耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金的制作方法

專利名稱：：耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及為在高腐蝕性和磨蝕性環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計的系列鎳基合金。更具體來說，本發(fā)明涉及含有大體積分數(shù)的導(dǎo)致改善耐磨蝕磨損性的碳化物顆粒的系列耐腐蝕性鎳基合金。這類合金通過在感應(yīng)爐中熔化規(guī)定的組合物并氣體霧化來產(chǎn)生合金粉末顆粒而制得。隨后將所產(chǎn)生的合金粉末顆粒通過熱等靜壓(hotisostaticpressing,HIP)工序固結(jié)以獲得實心合金棒，或者可將所述合金粉末用于HIP/鍍覆，以在暴露于磨蝕性/腐蝕性環(huán)境的部件的關(guān)鍵表面上產(chǎn)生耐磨損性/耐腐蝕性層。還可以將所制得的粉末通過諸如各種噴射沉積法、等離子體轉(zhuǎn)移法、激光沉積法等替代性方法施用于關(guān)鍵表面以產(chǎn)生耐磨損性/耐腐蝕性層。
背景技術(shù)：
：隨著制造技術(shù)的進步和新制造工藝的發(fā)展，對用于制造用在苛刻用途中的先進機械的材料的需求持續(xù)增加。許多用途涉及復(fù)雜的且侵蝕性的使用環(huán)境，在這些環(huán)境中，機器部件和加工裝置受到諸如沖擊載荷、強烈腐蝕和劇烈磨損等多種因素的影響。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擠出。現(xiàn)代的塑料通常含有陶瓷纖維添加物以改善其功能性。這些纖維添加物顯著增加了塑料的磨蝕力，這對制造塑料注射成型機和擠出機元件(即機筒、螺桿、螺桿頭部、回路閥等)所用的材料提出了更大的挑戰(zhàn)。最具挑戰(zhàn)性的用途之一是諸如TEFZIL和TEFLON等含氟聚合物的加工。為有助于形成合適的聚合物結(jié)構(gòu)，這種加工要求高溫和潮濕的環(huán)境。這種環(huán)境導(dǎo)致形成腐蝕性極強的氫氟酸(HF)。另外，在非含氟聚合物塑料的加工中，可能形成若干有機和/或無機腐蝕性酸，這會形成強腐蝕性環(huán)境。在干燥食品加工業(yè)中需要解決相似的難題。由于其堅度(consistency)和分散性，所有的干燥食品都具有高度磨蝕性。干燥食品通常含有作為主要保藏添加劑的鹽，這種添加劑對鐵基合金具有高度腐蝕性。另外，有機酸(例如通常存在于干燥食品中的乙酸)對鐵基合金具有強腐蝕性。侵蝕性環(huán)境使得普通的耐磨損性工具鋼不能滿足這些用途，甚至耐磨損性且耐腐蝕性的高級工具鋼在這些苛刻條件下也不能提供滿意的性能。通常用來構(gòu)成注射機和擠出機部件的材料是諸如CPM9V和CPMIOV等耐磨損性冷作工具鋼、諸如CPM⑧S90V等耐磨損性且耐腐蝕性的工具鋼、和鎳基合金。諸如CPM⑧9V或者CPM⑧IOV等常規(guī)冷作工具鋼盡管具有良好的耐磨損性，但在許多涉及塑料或者干燥食品加工的用途中沒有足夠的耐腐蝕性。在某些此類用途中，甚至諸如CPMS90V等耐磨損性不銹工具鋼也不具有足夠的耐腐蝕性。市售鎳基高溫合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性，并且從腐蝕的角度來看，它們在多數(shù)此類用途中表現(xiàn)滿意。然而，它們的主要缺陷是耐磨損性不足或者缺乏耐磨損性。已經(jīng)通過下述方式開發(fā)了數(shù)種合金將形成合金基體的鎳基合金粉末與諸如碳化鎢等硬質(zhì)顆?；旌弦愿纳坪辖鸬哪p特性，或者使硬質(zhì)顆粒"'^滲"在鎳基基材中。然而，這些技術(shù)有其自身局限性，其中最重要的是-大碳化物顆粒通常是有角的并且對最終產(chǎn)品的韌性具有有害影響；-硬質(zhì)顆粒在混合或者熔融過程中具有導(dǎo)致硬質(zhì)顆粒不均相分布的分離趨勢，這導(dǎo)致最終顯微結(jié)構(gòu)中的"軟點"和保護層的不均勻的磨損特性。本發(fā)明的目的是提供耐磨損的鎳基合金，其中耐磨損性可通過以下方法來實現(xiàn)從均相的熔化金屬中"原位"析出硬質(zhì)相(主要是金屬碳化物)，從而獲得硬質(zhì)顆粒在均相基體中的均勻且均相的分布
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的合金是鎳基合金，其中含有碳的添加物和諸如鉻、釩、鉤、鉬、和鈦等強的碳化物形成元素的添加物。平衡所有元素以能夠形成大體積分數(shù)的主要含有釩、鉻、鈦、和鉬的合金碳化物。所述碳化物顆粒的主要作用是改善本發(fā)明的合金的磨損特性和增強本發(fā)明的合金的耐磨蝕性。另外，存留在基體中的所述合金化元素通過固溶強化和金屬間相的沉積而有利于合金的硬度。本發(fā)明的合金由下列元素組成碳以1.0%6.0%，優(yōu)選以2.0%5.5%的量存在，并且其主要功能是與諸如釩、鉻、和鉬等碳化物形成元素形成碳化物。其它以較少的量存在的元素，例如鈦和鋯，可以部分地溶解在富含釩的碳化物屮或者形成少量的離析(separate)碳化物。不希望在基體中溶解有過量的碳，因為其與晶界離析并且使韌性劣化。碳的量通過下述關(guān)系與碳化物形成元素(carbideformingelement,CFE)的量密切相關(guān)1.1<CFE/C<2.5其中CFE=0.2x%V+0.25x%Ti+0,06x%Mo+0.063x%Cr;C為合金中以重量。/。計的碳的量；%V、％Ti、％Mo、。/。Cr分別是本發(fā)明的合金中以重量。/。計的釩、鈦、鉬和鉻的量。鉻以14.0%25.0%，優(yōu)選以16.0%22.5%的量存在。所述鉻的一部分形成碳化物，這有助于改善所述合金的耐磨損性。所述鉻的剩余部分溶解在所述基體中，這有助于固溶強化。鉻還在所述合金的表面上形成薄的氧化物粘附層，這使所述合金免于受到腐蝕性環(huán)境的影響。釩以8.0%22.0%，優(yōu)選以10.0%20.0%的量存在。所述釩添加物的主要目的是形成硬質(zhì)的、耐磨損的富含釩的MC碳化物，其中M表示金屬原子，主要是釩?？商娲鲡C原子的其它金屬原子例如鉻、鈦、和鉬也可以分配到MC碳化物，或者形成離析碳化物。釩必須以比所述碳的量大至少三倍的量存在，即。/。V/。/。C>3。釩的量較少時會導(dǎo)致有過量的碳可用來與諸如鉻、鈦和鉬等其它元素形成碳化物，這是不希望發(fā)生的。太少的釩添加物導(dǎo)致碳化物的體積分數(shù)不足，并且合金的磨損特性一般。如果所述釩和碳的添加物過多，這可以導(dǎo)致碳化物的體積分數(shù)過大，這對所述合金的韌性具有有害影響。碳化物的體積分數(shù)過大還會增加制造難度并且使合金的機械加工特性和粉碎特性劣化。鉬以6.0%15.0%，優(yōu)選以8.0%13.0%的量存在。它同時分配到所述碳化物和所述基體中。它可形成離析的M6C或M23C6碳化物，或者在所述合金中有大量的釩時，它可以溶解在所述MC碳化物中。溶解在所述基體中的鉬有助于固溶強化。鈷以5.0%14.0%，優(yōu)選以6.0%12.0%的量存在。它不形成碳化物而是存留在所述基體中。鈷原子在Y'析出物中能夠取代鎳原子。鈦以1.0%7.0%，優(yōu)選以2.5%5.0%的量存在。鈦的主要用途是形成f析出物和提供基體強化作用。然而，鈦還是強的碳化物形成元素并且由于存在可用的碳，大部分鈦與碳結(jié)合。因此，與市售Ni基高溫合金的鈦含量相比，本發(fā)明的合金中的鈦含量較高。鋁以1.0%4.0%，優(yōu)選以1.0%2.5%的量存在，并且其主要功能是形成y析出物和強化所述合金基體。它還在高溫下形成在所述溫度下有助于保護所述合金的氧化物粘附層。鋯可以以最高達2.0%，優(yōu)選以最高達1.5%的量存在。它是強的碳化物形成物質(zhì)并且與碳結(jié)合。其余部分趨向于與所述晶界離析。硅可以以最高達1.0%，優(yōu)選以不超過0.5%的量存在。它是強的脫氧劑并且應(yīng)被認為是熔化工序產(chǎn)生的殘余元素。鎳余量。它是提供所述合金的關(guān)鍵性質(zhì)(主要是在高溫時的強度)的所述基體的主要元素。它還形成有助于所述合金的強度的Y'析出物。所有的百分比都是重量百分比。應(yīng)該理解的是，前面的概述和后面的詳述只是對所要求保護的本發(fā)明的示例和解釋而不是限制。引入本說明書并且構(gòu)成本說明書一部分的附圖闡釋了本發(fā)明的數(shù)個實施方式并且與說明書共同用來解釋本發(fā)明的原理。圖l(a)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-ll)的經(jīng)蝕刻的顯微結(jié)構(gòu)(200倍的放大倍率)；圖l(b)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-IO的經(jīng)蝕刻的顯微結(jié)構(gòu)(1000倍的放大倍率)；圖2(a)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-9)的經(jīng)蝕刻的顯微結(jié)構(gòu)(200倍的放大倍率)；圖2(b)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-9)的經(jīng)蝕刻的顯微結(jié)構(gòu)(500倍的放大倍率)；圖3(a)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-12)的SEM(掃描電子顯微鏡)顯微結(jié)構(gòu)(100倍的放大倍率)；圖3(b)顯示了本發(fā)明的合金(具體是合金WR-13)的顯微結(jié)構(gòu)的反向散射電子SEM圖像(IOOO倍的放大倍率)。具體實施例方式下面將詳細說明本發(fā)明的當(dāng)前的示例性實施方式，其實施例顯示在附圖中。化學(xué)性表l本發(fā)明的耐磨損耐腐蝕性的M基合金合金代號棒代號NiCrVMoCoTiAlZrSiMnCWR曙901-184余量21,7313.8311.077.314.971.880.750.064.49WR-1002-173余量20.1919,389.406.894.422.061.350.125.25WR-ll02-259余量18.1510.208.7510.103.041.46--2.00WR-1202-260余量18.1811.938.7410.002.981.54--2.45WR-1302-261余量16.7715.158.649.233.041.55--3.00WR-1402-262余量22.0615.8212.037.913.491.68--3.74WR-1504-033余量19.8712.0911.9310.953.391.450.120.062.38WR-1604-034余量19.962.7011.919.883.851.360,010細2.75現(xiàn)有3支術(shù)的對照合金440C17.50—0.50--一-0.300.50.00CP廳S卯VFe14.009.001.00--——0.400.502.30AUoy625余量224.0Nb93.0Fe0.20,2-0.30.150.058實驗合金表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>通過仔細平衡合金化內(nèi)含物和碳的量來確定實驗合金的組成。設(shè)計合金以提供足以形成初生碳化物(primarycarbide)的量的碳。實驗合金的組成列在表1中。將所有合金在電感應(yīng)爐中熔化并且氣體霧化以產(chǎn)生預(yù)合金粉末。收集所產(chǎn)生的粉末，篩選16目以下的級分(-16meshfraction),填裝到圓筒形容器中并使用熱等靜壓(HIP)進行固結(jié)。所有合金被成功固結(jié)成實心棒，從所述實心棒上截取樣品試樣用于耐腐蝕性和耐磨損性測試。在HIP處理后直接對本發(fā)明的合金進行腐蝕性和磨損性測試。本發(fā)明的合金的優(yōu)勢之一是，它們可以在HIP處理后直接使用而不需要熱處理。這可以縮短和簡化整個制造工藝。出于比較目的，測試了數(shù)種作為對照合金的合金。這些合金包括兩種耐磨損性且耐腐蝕性的馬氏體工具鋼，即常規(guī)440C和粉末冶金CPMS90V。之所以選擇這些合金用于比較，是因為它們是經(jīng)常用于本發(fā)明合金的目標(biāo)用途的典型工具鋼材。另外，用于比較測試的還包括了鎳基高溫合金Alloy625，因為它有時在涉及HF環(huán)境的用途中使用。然而，因為它缺乏足夠的耐磨損性，所以它的性能經(jīng)常不能令人滿意。本發(fā)明的合金結(jié)合了鐵基工具鋼和鎳基高溫合金的工作特性，即本發(fā)明的合金具有與耐磨損的馬氏體工具鋼相似的耐磨損性，并且保持了與鎳基合金的耐腐蝕性相似的耐腐蝕性。耐腐蝕性用動電位測試來評估本發(fā)明的數(shù)種合金和用于比較的對照合金的耐腐蝕性。在5%NaCl溶液中測量合金的耐點蝕性。測試根據(jù)ASTMG5進行。以從動電位曲線獲得的點蝕電位(pittingpotential,Epit)確定合金的耐點蝕性。點蝕電位越正，合金越耐點蝕。在HIP處理后直接測試本發(fā)明的合金，在通常用于常規(guī)用途的常規(guī)熱處理條件下測試對照合金。腐蝕性測試的測試結(jié)果在表2中給出。鐵基合金440C和CPMS90V的點蝕電位分別是-220mV和5mV。本發(fā)明的數(shù)種合金(即WR-13、WR-14和WR-16)的點蝕電位分別是503mV、357mV和389mV，這表明本發(fā)明的合金的抗點蝕性明顯好于上述耐磨損性/耐腐蝕性工具鋼。在5。/。氫氟酸(HF)中進行第二項腐蝕性測試。測試根據(jù)ASTMG59進行。腐蝕速率(表2)根據(jù)ASTMF102由在測試中收集的數(shù)據(jù)計算。在這項測試中，腐蝕速率越低，合金對一般腐蝕越有耐性。測試Alloy625和CPMS90V作為參考。經(jīng)測量，在HF溶液中，耐腐蝕性最好的是Alloy625;其腐蝕速率是0.07mm/yr(毫米/年)。本發(fā)明的合金在HF溶液中的腐蝕速率是0.34mm/yr0.7mm/yr。這一腐蝕速率稍高于Ni-基高溫合金的腐蝕速率，但它顯著低于CPMS90V的測定為27mm/yr的腐蝕速率。CPMS90V被認為是最好的市售耐磨損性/耐腐蝕性馬氏體工具鋼之一。磨損性測試使用干砂橡膠輪磨蝕測試(drysandrubberwheelabrasivetest)來測試耐磨損性，該測試經(jīng)常用來檢測諸如塑料注射成型、塑料擠出或者食品加工等用途中所用的材料。測試根據(jù)ASTMStandardG65，DrySandRubberWheelAbrasiveTest進行。同樣，在HIP處理后直接測試本發(fā)明的合金，而將對照合金熱處理至它們的典型應(yīng)用硬度。測試結(jié)果在表2中給出。在ASTMG65測試中，CPMS90V工具鋼的磨蝕重量損失是84mg，而440C工具鋼的磨蝕重量損失是646mg。本發(fā)明的合金的磨蝕重量損失是60mg424mg，這取決于合金的組成和碳化物的體積分數(shù)。碳和碳化物形成元素的量較大的合金(合金WR-9、WR-IO、WR-14)有較低的重量損失，并且與CPMS90V的重量損失相當(dāng)。碳和碳化物形成元素的含量較低的本發(fā)明的合金具有稍高的重量損失，為155mg424mg，但仍低于另一種磨蝕重量損失是646mg的耐磨損性/耐腐蝕性工具鋼440C。高溫合金Alloy625的重量損失是3275mg，至少比本發(fā)明的合金的重量損失大一個數(shù)量級。顯微結(jié)構(gòu):通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)檢查本發(fā)明的合金的顯微結(jié)構(gòu)。將用于光學(xué)顯微鏡檢查的金相學(xué)樣本拋光并使用貝拉哈蝕刻劑(Beraha'setchant)蝕亥U。光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)的例子在圖1和圖2中顯示。顯微結(jié)構(gòu)由均勻分布在Ni基基體中的合金碳化物顆粒組成。初生碳化物顆粒的體積分數(shù)取決于碳含量和碳化物形成元素的量，并且在有最大量的碳和碳化物形成物質(zhì)的組成中，碳化物的體積分數(shù)能夠高達55%。在拋光后直接對金相學(xué)樣本進行顯微結(jié)構(gòu)的SEM檢査。SEM顯微結(jié)構(gòu)的一個例子在圖3中顯示。碳化物顆粒的EDS分析顯示有3種類型的碳化物存在-富含鈦-釩-鉬-鉻；-富含釩-鉬-鈦-鉻；和-富含鉻-鉬-釩。這些元素以在給定類型的碳化物中含量遞減的順序列出。制造體驗使用本發(fā)明的合金WR-13和WR-16制造用于塑料注射成型機的兩個HIP/鍍覆機筒。通過熱等靜壓處理，兩種合金均成功地附著于機筒開口的內(nèi)徑(ID)，這導(dǎo)致粉末完全固結(jié)，且HIP/鍍覆層與機筒基材實現(xiàn)了良好的冶金學(xué)結(jié)合。將兩個機筒都成功精整加工到原始規(guī)格并且提交給顧客進行現(xiàn)場試驗。通過本文公開的本說明書的描述和本發(fā)明的實踐，本發(fā)明的其它實施方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言應(yīng)是顯而易見的。本說明書和實施例應(yīng)只被看作是示例性的，并且本發(fā)明的真實的范圍和實質(zhì)由隨后的權(quán)利要求書說明。權(quán)利要求1.一種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳1％～6％；鉻14％～25％；釩8％～22％；鉬6％～15％；鈷5％～14％；鈦1％～7％；鋁1％～4％；鋯最高為2％；硅最高為1％；和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。2.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳2%5.5%;鉻16°/。22.5%;釩10%20%;鉬8%13%;鈷6%12%;鈦2.5%5%;鋁1%2.5%;鋯最高為1.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。3.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳4°/。5%;鉻20%23%;釩12%15%;鉬10%12.5%;鈷6.5%8.0%;鈦4%6%;鋁1.5%2.5%;鋯最高為1.2%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。4.一種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳5%6%;鉻19%21%;釩18%20%;鉬8.5%10.5%;鈷6%8%;鈦4%5%;鋁1.5%2.5%;鋯最高為2%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。5.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳1.5%2.5°/。；鉻17%19%;釩9.5%12°/。；鉬8%10%;鈷9%11%;鈦2.5%4%;鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。6.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳2%3%;鉻17%19%;釩11%13%;鉬8%10%;鈷9%11%;鈦2.5%4%;鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。7.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳2.5%3.5%;鉻15.5%18%;釩14%16%;鉬8%10%;鈷8%10%;鈦2.5%4%;鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。8.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成-碳3.25%4.25%;鉻21%23%;釩14%16%;鉬11%13%;鈷7%9%;鈦3%4%;鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。9.一種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳2%3%;鉻19%21%;釩11%13%;鉬11%12%;鈷10%12%;鈦2.5%4°/。；鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。10.—種耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金基本由以重量百分比計的下列物質(zhì)組成碳2.25%3.25%;釩12%14°/。；鉻19%21°/。；鉬11%13%;鈷9%11%;鈦3%4.5%;鋁1%2%;鋯最高為0.5%;硅最高為0.5%;和余量的基本為鎳和偶含雜質(zhì)的物質(zhì)。11.如權(quán)利要求110中任一項所述的耐磨損性且耐腐蝕性的鎳基合金，所述鎳基合金通過預(yù)合金熔化物的氣體霧化來制得，并且含有10%55%的初生合金碳化物。全文摘要本發(fā)明涉及在高腐蝕性和磨蝕性環(huán)境的應(yīng)用中使用的鎳基合金。所述合金含有大體積分數(shù)的提供耐磨損性和耐磨蝕性的金屬碳化物顆粒。所述合金通過感應(yīng)熔化和氣體霧化來形成合金粉末顆粒而制得。所述顆粒通過熱等靜壓進行固結(jié)以形成固體物品。文檔編號C22C19/05GK101466857SQ200780021873公開日2009年6月24日申請日期2007年6月13日優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日發(fā)明者安杰伊·L·沃伊切茨斯基申請人:科盧斯博材料有限公司