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耐硫酸和濕法磷酸的Ni-Cr-Mo-Cu合金的制作方法

文檔序號(hào):3339564閱讀:382來源:國(guó)知局
專利名稱:耐硫酸和濕法磷酸的Ni-Cr-Mo-Cu合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明主要涉及有色金屬合金組合物,更加具體的涉及鎳-鉻-鉬-銅合金,其提供了一種有用的耐硫酸和耐“濕法”磷酸特性的組合。
已知鉻有益于鐵-鎳合金和鎳-鐵合金在“濕法”磷酸中的耐腐蝕性。已知銅有益于這些相同合金系統(tǒng)的耐硫酸性,并且鉬通常有益于鎳合金的耐腐蝕性。然而,這些合金添加物的使用受熱穩(wěn)定性考慮的限制。換句話說,如果大量的超過這些元素的溶解度,就難以避免在微結(jié)構(gòu)中發(fā)生有害的金屬間相的沉積。這些沉積可以影響鍛造產(chǎn)品的生產(chǎn)并損害焊接件的性能。
由于在鎳中,鉻、鉬和銅比在鐵中更易溶解,進(jìn)而這些元素在低鐵的鎳合金含量更高是可能的。因此,具有高的鉻含量的含鉬的鎳合金的存在并不稀奇。美國(guó)專利No.5424029公開了一系列這種合金,盡管這些合金需要添加范圍在1到4wt%的鎢,并不需要銅。美國(guó)專利No.5424029宣稱這種合金對(duì)多種介質(zhì)具有優(yōu)異的耐腐蝕性,盡管沒有在純的硫酸和“濕法”磷酸中測(cè)試。值得注意的是,美國(guó)專利No.5424029宣稱沒有鎢將導(dǎo)致明顯更高的腐蝕速率。同樣值得注意的是,它宣稱當(dāng)銅水平在1.5%或更高時(shí),耐腐蝕性會(huì)顯著惡化。
另外一個(gè)專利是美國(guó)專利No.5529642,它公開了具有的高鉻含量的耐腐蝕的含鉬的鎳合金,盡管其優(yōu)選的鉻范圍是17到22wt%,且所有組合物均需要添加范圍在1.1到8wt%的鉭。在美國(guó)專利No.5529642的合金中,銅是可選的,含量最高為4wt%。
另外兩個(gè)美國(guó)專利Nos.4778576和4789449公開了一些鎳合金,所述鎳合金具有寬范圍的鉻(5到30wt.%)和鉬(3到25wt%)含量,以用作電化學(xué)電池中的陽極。這兩個(gè)專利均優(yōu)選的要求陽極由C-276合金制成,所述合金包含16wt%的鉻和16wt%的鉬,但沒有銅。
對(duì)于硫和氧的控制,在氬-氧脫碳過程中,最高1.0wt%的錳,和最高0.4wt%的鋁是優(yōu)選的。實(shí)現(xiàn)此目的的最優(yōu)選的是0.22至0.29的錳和0.20至0.32的鋁。在氬-氧脫碳過程中,硅和碳也是必需的成份,優(yōu)選的水平最高分別為0.6wt%和0.06wt%。氮和鐵是不必要的,但是需要的次要添加元素。氮的水平是優(yōu)選最高為0.13wt%;鐵的優(yōu)選的水平是最高為5.1wt%。對(duì)于可能的雜質(zhì),可以允許最多0.6wt%的鎢??梢杂米罡?wt%的鈷替代鎳??梢灶A(yù)期到少量的其它雜質(zhì),例如鈮、釩和鈦,幾乎不會(huì)或不會(huì)影響此材料的總體特征。發(fā)明的詳細(xì)描述上文限定的組成范圍的發(fā)現(xiàn)涉及到對(duì)很多組合物的研究,這些組合物有不同的鉻、鉬和銅含量。這些組合物如表1所示,除了在表最后的高鉬含量合金EN7101外,其它按鉻含量升高排列。為了比較,此表還包括一無銅合金EN2101。結(jié)果顯示,鉬含量在5.0至7.6wt%范圍內(nèi),鉻含量超過29.9wt%,這對(duì)于改進(jìn)在“濕法”磷酸中存在的最好的合金是必需的。奇怪的是,鉻的含量是32.3wt%及以上時(shí),其影響是可以忽略的。結(jié)果還顯示添加1.6wt%的銅足以改進(jìn)在硫酸中存在的最好的合金,此合金鉻含量為32.3wt%及以上,并含有范圍為5.0至7.3wt%范圍內(nèi)的鉬。7.6wt%的鉬得到了在硫酸中可以接受的耐腐蝕性。奇怪的是,添加更多的銅產(chǎn)生的影響是可以忽略的。表1

N/A=未分析 *本發(fā)明合金為了比較,還測(cè)試了G-30合金,合金31,合金28以及C-276合金。美國(guó)專利5424029(合金A)和5529642(合金13)中的優(yōu)選合金,以及美國(guó)專利5529642(合金37)中的最接近的合金也被熔煉,且(對(duì)可能的)進(jìn)行了測(cè)試。這些現(xiàn)有技術(shù)合金的組成在表2中給出。表2

實(shí)驗(yàn)合金,和美國(guó)專利Nos.5424029和5529642中的現(xiàn)有技術(shù)合金經(jīng)真空感應(yīng)熔煉,然后經(jīng)過電渣重熔,爐容量為50lb。在1204℃,將如此制備的金屬錠保溫,然后鍛造并軋制。奇怪的是,美國(guó)專利5529642中的合金13和37在鍛造和軋制過程中嚴(yán)重開裂,使得它們必須報(bào)廢(scrap)(的厚度分別為2in和1.2in)。同時(shí),EN602和EN7101在鍛造過程中開裂嚴(yán)重,使其必須報(bào)廢的厚度分別為1in和2in。對(duì)那些被成功軋制到所需的測(cè)試厚度0.125in的合金進(jìn)行退火測(cè)試,以確定最合適的退火處理。在所有情況下,該處理為1149℃15分鐘,隨后進(jìn)行水淬火。G-30合金,合金31,合金28,以及C-276合金都在制造商出售的條件下進(jìn)行了測(cè)試,所謂的“廠內(nèi)退火(mill annealed)”條件。
在對(duì)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有技術(shù)合金進(jìn)行測(cè)試之前,確定了在135℃下,54wt%是“濕法”磷酸(P2O5)的顯著腐蝕(particularly corrosive)濃度。所以,對(duì)所有被成功軋制到厚度0.125in的片的合金在該環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試,相似的商用合金片也一同進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試在高壓釜中不間斷的進(jìn)行96小時(shí)。為了評(píng)價(jià)合金的耐硫酸特性,在93℃下,使用50wt%的濃度,也是不間斷的進(jìn)行96小時(shí)。所有樣品表面在測(cè)試前被手工打磨,以排除任何軋制光潔度效應(yīng)(mill finish effects)。
測(cè)試結(jié)果在表3中給出?;旧?,本發(fā)明的合金比最耐硫酸的現(xiàn)有技術(shù)材料,C-276合金,具有相似或更高的的耐硫酸性,并且比最耐“濕法”磷酸的現(xiàn)有技術(shù)材料,美國(guó)專利No.5424029中的合金A,具有更高的耐“濕法”磷酸特性。由于C-276合金耐“濕法”磷酸性相對(duì)差,合金A耐硫酸性相對(duì)差,本發(fā)明的合金性質(zhì)的組合被認(rèn)為是一種顯著的和驚人的改善。而且,此性質(zhì)的組合的實(shí)現(xiàn)沒有使用鎢和鉭,而分別在美國(guó)專利No.5424029和No.5529642中,這兩種元素被認(rèn)為是必需添加的。同時(shí),在美國(guó)專利No.5424029所述的對(duì)耐腐蝕性有害的銅水平下,實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明。盡管已知鉬有益于鎳合金的耐一般腐蝕性,結(jié)果卻表明系統(tǒng)中鉬含量從6.6增加到7.6wt%時(shí),耐硫酸性隨之降低。不能加工鉬含量高于8%的合金。
本發(fā)明的許多合金都含有數(shù)目大于2.7的電子空位數(shù),這表明它們可能不易于發(fā)生熱彎(amenable to hot banding),熱彎是一個(gè)軋制過程,設(shè)計(jì)用于以最低的成本制造0.25英寸厚用于冷軋的卷。然而,在試驗(yàn)加工過程中,已經(jīng)顯示出合金易于進(jìn)行傳統(tǒng)的熱鍛造并且熱軋,這與美國(guó)專利No.5529542的合金13和37不同。
表3

*本發(fā)明合金考慮到合金元素的總體效果,得出如下幾條意見鉻(Cr)為主要合金元素,它提供了高度的耐“濕法”磷酸特性。優(yōu)選的鉻范圍是30.0到35.0wt%。低于30.0wt%,該合金的耐“濕法”磷酸特性不足;高于35.0wt%,使用傳統(tǒng)方法,該合金不能被熱鍛和熱軋成鍛造制品。最優(yōu)選的鉻范圍是32.3到35.0wt%。
鉬(Mo)也是主要合金元素。已知它能增強(qiáng)鎳合金的耐一般腐蝕性。優(yōu)選的鉬范圍是5.0到7.6wt%。低于5.0wt%,合金的耐一般腐蝕性不足;高于7.6wt%,合金耐硫酸性不足。最優(yōu)選的鉬范圍是5.0到6.6wt%。
銅(Cu)也是主要合金元素。它顯著的增強(qiáng)合金的耐硫酸性。優(yōu)選的鉬銅范圍是1.6到2.9wt%。低于1.6wt%,合金的耐硫酸性不足;高于2.9wt%,引起合金熱不穩(wěn)性,從而限制鍛造加工,并且損害焊接件的性質(zhì)。
錳(Mn)用于控制硫。它優(yōu)選在最高1.0wt%的水平,且更優(yōu)選的,對(duì)于在氬-氧脫碳之前的電弧熔煉,在0.22到0.29wt%的范圍。高于1.0wt%的水平,錳引起熱不穩(wěn)定。使用真空熔煉,可能產(chǎn)生可以接受的非常低的錳水平的合金。
鋁(Al)用于在氬-氧脫碳過程中控制氧,熔體溫度和鉻含量。優(yōu)選范圍最高0.4wt%,且更優(yōu)選的,對(duì)于在氬-氧脫碳之前的電弧熔煉,為0.20到0.32wt%。高于0.4wt%,鋁引起熱穩(wěn)定性問題。使用真空熔煉,可能得到可以接受的非常低的鋁水平的合金。
硅(Si)在氬-氧脫碳過程中,對(duì)于元素的控制是必要的。優(yōu)選的范圍最高至0.6wt%。在超過0.6wt%的硅水平,預(yù)期會(huì)產(chǎn)生由熱不穩(wěn)定引起的鍛造問題。使用真空熔煉,可能得到可以接受的具有非常低硅含量的合金。
碳(C)對(duì)于元素的控制也是必要的,盡管碳在氬-氧脫碳過程中盡可能的被減少。優(yōu)選的碳范圍最高至0.06wt%,超過這個(gè)范圍,通過在微結(jié)構(gòu)中的碳化物的促成,碳將產(chǎn)生熱不穩(wěn)定。使用真空熔煉和高純度的裝入料,可能獲得可以接受的具有非常低碳含量的合金。
氮(N)雖然不是必要的,但是需要的次要添加元素,由于其在高鉻合金中的高溶解性,氮通常出現(xiàn)在敞熔材料中。優(yōu)選的范圍最高至0.13wt%,超過此范圍氮將引起熱不穩(wěn)定。
鐵(Fe)雖然不是必要的,但是需要的次要添加元素,它的存在可以廉價(jià)的使用回收的材料,多數(shù)這些材料含有殘留量的鐵。本發(fā)明的合金允許最多至5.1wt%的鐵,高于此水平,鐵將引起熱不穩(wěn)定。使用新的爐內(nèi)襯和高純度的裝入料,可能產(chǎn)生一種可以接受的無鐵的合金,鐵別是如果使用真空熔煉技術(shù)。
已經(jīng)顯示,能夠允許通常的雜質(zhì)。具體的,已經(jīng)顯示,能夠允許鎢最高至0.6wt%??梢杂米罡?wt%的鈷用于替代鎳,但是優(yōu)選的水平是最高1.75wt%。例如鈮,鈦,釩和鉭的元素促進(jìn)了氮化物和其它第二相的形成,應(yīng)該保持在低水平,例如,低于0.2wt%。其它可以在低水平存在的雜質(zhì),包括硫、磷、氧、鎂和鈣(其中后兩種涉及到脫氧)。
盡管測(cè)試的樣品全是鍛造的片,在其它的鍛造形式(如板,柱,筒和線),以及鑄造和粉末冶金形式中,合金應(yīng)該顯示相似的特性。因此,本發(fā)明包含了所有形式的合金組合物。
盡管我們已經(jīng)公開了本合金的某些優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)該明確理解的是,本發(fā)明并不因此受到限制,而是可以在下述權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行多種的具體化。
權(quán)利要求
1.一種耐硫酸和“濕法”磷酸的鎳-鉻-鉬-銅合金,基本組成為30.0至35.0wt% 鉻5.0至7.6wt%鉬1.6至2.9wt%銅最高至1.0wt% 錳最高至0.4wt% 鋁最高至0.6wt% 硅最高至0.06wt% 碳最高至0.13wt% 氮最高至5.1wt% 鐵最高至5.0wt% 鈷以及余量的鎳和雜質(zhì)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,基本組成為32.3至35.0wt% 鉻5.0至6.6wt%鉬1.6至2.9wt%銅0.22至0.29wt% 錳0.20至0.32wt% 鋁最高至0.6wt% 硅最高至0.06wt% 碳最高至0.13wt% 氮最高至5.1wt% 鐵以及余量的鎳和雜質(zhì)。
3. 依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中鈷最高至1.75wt%。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中雜質(zhì)包括最高至0.6wt%的鎢。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中雜質(zhì)包括多種水平的至少一種的鈮,鈦,釩,鉭,硫,磷,氧,鎂和鈣。
6.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中合金為選自片,板,棒,線,筒,管和鍛件的鍛造形式。
7.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中該合金是鑄造的形式。
8.依據(jù)權(quán)利要求1的鎳-鉻-鉬-銅合金,其中該合金是粉末冶金的形式。
全文摘要
一種耐硫酸和濕法磷酸的鎳-鉻-鉬-銅合金,該合金包含重量百分比為30.0到35.0%的鉻,5.0到7.6%的鉬,1.6至2.9%的銅,最高1.0%的錳,最高0.4%的鋁,最高0.6%的硅,最高0.06%的碳,最高5.1%的鐵,最高5.0%的鈷以及余量的鎳和雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C1/02GK1472353SQ0314257
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者P·可魯克, P 可魯克, M·L·卡魯索, 卡魯索 申請(qǐng)人:海恩斯國(guó)際公司
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