鎳基耐熱合金的製作方法
2023-05-22 06:12:56 2
專利名稱：鎳基耐熱合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及對高溫氧化以及同時發生氯化腐蝕或硫化腐蝕等的強腐蝕性環境表現出良好的耐蝕性的鎳基合金。
為了謀求金屬材料的壽命延長，從降低腐蝕的觀點來看，通過冷卻降低金屬溫度是優選的，而為了在1000℃附近的氛圍氣下使用，降低金屬溫度作為降低氛圍氣溫度的要因，自然是優選的。
為了調查在含有HCl(氯化氫)的環境下的腐蝕性，進行了腐蝕實驗。試驗片是採用用作高溫高強度高腐蝕性合金的市售的Ni-33Cr-15W合金(也稱之為「T合金」)。在試驗片上流過含有HCl的氣體(N2-10％O2-1000ppm)，在900℃下保持200小時。圖6是試驗後的T合金試樣的斷面的顯微鏡照片。發現T合金有劇烈的內部腐蝕，如果進一步將試驗片研磨光滑後並放置在室內，則在試驗片表面上形成水滴。這是因為在合金內部形成的氯化物具有潮解性，同空氣中的水分凝結而在合金表面上形成水滴。因為發生了這樣的氯化腐蝕，所以材料受到顯著的腐蝕。
本發明者為了開發具有前述優良的特性的合金，有必要詳細地知道其的氯化腐蝕的發生條件，所以用市售的Ni-33Cr-15W合金分別進行900℃、1000℃和1100℃下的腐蝕實驗，由此得到圖7所示的厚度減少的結果。從圖6和圖7可以看出，腐蝕量在900℃下最大，隨著溫度上升，腐蝕量趨向於減少。900℃的試驗片在斷面上形成水滴，1000℃、1100℃的試驗片沒有觀察到這些水滴，通過抑制在合金內部的氯化物生成，可減少腐蝕量。
其中，為了提高腐蝕性而製作添加Al(鋁)的合金，在900℃的含氯環境下進行腐蝕實驗。Al的添加是向市售的Ni-33Cr-15W合金基體中添加Al，這時為了使得合金相穩定化，可減低W。在本腐蝕實驗中，使用Ni-33Cr-10W-2Al作為添加Al的合金。這時的斷面腐蝕形態示於圖1中。將試驗片研磨光滑後，在室內放置4小時，發現在添加了Al的合金中完全沒有引起象前述Ni-33Cr-15W合金的圖6中所見的水滴形成，由此可知通過Al的添加可以抑制內部氯化物的形成。
腐蝕量在900℃附近是大的，發現隨著溫度上升，腐蝕量有減少的傾向。為了把握在含氯環境下的腐蝕舉動，對添加了旨在提高腐蝕性的Al和Si(矽)的合金在各溫度下進行腐蝕實驗。Al和Si的添加是將Al和Si添加至市售的Ni-33Cr-15W合金，這時為了使得合金相穩定化，可減低W。在本腐蝕實驗中，使用Ni-33Cr-10W-2Si-2Al作為添加了Al和Si的合金。腐蝕實驗的結果可見，在圖2中所示的溫度依存性。在900℃附近見到的劇烈腐蝕通過添加Al而得以降低。單獨添加Si可增加耐蝕量，通過同時添加Al和Si可進一步提高腐蝕性。在這些溫度區域使用材料的情況下，為抑制在800～900℃下的劇烈腐蝕而添加Al至合金，為了進一步提高耐蝕性適量添加矽和為提高高溫強度適量添加W，可顯示出額外附加的特徵。
本發明是基於前述的各實驗完成的。
也就是說，本發明是通過下述手段解決了上述的課題。
(1)一種耐高溫耐蝕性鎳基合金，其以重量％計含有Cr 25～40％，Al 1.5～2.5％，C(碳)0.1～0.5％，W 15％以下，Mn(錳)2.0％以下，Si 0.3～6％，Fe 5％以下，剩餘的是不可避免的雜質和Ni(鎳)。
(2)根據上述(1)的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W 8％以下，Si 0.3～1％。
(3)根據上述(1)的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W 8％以下，Si 1～6％。
(4)根據上述(1)的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W 8～15％，Si 0.3～1％。
(5)根據上述(1)的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W 8～15％，Si 1～6％。
本發明通過在前述的耐高溫耐蝕性鎳基合金中添加Si和Al，可進一步提高其耐高溫耐蝕性，且通過改變其組成中的W和Si的含量，可以得到具有適應於其用途的適宜的性質的鎳基合金。
但是，鎳基合金必須保持在含氯環境下的耐蝕性的基本性質。
圖1是顯示在含氯的環境中、900℃下實驗的本發明的研磨之後和室內放置後的斷面的顯微鏡照片。
圖2是顯示在含氯的條件下，腐蝕試驗下的腐蝕量的溫度依存性的圖形。
圖3是表示在O2-Cl-S共存環境下暴露的試驗中的本發明的合金和比較合金的腐蝕量。
圖4是表示本發明合金和比較合金在大氣中1100℃下的耐高溫氧化性。
圖5是表示本發明合金和比較合金在800～1100℃的溫度下、在含氯環境中的耐蝕性的圖形。
圖6是用於在900℃下，含氯環境中的腐蝕試驗的現有的作為高溫高強度合金的T合金的斷面的顯微鏡照片。
圖7是用於在900℃、1000℃和1100℃的各溫度下，含氯環境中的腐蝕試驗的現有的作為高溫高強度合金的T合金的斷面的顯微鏡照片。
Cr是用於改進高溫耐腐蝕性不可缺少的元素，與氛圍氣中的氧結合形成Cr2O3薄膜，發揮了良好的高溫耐蝕性。在超過1000℃的溫度下，如果Cr的添加量低於25％，則不能發揮充分的效果，而Cr的添加量超過40％，則有可能析出對高溫耐蝕性有害的α-Cr層。所以，Cr的添加比率限定為25％～40％。
如前述圖1所示，為了提高對含氯環境的耐蝕性，添加Al1.5％以上，但添加2.5％以上的Al就導致鑄造性惡化，所以將Al的添加量限定為1.5％～2.5％。Al的添加比率的優選範圍是1.8％～2.2％。
從耐蝕性觀點來看，C的添加比率優選儘可能少，但是為了提高機械強度和鑄造性的作用，因此將C的添加比率限定為0.1～0.5％。
W是為提高高溫強度不可缺少的添加元素。如果在Ni-Cr合金中W的添加量超過15％，則根據實施例(圖5)，在900℃的耐蝕性惡化，所以將W的添加比率的上限設定為15％。但是，特別是考慮到在需要耐高溫的部位的材料使用，因為W是昂貴的金屬，所以添加W會使成本上升。另外，如實施例中所示，即使不含有W的合金也有充分提高耐蝕性的效果，所以W的添加下限是不添加，為0％。
Mn使耐氧化性、高溫強度降低，最好不多量地添加，但是可以提高鑄造物的鑄造性，作為脫氧材和脫硫材也是有效的。因此，為了不顯著地降低耐氧化性和高溫強度，Mn的含量是2％以下，更優選是1％以下。
Si是使高溫強度降低，但是對提高鑄造性和提高耐氧化性有效的元素。為了能發揮提高鑄造性效果，將Si含量的下限設定為0.3％。在材料相比於強度而言，更需要耐蝕性的場合，可提高Si含量，為了不引起強度下降，將其上限設定為6％。通常的Si添加量是0.3～1.0％左右。對於提高耐蝕性的優選範圍是2～6％。
從耐蝕性觀點來看，優選不含有Fe(鐵)。在製造基本合金時，為了抑制成本，在考慮到使用碎屑作為原料時，Fe作為雜質混入。為了即使混入Fe，也不會顯著地劣化基本合金的性能，所以將Fe含量的上限設定為5％。Fe的含量在實用上優選是1％以下。
本發明的合金因為是機械強度優良的，所以加工是困難的。因此在使用該合金製作機械部件時，優選採用鑄造法。通過該方法可以降低成本。
另外，在製作管狀部件時，為了適用本發明的合金，最好採用離心鑄造法。根據該方法，可以形成成本低廉，且外表面側是耐蝕性優良的組織。
另外，通過變更本發明的合金的基本組成，可以得到所需的形態的合金。
根據本發明的一個實施形態，設定Si含量為0.3～1％，W含量為8％以下，所以通過降低W含量，可以控制成本，通過控制Si含量，可以確保一定程度的強度且具有高耐蝕性。
其次，在基本組成的合金中，設定Si含量為1～6％，W含量為8％以下，所以通過降低W含量，可以控制成本，通過增加Si含量，強度降低，但成為耐蝕性飛躍地提高的、優良的耐蝕性合金。
另外，在基本組成的合金中，設定Si含量為0.3～1％，W含量為8％～15％以下，所以通過增加W含量，可以維持耐蝕性和確保高的高溫強度。
在基本組成的合金中，設定Si含量為1～6％，W含量為8％～15％以下，所以通過W確保高溫強度，通過增加Si含量，使耐蝕性飛躍地提高，可保持一定程度的高溫強度且表現出優良的高溫腐蝕性。
再者，在基本組成的合金中，將Fe含量設定為1％以下，所以通過抑制作為雜質的Fe含量，可改善高溫腐蝕性。優選作為雜質的Fe的含量是儘可能少。
實施例通過以下實施例，具體地說明本發明。但是，本發明不限於這些實施例。
實施例1(試驗合金)為了調查本發明的鎳基合金的性質，製成組成變化的本發明的合金和作為比較材的各種合金的試驗片，並進行各種測試。另外，本發明的合金是用離心鑄造法進行製造。
在試驗中使用的合金的組成是示於表1中。
表1試驗中所用的試驗片的化學組成
(暴露試驗)1.暴露條件·氛圍氣 O2和Cl或S等共存的氛圍氣·氛圍氣的溫度850～980℃·暴露時間554小時2.測試方法·求得試驗前後的外徑變化(單位毫米)，由此得到由腐蝕造成的厚度減少量。
3.測定結果·測定結果示於圖3中。
根據圖3可知，添加了Al的本發明的合金，厚度減少量均是小的，腐蝕性均小，並可改善耐蝕性。
(氧化試驗)1.暴露條件·氛圍氣 大氣中·氛圍氣的溫度1100℃·暴露時間200小時2.測定方法·去鏽後，測得由氧化引起的腐蝕減少量(單位mg/cm2)。
3.測定結果·測定結果是示於圖4中。圖4是顯示本發明合金和比較合金在大氣中的耐高溫氧化性。
根據圖4可知，試樣No.6～7的添加了Al的本發明合金大幅度地改善了耐氧化性。
(腐蝕試驗)1.暴露條件·氛圍氣 N2-10％O2-1000ppm Cl氣體中·氛圍氣的溫度800～1100℃·暴露時間200小時2.測試方法·切斷試驗片，測定在其斷面上腐蝕部分的最大深度(單位毫米)，求得腐蝕量。
3.測定結果·測定結果示於圖5中。圖5是本發明合金和比較合金的在含Cl的環境下的耐蝕性。
根據本發明，提供了一種耐高溫性和耐蝕性優良，特別是能在含有Cl的強腐蝕環境下有效地使用，所以在以前難以使用的環境下壽命長且可靠性高的金屬材料。
而且，即使在高溫氧化以及同時發生氯化或硫化之類的強腐蝕環境中在高溫下使用，腐蝕性也是低的，而且在1000℃以上之類的高溫下使用時，腐蝕性也是低的，所以可以在高溫腐蝕性氛圍氣下使用。
另外，可以製得適合於具體使用目的的合金組成，在具有一定程度的強度即可的場合，可使用具有充分的耐蝕性且成本得以控制的合金。另外，在不是太要求強度，而要求耐蝕性足夠大的場合，可以使用成本得以控制的合金。
本發明的材料是可以在高溫氧化以及同時發生氯化腐蝕或硫化腐蝕等強腐蝕性環境下使用。
權利要求
1.一種耐高溫耐蝕性鎳基合金，其以重量％計含有Cr25～40％，Al1.5～2.5％，C0.1～0.5％，W15％以下，Mn2.0％以下，Si0.3～6％，Fe5％以下，剩餘的是不可避免的雜質和Ni。
2.根據權利要求1的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W8％以下，Si0.3～1％。
3.根據權利要求1的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W8％以下，Si1～6％。
4.根據權利要求1的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W8～15％，Si0.3～1％。
5.根據權利要求1的耐高溫耐蝕性鎳基合金，其中以重量％計含有W8～15％，Si1～6％。
全文摘要
本發明涉及一種鎳基合金，其在高溫氧化以及同時發生氯化或硫化的高溫複合腐蝕環境下，不需過度的冷卻和表面保護等，就具有充分的高溫強度且高溫耐蝕性優良。本發明的耐高溫耐蝕性鎳基合金以重量計含有Cr25～40％，Al1.5～2.5％，C0.1～0.5％，W15％以下，Mn2.0％以下，Si0.3～6％，Fe5％以下，剩餘的是不可避免的雜質和Ni。當可接受小的高溫強度時，W的含量是0～8％，Si的含量是0.3～1％或1～6％，而當需要大的高溫強度時，W的含量是8～15％，Si的含量是0.3～1％或1～6％。
文檔編號C22C19/05GK1471590SQ01817887
公開日2004年1月28日 申請日期2001年10月24日 優先權日2000年10月25日
發明者野口學, 松岡慶, 內野章, 阪本英之, 八鍬浩, 岡部道生, 植田茂紀, 澤田義行, 之, 生, 紀, 行 申請人:株式會社荏原製作所, 大同特殊鋼株式會社