具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性特性的Fe-Ni基合金及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Fe-Ni基合金及其制造方法，所述Fe-Ni基合金能夠用于高溫高 壓環(huán)境或高壓氫氣環(huán)境或其中兩者疊加的環(huán)境中。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為能夠在諸如600°C以上的高溫高壓環(huán)境下使用的結(jié)構(gòu)材料，可以提及的有具 有優(yōu)異高溫強度的Ni基合金和Fe-Ni基合金。Ni基合金具有優(yōu)異的高溫抗張強度和蠕變 特性，并且已經(jīng)開發(fā)了即使在700°C以上的高溫下也能夠使用的合金，并將其用于發(fā)電設(shè)備 和噴氣發(fā)動機部件。然而，由于Ni基合金在鑄塊制造期間傾向于導(dǎo)致宏觀偏析，所以據(jù)認 為難以制造無偏析的大型鑄塊。作為由其可相對容易地制造大型鑄塊的耐熱合金，可以提 及的有例如因科鎳（Inconel(商標(biāo)，下文中同樣適用））合金718、因科鎳合金706、A286等。 這些合金在相對大型的鑄塊的制造性方面是優(yōu)異的，并且已經(jīng)由約10噸的鑄塊制造了用 于發(fā)電的燃氣渦輪盤或轉(zhuǎn)子軸材料。
[0003] 此外，在高壓氫氣環(huán)境下使用的情況下，有必要使用具有低氫脆易感性的材料作 為壓力容器的結(jié)構(gòu)材料。因為強度和延展性因氫脆性而顯著降低，所以安全性的降低變成 了一個大的問題。通常，具有較高強度的材料顯示增加的氫脆易感性，特別是當(dāng)存在有害的 析出相時，已知氫脆易感性大大增加。作為實現(xiàn)耐氫脆性和高強度兩者的合金，存在例如在 專利文獻1和2中提出的那些。在專利文獻1中，據(jù)認為通過對JISSUH660鋼（下文中， A286合金）進行冷加工，變得可以獲得高強度而不增加氫脆易感性。在專利文獻2中，據(jù)報 道通過對NbC在Fe-Ni基合金中的面積比率的上限進行限定，可以降低氫脆易感性。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005] 專利文獻
[0006]專利文獻 1 :JP-A-2〇ll_68919
[0007]專利文獻 2 :JP-A-2008-144237

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 技術(shù)問題
[0009] 如上所述，由于Ni基合金在鑄塊制造期間傾向于導(dǎo)致宏觀偏析，所以難以制造無 偏析的大型鑄塊，并且能夠制造的鑄塊尺寸根據(jù)合金組成而受限。因此，在目前的煉鋼技術(shù) 中難以應(yīng)用于相對大型的結(jié)構(gòu)部件。
[0010]盡管Fe-Ni基合金在短時間高溫特性方面不如Ni基合金，但由于該合金在大型鑄 塊的制造性方面是優(yōu)異的，所以存在可以將Fe-Ni基合金應(yīng)用于要在高溫下使用的大型結(jié) 構(gòu)部件的可能性。另一方面，關(guān)于氫脆易感性，該特性在合金中是不同的。對于主要的合金， 例如因科鎳合金718在高溫強度方面是優(yōu)異的，但由于在晶粒邊界上析出S相，所以其具 有高氫脆易感性。由于因科鎳合金706具有高的Nb含量并且在長期時效時析出對氫脆易 感性有害的析出相，所以其作為要在高溫下長時間加熱的結(jié)構(gòu)材料的用途是不合適的。由 于A286不含有任何對氫脆易感性有害的析出相，所以將其視為具有低氫脆易感性的材料。 然而，由于A286在高溫強度方面不如上述合金，所以存在作為結(jié)構(gòu)部件的用途導(dǎo)致重量增 加和成本增加的問題。
[0011] 另外，關(guān)于通過如在專利文獻1中提出的冷加工獲得的高強度，由于據(jù)認為將其 用于高溫環(huán)境中的情況下該效果將消失，所以將其使用限定在相對低的溫度下的使用。關(guān) 于在專利文獻2中提出的方法，在氫氣濃度超過25ppm的情況下和在高溫下使用的情況下， 該方法的效果是不清楚的。
[0012] 已經(jīng)完成了本發(fā)明以解決上述的常規(guī)問題中的問題，本發(fā)明的目的是提供具有優(yōu) 異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金和所述合金的制造方法，所述合金可被用作要在 高溫高壓環(huán)境下或高壓氫氣環(huán)境下、或兩者疊加的環(huán)境下使用的大型壓力容器等的結(jié)構(gòu)部 件。
[0013] 技術(shù)方案
[0014]即，在發(fā)明的具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金中，發(fā)明的第一 方面的特征在于，組成按質(zhì)量％計包含(：：0.005%~0.10%，31 :0.01%~0.10%，？： 0? 015% 以下，S:0? 003% 以下，Ni:23. 0%~27. 0%，Cr:12. 0%~16. 0%，Mo:0? 01% 以 下，恥：0.01%以下，1:2.5%~6.0%，六1:1.5%~2.5%和11 :1.5%~2.5%，余量為？6 和其它不可避免的雜質(zhì)。
[0015] 根據(jù)發(fā)明的第二方面的具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金，在發(fā)明 的第一方面中，所述合金按質(zhì)量％計含有P:〇. 003%~0. 015%。
[0016] 根據(jù)發(fā)明的第三方面的具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金，在發(fā)明 的第一或第二方面中，所述組成還含有B:0. 0020 %~0. 0050 %和Zr:0. 02 %~0. 05 %中 的一種或兩種。
[0017] 根據(jù)發(fā)明的第四方面的具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金，在發(fā)明 的第一至第三方面中的任一方面中，所述合金在金屬結(jié)構(gòu)中不含n相且含有按體積比為 15%以上的y'相。
[0018] 根據(jù)發(fā)明的第五方面的具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合金，在發(fā)明 的第一至第四方面中的任一方面中，在625°C下的拉伸試驗中，耐氫脆性指數(shù)（拉伸試驗中 面積比：充氫的材料/材料本身的降低）為0. 4以上。
[0019] 作為發(fā)明的第六方面的用于制造具有優(yōu)異的高溫特性和耐氫脆性的Fe-Ni基合 金的方法，該方法的特征在于，在950°C以上對具有根據(jù)發(fā)明的第一至第三方面的任一方面 的組成的合金進行恪體化處理（solutiontreatment)之后，在700°C~800°C的范圍內(nèi)對 所述合金進行第一階段時效熱處理，然后在700°C~800°C的范圍內(nèi)在比第一階段時效熱 處理的溫度低的溫度下進行第二階段時效熱處理。
[0020] 有益效果
[0021] 如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以制造具有優(yōu)異高溫強度和耐氫脆性的Fe-Ni基合金。 另外，由于該合金含有許多便宜的Fe，所以與Ni基合金的情況相比可以降低原料成本，并 且由于所述Fe-Ni基合金是基于在大型鑄塊的制造性方面良好的Fe-Ni基體，所以應(yīng)用于 大型部件變得可能。
【附圖說明】
[0022] 圖1為顯示發(fā)明的實施例中的時效硬化曲線的圖。
[0023] 圖2(a)~圖2(c)為替代通過掃描顯微鏡觀察獲得的圖的照片，其顯示試驗材料 在固溶熱處理和時效熱處理后的微觀結(jié)構(gòu)。圖2(a)涉及實施例1的試驗材料，圖2(b)涉 及比較例2的試驗材料，圖2(c)涉及比較例3的試驗材料。
[0024] 圖3為顯示實施例1和比較例1~3的蠕變試驗結(jié)果的圖。
[0025] 圖4為顯示實施例1和比較例1~3的充氫的材料的拉伸試驗結(jié)果的圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將對本發(fā)明中限定的含量與限制的原因一起進行說明。附帶地，組成中各個 成分的含量以質(zhì)量％顯示。此外，"質(zhì)量％ "和"重量％ "具有相同的意思。
[0027] 合金組成
[0028]C:0.005%~0.10%
[0029] C為添加元素，其形成碳化物從而抑制合金的晶粒的粗化并且在晶粒邊界上析出 從而提高高溫強度，由于當(dāng)含量少時不顯示足夠的提高強度的效果，所以有必要含有至少 0.00 5%以上的量的C。然而，當(dāng)含量太大時，存在其它有效析出相如Y'相的體積分數(shù)由于 過量的碳化物形成而降低或氫脆易感性受到不利影響的擔(dān)憂，所以將上限設(shè)定為〇. 10%。 由于相同的原因，期望將下限設(shè)定為〇. 01%且將上限設(shè)定為〇. 08%。
[0030]Si:0? 01%~0? 10%
[0031]Si為有效地用于脫氧等的成分，為了獲得該效果，有必要含有至少0.01%以上的 量的Si。然而，由于Si促進宏觀偏析特性且是對韌性和氫脆易感性有害的析出相的構(gòu)成元 素，所以將含量的上限設(shè)定為〇. 10%。由于相同的原因，期望將下限設(shè)定為0.01%且將上 限設(shè)定為0.08%。
[0032] P:0.015% 以下
[0033] 當(dāng)過量地含有P時，存在如下可能：P在晶粒邊界上的偏析變得過度從而降低晶粒 邊界的一致性，并且因此降低氫脆易感性的效果消失。因此，將P的含量限定為〇. 015%以 下。
[0034] 此外，除了不可避免地含有P的情況，可以由于以下原因而有意地含有P。即，當(dāng)以 適當(dāng)?shù)牧亢蠵時，據(jù)認為存在如下效果：抑制氫在晶粒邊界上的過量積累并且通過增加 晶粒邊界的一致性而降低氫脆易感性。為了獲得該效果，有必要含有0.003%以上的量的 P。 因此，期望含有在0. 003%~0. 015%的范圍內(nèi)的P。
[0035]S:0.003% 以下
[0036] 將S的含量上限設(shè)定為工業(yè)上可實現(xiàn)的0. 003%。
[0037]Ni:23. 0%~27. 0%
[0038]Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素并且還是對于析出Y'相變得必需的元素。然而，當(dāng)過量 地含有Ni時，存在形成鎳氫化物的擔(dān)憂，所以將含量的下限設(shè)定為23.0%并且將其上限設(shè) 定為27. 0%。由于相同的原因，期望