提高镍基超合金高温强度及热加工塑性的微合金化方法 技术领域 本发明涉及一种合金的加工方法。
背景技术 目前性能优良的大马力汽车等发动机气门，均采用超合金来取代铬镍锰氮系奥氏体耐热钢，镍基超合金(EMS215合金)就是其中的一种。该合金是依靠铝钛元素与镍生成金属间化物[Ni3(Al.Ti)]即γ′相，进行弥散沉淀硬化型的镍基超合金。它在高温下具有强度高、热变形抗力大、抗热辐射和抗氧化的优良性能。但是这些优良性能也带来热加工塑性差、易产生裂纹的负面缺陷。
发明内容 本发明的目的在于提供一种既保持镍基超合金原有的优良性能又能提高其高温强度和热加工塑性的微合金化方法。本发明主要是在EMS215合金初炼(第一次冶炼)时加入镁，使获得的EMS215合金中含镁0.003％-0.008％，同时在对其进行电渣冶炼(第二次冶炼)时，保持该合金中的镁含量不变。上述EMS215合金的初炼与现有的常规EMS215合金地初炼工艺方法基本相同，即以金属镍、铬、铁、钛、铝、铌、锆及硼、碳为原料，在感应炉内炼制的，只是在出钢前需加入0.008％-0.012％镁，并且是以镍-镁合金形式加入。由于镁的加入改变了合金晶界碳化物的形态，即由细片状变为球状和椭球状，并且间距加大。该形态使合金在高温受力作用时可提高强度并改善合金的热加工塑性。但是由于镁是极活泼的元素，为防止镁在电渣冶炼过程中烧损保证其在合金中的含量不变，因此本发明在电渣冶炼时采用四元渣系电渣。该四元渣系包括有：提纯的氟化钙63％-67％、三氧化二铝18％-22％、氧化钙8％-12％、氧化镁3％-7％。最好提纯的氟化钙占65％、三氧化二铝占20％、氧化钙占10％、氧化镁占5％。前面三种为常规渣系成分，而增加的氧化镁，可补充在冶炼时镁的烧损，使电渣锭中的镁含量保持在0.003％-0.008％。渣量采用下面公式计算：渣量＝(4-5)％G锭，其中G锭为电渣锭重。
本发明基本采有常规的电渣冶炼工艺方法，电渣冶炼的电压V工作＝0.6D结+31其中V工作为工作电压(V)，D结为结晶器直径(cm)。在金属电极开始重熔时，采用大电流持续2-3分钟，然后采用正常电流(2900-3300A)进行提渣温。该大电流的计算可采用下面公式：I工作＝K结·D结式中I工作为工作电流(A)，K结为结晶器线电流密度(A/cm)，K结≈150-250A/cm，平均值K结＝200A/cm，D结为结晶器直径(cm)。另在结晶器水冷底座上放置本钢种底垫，其厚度为15-20cm，该底垫的面积是结晶器底座面积的80％。这样做就是让热量下移，不仅把底垫打化一部分，同时熔化的金属电极溶液很快铺展在铜底座上，驱走正在凝固的渣层，这样可使导电面积增加，使电渣冶炼过程中电流稳定，也保证了电渣锭表面光滑不出渣沟。同时铜冷底座不打弧，提高了水箱的使用寿命。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、由本发明获得的产品，除保持EMS215合金原有的优良性能外，还大大地改善了该合金的高温强度及热加工塑性，使之能顺利轧制成符合要求的小规格型材。
2、电渣锭表面光滑，减少钢锭打磨量。
3、铜冷底座使用寿命提高，电渣冶炼更加安全。
【具体实施方式】
例1
向炉底垫有少量生石灰的500公斤中频感应炉中加入331.414公斤规格为150*200mm的镍板(品号为镍-01)、69.75公斤小块金属铬(0号)、27公斤小块纯铁(铁含量99.8％)、4.05公斤铌条(牌号为TNb-1)0.18公斤石墨。料加完后开启电源，将感应炉功率控制在300千瓦。当炉内原料发红时，逐渐加入预热至600-800℃的渣料(小于20mm)15公斤，该渣料中生石灰(CaO含量为96％)9公斤、萤石(CaF2含量为98％)6公斤。当原料全部熔化后，分三批加入Al-CaO脱氧剂，每批的重量依次是700克、500克和300克，每隔5分钟加一批。当第三批脱氧剂作用完后，将温度控制在1460-1480℃，加入6.3公斤特一级小铝块、10.575公斤小钛块。加完铝、钛后将感应炉功率调到300千瓦，搅拌5分钟，然后将功率降到280千瓦，使其温度保持在1470-1490℃。加完铝、钛20分钟取样分析。再加入200克脱氧剂，间隔7-10分钟加一批，在此期间始终保持白渣状态。分析结果：铝含量为1.3％、钛含量为2.3％，准备出钢。先提高感应炉功率至320千瓦，将炉温升至1500-1520℃插入用薄铝板包好的0.0225公斤硼铁和0.45公斤金属锆，随后加入0.27公斤镍-镁合金，然后用压力为2.0大气压氩气保护出钢并浇铸成Φ90*2800EMS215合金电极棒。该EMS215合金中镍占69.59％、铬占14％、铁占9％、钛占2％、铝占0.9％、铌占1.2％、锆占0.1％、镁占0.008％、铝+钛占3.1％、碳占0.1％、硼占0.0015％。
取上述Φ90*2800含镁量为0.008％的EMS215合金电极棒，清除其上的毛刺及沾上的赃物，并焊牢假电极。取提纯氟化钙(CaF2含量≥97％)3.28千克、三氧化二铝0.94千克、氧化钙(CaO≥95)0.62千克、氧化镁0.36千克，炉外化渣，进行液渣起弧。采用DZSP-150型结晶器进行冶炼，其内设Φ120*15本钢种底垫，冶炼电压：45V，冶炼电流：金属电极开始重熔时，采用4000A电流经过2分钟后再采用2900-3300A电流。当金属电极重熔快要结束时，逐渐减小电流至1500A电压至35V，使小头充填丰满，然后让电渣锭在空气中徐冷至室温脱锭，得到130千克电渣锭。
例2
向炉底垫有少量生石灰的500公斤中频感应炉中加入331.486公斤规格为150*200mm的镍板(镍-1电解镍)、69.75公斤小块金属铬(0号)、27公斤小块纯铁(铁含量99.7％)、4.05公斤铌条(牌号为TNb-2)、0.18公斤石墨。料加完后开启电源，将感应炉的功率控制在300千瓦。当炉内原料发红时，逐渐加入预热至600-800℃的渣料(小于20mm)15公斤，该渣料中生石灰(CaO含量为95％)9公斤、萤石(CaF2含量为97％)6公斤。当原料全部熔化后，分三批加入Al-CaO脱氧剂，每批的重量依次是700克、500克和300克，每隔5分钟加一批。当第三批脱氧剂作用完后，将温度控制在1460-1490℃，加入6.3公斤特二级小铝块，10.575公斤小钛块。加完铝、钛后将感应电炉功率调到300千瓦，搅拌5分钟，然后将功率降到280千瓦，使其温度保持在1470-1490℃。加完铝、钛20分钟取样分析。再加入200克脱氧剂，间隔7-10分钟加一批，在此期间始终保持白渣状态。分析结果：铝含量为1.3％、钛含量为2.3％，准备出钢。先提高感应炉功率调至320千瓦，将炉温升至1500-1520℃插入用薄铝板包好的0.0225公斤硼铁和0.45公斤金属锆，随后加入0.18公斤镍-镁合金，然后用压力为2.0大气压氩气保护出钢并浇铸成Φ150*2800EMS215合金电极棒。该EMS215合金中镍占69.94％、铬占17％、铁占5％、钛占2％、铝占1.5％、铌占0.7％、锆占0.1％、镁占0.003％、铝+钛占3.7％、碳占0.05％、硼占0.0015％。
取上述Φ150*2800含镁量为0.003％的EMS215合金电极棒，清除其上的毛刺及沾上的赃物，焊牢假电极。取提纯氟化钙(CaF2含量≥97％)12.1千克、三氧化二铝4千克、氧化钙(CaO含量≥95％)1.44千克、氧化镁0.54千克。炉外化渣，进行液渣起弧。采用DZSP-250型结晶器进行冶炼，其内设Φ150*20本钢种底垫，冶炼电压：46V，冶炼电流：金属电极开始重熔时，采用5000A电流经过3分钟后再采用2900-3300A电流。当金属电极重熔快要结束时，逐渐减小电流至2000A电压至35V，使小头充填丰满，然后让电渣锭在空气中徐冷至室温脱锭，得到362千克电渣锭。
对上述电渣冶炼产品各项性能指标进行检测结果如下表： σb δ ψ 高温应力持久寿命 技术标准要求值 1100MPa 12％ 20％(室温) 30小时 未加镁的 EMS215合金 1220MPa 17％ 26.5％ 例1的电渣锭 1220MPa 36％ 45％ 97小时 例2的电渣锭 1238MPa 34％ 42％ 92小时
从上表可以看出，加镁EMS215合金的δ平均值是未加镁EMS215合金的δ值2.059倍，加镁EMS215合金的ψ平均值是未加镁EMS215合金的ψ值1.64倍，加镁EMS215合金的高温应力持久寿命平均值是未加镁EMS215合金高温应力持久寿命的3.15倍
注：本申请文件中所涉及的百分比均为重量百分比。