚合物结构，这种加工要求高温和潮湿的环境。这种环境导致形成 腐蚀性极强的氢氟酸(HF)。另外，在非含氟聚合物塑料的加工中，可能 形成若干有机和/或无机腐蚀性酸，这会形成强腐蚀性环境。在干燥食品加工业中需要解决相似的难题。由于其坚度(consistency) 和分散性，所有的干燥食品都具有高度磨蚀性。干燥食品通常含有作为 主要保藏添加剂的盐，这种添加剂对铁基合金具有高度腐蚀性。另外， 有机酸(例如通常存在于干燥食品中的乙酸)对铁基合金具有强腐蚀性。侵 蚀性环境使得普通的耐磨损性工具钢不能满足这些用途，甚至耐磨损性 且耐腐蚀性的高级工具钢在这些苛刻条件下也不能提供满意的性能。通常用来构成注射机和挤出机部件的材料是诸如CPM 9V和 CPM IOV等耐磨损性冷作工具钢、诸如CPM⑧S90V等耐磨损性且耐 腐蚀性的工具钢、和镍基合金。诸如CPM⑧9V或者CPM⑧IOV等常规 冷作工具钢尽管具有良好的耐磨损性，但在许多涉及塑料或者干燥食品 加工的用途中没有足够的耐腐蚀性。在某些此类用途中，甚至诸如CPM S90V等耐磨损性不锈工具钢也不具有足够的耐腐蚀性。市售镍基高温合 金具有优异的耐腐蚀性，并且从腐蚀的角度来看，它们在多数此类用途 中表现满意。然而，它们的主要缺陷是耐磨损性不足或者缺乏耐磨损性。 已经通过下述方式开发了数种合金将形成合金基体的镍基合金粉末与 诸如碳化钨等硬质颗粒混合以改善合金的磨损特性，或者使硬质颗粒"'^ 渗"在镍基基材中。然而，这些技术有其自身局限性，其中最重要的是- 大碳化物颗粒通常是有角的并且对最终产品的韧性具有有害影响；- 硬质颗粒在混合或者熔融过程中具有导致硬质颗粒不均相分布的分 离趋势，这导致最终显微结构中的"软点"和保护层的不均匀的磨损 特性。本专利技术的目的是提供耐磨损的镍基合金，其中耐磨损性可通过以下 方法来实现从均相的熔化金属中"原位"析出硬质相(主要是金属碳化 物)，从而获得硬质颗粒在均相基体中的均匀且均相的分布
技术实现思路
根据本专利技术，本专利技术的合金是镍基合金，其中含有碳的添加物和诸 如铬、钒、钩、钼、和钛等强的碳化物形成元素的添加物。平衡所有元 素以能够形成大体积分数的主要含有钒、铬、钛、和钼的合金碳化物。 所述碳化物颗粒的主要作用是改善本专利技术的合金的磨损特性和增强本发 明的合金的耐磨蚀性。另外，存留在基体中的所述合金化元素通过固溶 强化和金属间相的沉积而有利于合金的硬度。本专利技术的合金由下列元素 组成碳以1.0% 6.0%，优选以2.0% 5.5%的量存在，并且其主要功 能是与诸如钒、铬、和钼等碳化物形成元素形成碳化物。其它以较少的 量存在的元素，例如钛和锆，可以部分地溶解在富含钒的碳化物屮或者形成少量的离析(separate)碳化物。不希望在基体中溶解有过量的碳，因 为其与晶界离析并且使韧性劣化。碳的量通过下述关系与碳化物形成元 素(carbide forming element, CFE)的量密切相关1.1 <CFE/C<2.5 其中CFE = 0.2x%V + 0.25x%Ti+ 0,06x%Mo + 0.063x%Cr;C为合金中以重量。/。计的碳的量；%V、 ％Ti、 ％Mo、 。/。Cr分别是本专利技术的合金中以重量。/。计的钒、钛、 钼和铬的量。铬以14.0% 25.0%，优选以16.0% 22.5%的量存在。所述铬的 一部分形成碳化物，这有助于改善所述合金的耐磨损性。所述铬的剩余 部分溶解在所述基体中，这有助于固溶强化。铬还在所述合金的表面上 形成薄的氧化物粘附层，这使所述合金免于受到腐蚀性环境的影响。钒以8.0% 22.0%，优选以10.0% 20.0%的量存在。所述钒添加 物的主要目的是形成硬质的、耐磨损的富含钒的MC碳化物，其中M表 示金属原子，主要是钒。可替代所述钒原子的其它金属原子例如铬、钛、 和钼也可以分配到MC碳化物，或者形成离析碳化物。钒必须以比所述 碳的量大至少三倍的量存在，即。/。V/。/。C > 3。钒的量较少时会导致有过 量的碳可用来与诸如铬、钛和钼等其它元素形成碳化物，这是不希望发 生的。太少的钒添加物导致碳化物的体积分数不足，并且合金的磨损特性一般。如果所述钒和碳的添加物过多，这可以导致碳化物的体积分数 过大，这对所述合金的韧性具有有害影响。碳化物的体积分数过大还会 增加制造难度并且使合金的机械加工特性和粉碎特性劣化。钼以6.0% 15.0%，优选以8.0% 13.0%的量存在。它同时分配到所述碳化物和所述基体中。它可形成离析的M6C或M23C6碳化物，或者在所述合金中有大量的钒时，它可以溶解在所述MC碳化物中。溶解在所述基体中的钼有助于固溶强化。钴以5.0% 14.0%，优选以6.0% 12.0%的量存在。它不形成碳化物而是存留在所述基体中。钴原子在Y'析出物中能够取代镍原子。钛以1.0% 7.0%，优选以2.5% 5.0%的量存在。钛的主要用途是形成f析出物和提供基体强化作用。然而，钛还是强的碳化物形成元素并且由于存在可用的碳，大部分钛与碳结合。因此，与市售Ni基高温合金的钛含量相比，本专利技术的合金中的钛含量较高。铝以1.0% 4.0%，优选以1.0% 2.5%的量存在，并且其主要功能是形成y析出物和强化所述合金基体。它还在高温下形成在所述温度下 有助于保护所述合金的氧化物粘附层。锆可以以最高达2.0%，优选以最高达1.5%的量存在。它是强的碳 化物形成物质并且与碳结合。其余部分趋向于与所述晶界离析。硅可以以最高达1.0%，优选以不超过0.5%的量存在。它是强的脱 氧剂并且应被认为是熔化工序产生的残余元素。镍余量。它是提供所述合金的关键性质(主要是在高温时的强度) 的所述基体的主要元素。它还形成有助于所述合金的强度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨损性且耐腐蚀性的镍基合金，所述镍基合金基本由以重量百分比计的下列物质组成：　碳：１％～６％；铬：１４％～２５％；钒：８％～２２％；钼：６％～１５％；钴：５％～１４％；钛：１％～７％；铝：１％～４％；锆：最高为２％；硅：最高为１％；和余量的基本为镍和偶含杂质的物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安杰伊L沃伊切茨斯基，
申请(专利权)人：科卢斯博材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]