一种具有良好热加工性的耐热合金及其制备方法
【专利摘要】一种具有良好热加工性的耐热合金及其制备方法，属于耐热合金热加工【技术领域】。适用于700℃超超临界火电机组大口径锅炉管用耐热合金成分重量%为：Cr21～23%；Fe≤1.0%；C0.05～0.08%；Mn≤0.3%；Si≤0.1%；Co11～13%；Cu≤0.15%；Mo8.0～10.0%；Ti0.3～0.5%；Al0.8～1.3%；P＜0.010%；S＜0.008%；B0.002～0.005%；Nb≤1.0%；N≤0.015%；Mg0.0035～0.016%；V≤0.6%；余量为镍及杂质。将金属镍、金属铬、金属钴、铌铁、钒铁装于感应炉坩埚中，通过加热至全部熔化，调整温度精炼10～20分钟后加入电解铝和海绵钛，搅拌，加入硼铁，待铝、钛、硼合金熔化后，降温至1450～1470℃，向炉内充入氩气，氩气压力控制在2.3×104Pa～2.6×104Pa，镁以10～20%的镍-镁中间合金的形式加入，保持3～10分钟搅拌后出钢，浇注成锭。提高了热挤压管的热加工工艺的可操作性。
【专利说明】一种具有良好热加工性的耐热合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于耐热合金热加工【技术领域】，特别是涉及一种具有良好热加工性能的耐热合金及其制备方法，适用于700°c蒸汽参数先进超超临界火电机组大口径厚壁相关管道的制造。
【背景技术】
[0002]目前，普遍运行的机组蒸汽参数为31MPa/593°C /593 °C /593 °C，热效率35% (HHV)，为进一步提高电厂效率，节约能源消耗，降低CO2等气体的排放，就需要进一步提高蒸汽参数。在电站蒸汽参数中，包括温度和压力。研究表明，温度的提高可明显提高电站机组的热效率。
[0003]耐热材料是制约火电机组向更高参数发展的主要“瓶颈”问题，大口径锅炉管和集箱则是“瓶颈中的瓶颈问题”。700°C蒸汽参数超超临界火电机组锅炉中的蒸汽温度是逐步升温到700°C，各个温度段均需要有满足使用要求的候选耐热材料。研究表明，P92型马氏体耐热钢可用于620°C蒸汽温度以下部分大口径锅炉管制造；钢铁研究总院刘正东等人研究开发的Gl 15新钢种可用于620°C _650°C蒸汽温度大口径锅炉管制造；而650°C _700°C蒸汽温度段大口径锅炉管的候选材料必须使用镍基耐热合金。研究表明，CCA617镍基耐热合金可用于650°C -70(TC蒸汽温度段大口径锅炉管材料。
[0004]CCA617合金的原型是人们常提起的Inconel617合金，是一种通过Co、Mo等固溶强化和碳化物强化型镍基耐热合金，高含量的固溶元素提供很高的变形抗力，因此需要更高压力的热加工设备。CCA 617合金被制作大口径厚壁锅炉管与其之前使用领域热加工方式明显不同:使用热挤压成型方式制造大口径厚壁锅炉管。CCA617镍基耐热合金工艺塑性差，热加工温度窗口范围为1050~1190°C，热加工温度范围窗口很窄。挤压时进行大变形会在坯料中储存较大的热能，使挤压时坯料温度升高，若温升幅度大于温降幅度，坯料温度高于1200°C时，会使合金晶界处低熔点化合物熔化，损害合金的热加工性能，严重时造成产品开裂；若坯料温度低于1050°C，变形抗力急剧升高，严重损害挤压设备和减少挤压模具寿命。现有技术CCA617合金均匀化扩散退火态的热塑性曲线如图1所示。过窄的热加工温度窗口范围对CCA617合金挤压过程坯料保温、产品表面质量、现场操作工艺等带来极大困难，使得CCA617合金大口径厚壁锅炉管的制造更加困难。
[0005]CN103080346A公开了一种用于汽轮机、发电厂建造等【技术领域】的镍基合金，按重量百分比包括:碳0.05至0.08%，铬21至23% ;铁0.05至1.5% ;锰多达0.5% ;硅多达0.25% ；钴 11 至 13% ;钥8.0 至 10.0% ;钛0.3 至 0.5% ;铝0.8 至 1.3% ;铜多达 0.15% ;磷多达 0.012% ；硫多达0.008% ;硼> 0.002且< 0.005% ;铌多达0-1.0% ;氮多达0.015% ;镁多达0.025%;钙多达0.01% ;钒多达0.6% ;镍为余量以及冶炼引起的杂质。此专利实施例多种成分中并不含Mg元素，也未涉及该合金的热加工性能。
[0006]镁元素是一种沿晶界偏析的元素，不是以析出Mg相形式存在，可起到净化晶界的作用。镍基耐热合金中加入少量Mg元素主要有两个作用:a.Mg对晶界特性的影响:它可降低晶界空位浓度，从而减少晶界扩散系数同时改善晶界碳化物形态；b.Mg可明显提高合金的热加工性，其主要原因是由于Mg元素与合金中杂质元素(S、P等元素)亲和力大，能生成高熔点的稳定化合物，消除低熔点化合物在晶界处的有害影响，提高热加工上限温度，进而提高耐热合金的热加工性。研究表明，镁与硫容易形成高熔点化合物MgS，其熔点大于2000。。。
[0007]然而每一种镍基合金中Mg元素的优良作用都存在一个最佳含量范围。在最佳镁含量范围内，镁元素才能发挥上述有利作用，特别是提高合金的热加工性能；当低于最佳镁含量范围时，镁的有利作用不能充分发挥；若高于最佳镁含量范围，镁元素对合金热加工性能有恶化影响。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种具有良好热加工性的耐热合金及其制备方法，通过添加和优化合金中Mg元素的最佳成分范围，扩大了耐热合金的热加工温度窗口范围，提高该耐热合金的热加工性，为获得合格的产品提供保障。适用于先进超超临界火电机组的大口径锅炉管、集箱等相关管道用耐热合金。
[0009]本发明添加和优化镁元素最佳含量范围，利用“Mg冶金”扩大本发明耐热合金热加工温度窗口范围，提高本发明耐热合金热加工性能。适用于700°C超超临界火电机组大口径锅炉管用耐热合金化学成分(重量％)为:
[0010]Cr21 ~23% ；Fe ( 1.0% ；C0.05 ~0.08% ；Mn ( 0.3% ；Si ( 0.1% ；Coll ~13% ；Cu ( 0.15% ；Mo8.0 ~10.0% ；Ti0.3 ~0.5% ；Α10.8 ~1.3% ；Ρ < 0.010% ；S < 0.008% ；B0.002 ~0.005% ；Nb ( 1.0% ；N ( 0.015% ；Mg0.0035 ~0.016% ；V ( 0.6% ;余量为镍及不
可避免的杂质元素。
[0011]本发明的耐热合金制备方法如下:
[0012]采用现有真空感应炉冶炼技术:将金属镍、金属铬、金属钴、铌铁、钒铁装于感应炉坩埚中，通过加热至全部熔化，调整温度精炼10~20分钟后加入电解铝和海绵钛，搅拌，加入硼铁，待铝、钛、硼合金熔化后，降温至1450~1470°C，向炉内充入氩气，氩气压力控制在
2.3X IO4Pa~2.6X IO4Pa,镁以10~20%的镍-镁中间合金的形式加入，保持3~10分钟搅拌后出钢，浇注成锭，检测各组分重量百分比是否在内控范围内。
[0013]镁收得率的控制原理:
[0014]元素的挥发与它的蒸气压密切相关。在一定条件下，蒸汽压越高的元素挥发损失越大，纯元素镁在1600°C时近似蒸汽压大于IO5Pa,因此镁在真空下挥发性很强，因此直接采用镁元素作为添加剂收得率很低，而且难以控制。为了稳定镁的收得率以及在合金中的均匀分布，通常采用镍-镁中间合金的形式加入，一般采用20X 30mm的标准块度和一定镁含量的镍-镁合金收得率较稳定。
[0015]在冶炼过程中，影响镁收得率的因素是复杂的。第一类是冶炼中可准确控制的有镍-镁合金的成分，镍-镁合金的块度，加镍-镁合金后距出钢时间，翻炉速率以及镁的配入量等因素。第二类是加镍-镁合金时的钢液温度和充入炉内的氩气压力。
[0016]在一定真空度下，加入镍-镁合金时的钢水温度、距出钢的时间以及镍-镁合金中的镁含量等条件一定时，充入炉内的氩气压力较高，镁的收得率越高。研究表明，真空感应冶炼时，充入炉内的氩气压力在2.0X IO4Pa~2.7 X IO4Pa时，镁收得率较稳定。当输入炉内的氩气压力和钢水温度一定时，镁在钢液中的浓度必将随着钢液在炉中的停留时间的增长而逐渐降低。镁原子从钢液中向液-气相界面扩散，其扩散速率随钢液温度的增加而增加，为获得较高较稳定的收得率，加镍-镁合金时钢液温度一般控制在1450~1470°C之间。
[0017]本发明采用现有技术，分析镁元素在真空感应炉冶炼时收得率与各因素的关系。通过控制上述主要因素，利用真空感应炉冶炼镁收得率的生产经验计算，因此利用现有技术冶炼出本发明专利中耐热合金的镁含量。
[0018]本发明的耐热合金，其有益效果是提高合金的上限热加工变形温度，从目前最高变形温度1190°C提高至1250°C左右，扩大了该耐热合金的热加工温度窗口，从而提高了该合金的热加工性能，与现有合金相比较，提高了热挤压管的热加工工艺的可操作性，更易生产出质量合格的产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为现有技术耐热合金均匀化退火态的热塑性曲线。
[0020]图2为本发明不同镁含量耐热合金与现有技术热塑性对比。
具体实施例
[0021]实施例1
[0022]本发明采用50Kg真空感应冶炼炉，经过多轮冶炼，化学成分、主要工艺参数分别如表1和表2所示。其中，表1中0#为现有典型技术成分，1#~8#分别为本发明不同Mg含量的成分。
[0023]表1本发明不同成分
[0024]
【权利要求】
1.一种具有良好热加工性的耐热合金，其特征在于:合金组成以重量％计为:Cr21~23% ；Fe ( 1.0% ；C0.05 ~0.08% ;Mn ( 0.3% ；Si ( 0.1% ；Coll ~13% ;Cu ( 0.15% ；Μο8.0 ~10.0% ；Ti0.3 ~0.5% ；A10.8 ~1.3% ；P < 0.010% ；S < 0.008% ；B0.002 ~0.005% ；Nb ( 1.0% ；N ( 0.015% ；Mg0.0035~0.016% ；V ( 0.6% ;余量为镍及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的耐热合金，其特征在于:该合金用于700°C超超临界火电机组的管道。
3.—种权利要求1或2所述耐热合金的制备方法，其特征在于:将金属镍、金属铬、金属钴、铌铁、钒铁装于感应炉坩埚中，通过加热至全部熔化，调整温度精炼10~20分钟后加入电解铝和海绵钛，搅拌，加入硼铁，待铝、钛、硼合金熔化后，降温至1450~1470°C，向炉内充入氩气，氩气压力控制在2.3 X IO4Pa~2.6 X IO4Pa,镁以10~20%的镍-镁中间合金的形式加入，保持3~1 0分钟搅拌后出钢，浇注成锭。
【文档编号】C22C1/03GK103614593SQ201310661039
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】刘正东, 陈正宗, 包汉生, 杨钢, 干勇 申请人:钢铁研究总院