镍-铬-钼合金的两步时效处理制造技术

本发明专利技术提供一种对含１２％－２３．５％铬的Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ合金进行两步热处理的工艺，与根据现有技术的时效硬化后的类似合金相比，该工艺能使处理的合金具有更高的屈服强度，高的抗拉强度和其它可比的机械性能，整个处理工艺在不超过５０小时内完成。但是，该工艺只适用于那些其中的合金元素的存在量满足本申请中公开的公式的合金。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对铬含量为12-23.5重量％的镍-铬-钼合金的热处理工艺。时效硬化是冶金工业中使用的一种工艺，可以使合金成分具有更高的强度，这可用本领域常用的屈服强度，抗拉强度及缺口应力断裂试验测定。许多应用领域需要高抗拉强度和低热膨胀性能的结合。其中的一个领域是航空航天工业。另一个领域是固定式燃汽轮机中使用的密封环。高抗拉强度和延展性的结合对于螺栓是非常有用的。因为在这些领域中要求金属制品多种操作条件和性能参数，所以使用了各种时效硬化方法。一种常用的技术是将合金加热到选择的高温，使合金在该温度下保持一段时间，然后将合金冷却到室温。对于某些合金组合物，可以将合金加热到一定温度，冷却，再加热到第二个温度，再冷却。美国专利3871928中公开了这些工艺的一些例子。合金时效硬化的温度和时间取决于合金的组成。对于所有可时效硬化的工业合金，工业上已经将时效硬化的温度和时间标准化，因为大家已经知道，这样的温度和时间能够使其达到所要求的性能。对于高铬含量，即铬含量大于12％的Ni-Cr-Mo合金，本领域中一般的观点是除初次退火外进行热处理以改善其机械性能是不实际的，因为需要的时间长(几百至几千小时)，并且仅仅还没有进行过这样的处理。固溶体强化的镍-铬-钼(Ni-Cr-Mo)合金和镍-钼(Ni-Mo)合金在工业领域如化学工业中得到了广泛应用。扣除存在的少量碳化物相，一般可以认为这些合金是单相材料，通常认为这些合金不响应热处理，因此在退火条件下使用。例外情况是一些特殊合金具有工业上可利用的时效硬化反应。但是，在这些情况下，观察到的时效硬化反应归因于其它元素，如合金组合物中存在的铌，铝和钛例外情况是将在后面讨论的HAYNES242TM合金。Ni-Cr-Mo和Ni-Mo合金在工业上不能时效硬化这一事实并不意味着它们对中温热暴露(heat exposure)没有任何冶金反应。实际上，当这种合金处于约538℃-871℃的温度下时，这些合金能够发生复杂的二次相反应。不幸的是，这些形成的相对于合金延展性及其它使用性能方面经常是有害的。特别是在含约25-30％钼的Ni-Mo合金中能够观察到这一现象。在这样的材料中，处于约538℃-871℃的温度下将在显微结构中迅速形成脆性Ni3Mo或Ni4Mo相。这对于合金细件的生产及细件性能都是一个问题。对于含约16重量％钼和16重量％铬的低钼含量、高铬含量的Ni-Cr-Mo合金，在短期热暴露后通常观察不到这些特殊的金属间相的产生。在约538℃-649℃的温度下长期热暴露时，会有独特的冶金响应。热暴露约500-1000小时后，在显微结构中明显存在有Ni2(Mo，Cr)相。长程有序相Ni2(Mo，Cr)的结构类似于Pt2Mo的结构，能够大大提高这些材料的强度，并且不会对其延展性有大的破坏。一个主要缺点是生成该相所需要的时效时间长。有几篇美国专利公开了Ni-Cr-Mo合金。美国专利4818486公开了一种低热膨胀性的镍基合金，该合金含有5％-12％的铬和10％-30％的钼。该专利指出对于大多数Ni-Mo-Cr合金，在不形成有害相的条件下达到所需硬度一般需要在649℃-816℃的温度下时效处理1000小时以上。但是，该专利公开的合金组合物只是在649℃下时效处理低至24小时。该专利的合金已经在市场上销售，商标为242合金和HAYNES 242合金。HAYNES 242合金已售往需要高抗拉强度和低热膨胀系数的领域。242合金的其它有益性能包括良好的热稳定性，良好的低周期疲劳强度及由于其抗拉强度和延展性所产生的优秀的收容能力。HAYNES242合金由下述元素组成约8％(重量)的铬，约20-30％的钼，约0.35％至约0.5％的铝，最高0.03％的碳，最高约0.8％的锰，最高约0.8％的硅，最高约2％的铁，最高约1％的钴，最高约0.006％的硼，和余量的镍。对于高Cr含量(＞12％Cr)的Ni-Mo-Cr合金，目前需要一种比美国专利4818486公开的工艺时间更短的在工业上可利用的时效硬化工艺，这种工艺能够避免生成有害的Ni3Mo和Ni4Mo相及mu(μ)相的产生。授权于Crum等人的美国专利5019184公开了另一种Ni-Cr-Mo合金。该合金含有19％-23％的铬和14％-17％的钼。该专利公开了在1149℃-1260℃下对该合金均匀热处理5-50小时。热处理的目的是生产具有所需显微结构的抗腐蚀合金，而不是为了强化合金。该专利没有给出这些样品的抗拉强度数据。运用该专利生产的合金已经工业化，名称为INCONE合金686。授权于Heubner等人的美国专利4906437公开了另一种Ni-Cr-Mo合金。该合金含有22-24％的铬和15％-16.5％的钼。该专利没有公开对该合金进行了任何热处理或时效硬化。该专利公开的合金已经工业化，名称为VDM NICROFER 923hMo或合金59。授权于Matthews等人的美国专利4129464公开了一种高屈服强度的Ni-Cr-Mo合金。该合金含有13％-18％的铬和13％-18％的钼。该专利声称可用单个时效处理步骤对该合金进行了时效处理，在482℃-593℃下至少处理50小时，但是所有的实施例都处理了168小时或更长时间。至少需要50小时是168小时时效处理结果的外推结论。该专利报道了三种标号为1，2，3的合金的数据。合金1可以商购，商标为HASTELLOY C-276合金。合金2可以商购，商标为HASTELLOY C-4合金。合金3可以商购，商标为HASTELLOY S合金。近来我们观察了在10-20小时的总时间内进行两步热处理工艺，能够提供可接受的机械性能。但是，当尝试将类似的两步工艺用于高铬含量的Ni-Cr-Mo合金时，一些合金具有可接受的性能，而另一些则不具有可接受的性能。对于在化学工业中想用作抗腐蚀合金的合金，需要使用更高铬含量的合金。因此，我们需要确定是否存在一类可定义的高铬含量的合金，该合金进行时间较短的两步时效工艺处理后具有可接受的机械性能。优选实施方案的说明我们提供一种对含12％-23.5％铬的Ni-Cr-Mo合金进行两步时效处理的工艺，生产的合金适用于需要抗腐蚀、高抗拉强度和优良拉伸延展性的领域。该时效硬化工艺包括在约691℃至约760℃下将合金时效硬化处理8-20小时，将合金冷却至约538℃至约718℃，合金在此温度下停留至少8小时，优选24-36小时，然后将合金冷却至室温。但是，我们发现该工艺只能使那些其中的合金元素的含量使P值为31.2-35.9的合金具有可接受的机械性能，P值定义为P＝2.46Al+0.19Co+0.83Cr-0.16Cu+0.39Fe+0.59Mn+1.0Mo+0.81Zr+2.15Si+1.06V+0.39W+0.68Nb+0.52Hf+0.45Ta+1.35Ti我们测试了20种镍基试验合金和5种商购的Ni-Cr-Mo合金，其组成示于表1。商购合金是HASTELLOY S片，HASTELLOY C-276板，HASTELLOY C-4板，合金59片和INCONEL合金686片。表1中的符号“n.m.”表示没有测定到该元素的存在。表1还示出了每一种合金的P值。试验合金的铬含量从合金H的11.56％至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍－铬－钼合金，包括下述元素： １２％－２３．５％的铬； １３％－２３％的钼； 最高约３％的铁； 至少一种选自下述元素的合金元素：铝、硼、碳、钴、铜、铪、铁、锰、铌、硅、钽、钨、钒和锆；和 余量的镍及杂质； 其中，合金的Ｐ值为３１．２－３５．９，Ｐ值定义为： Ｐ＝２．４６Ａｌ＋０．１９Ｃｏ＋０．８３Ｃｒ－０．１６Ｃｕ＋０．３９Ｆｅ＋０．５９Ｍｎ＋１．０Ｍｏ＋０．８１Ｚｒ＋２．１５Ｓｉ＋１．０６Ｖ＋０．３９Ｗ＋０．６８Ｎｂ＋０．５２Ｈｆ＋０．４５Ｔａ＋１．３５Ｔｉ 用两步热处理法加工该合金，该方法包括：在约６９１℃至约７６０℃下将该合金时效硬化处理至少８小时；将合金冷却到约５３８℃至约７１８℃；合金在此温度下停留至少８小时；然后将合金冷却至室温。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：LM小派克，DL克拉斯卓姆，MF罗斯曼，
申请(专利权)人：海恩斯国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]