TW201812041A - 鎳基合金及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一種鎳基合金之製造方法，其係對特定組成之合金加工材，進行第一熱處理、冷加工處理以及時效熱處理，並可選擇性於冷加工處理以及時效熱處理之間進行第二熱處理，以增加時效熱處理的時間彈性，進而可製得在常溫下兼具強度與延展性的鎳基合金。
Description
本發明是有關於一種鎳基合金及其製造方法，且特別是有關於一種藉由特定的熱處理、冷加工處理以及時效熱處理，使得所製得之鎳基合金在常溫下可兼具強度與延展性的鎳基合金之製造方法。
常見的鎳基合金(例如：Alloy 718、A-286以及X-750等)，因兼具高溫強度高、抗高溫氧化能力強以及良好的抗腐蝕性，常使用於高溫機械性質的場合，例如：發動機組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐外罩或核電廠爐體等。由於鎳基合金的主要成分為鎳元素，其結構主要為面心立方結構，而析出強化相主要為Ll2結構之γ’相(Ni3(Ti,Al))以及DO22結構γ”相(Ni3Nb)。此外，藉由熱處理過程可使晶界上析出細小的δ相(Ni3Nb)析出物，也可控制晶界的移動，達到細晶的效果。
上述具有析出強化相的鎳基合金，為了加強析出強化的效果，需進行固溶熱處理使如鋁、鈦以及鈮之析出強化元素完全固溶於基地相γ相中，以在後續熱處理時可強 化鎳基合金的強度。然而，僅利用固溶熱處理搭配時效熱處理，所製得之鎳基合金只能達到約1400MPa之抗拉強度、約1200MPa之降伏強度以及約20%的延伸率。
倘若應用於石化產業開發油井用之鑽油軸承，則所使用鎳基合金需要在常溫下有更高的強度以及耐用性，以避免產生脆斷的風險。然而，上述之製造方法所製得的鎳基合金，雖然可具有適當的延伸率以提高耐用性，但其強度不足，因此仍無法應用於所製成鑽油軸承上。
因此，目前亟需提出一種鎳基合金及其製造方法，其可利用使所製得之鎳基合金在常溫下兼具良好的強度以及延展性，進而可使鎳基合金的應用範圍更廣。
因此，本發明之一態樣是在提供一種鎳基合金的製造方法，其係利用第一熱處理、冷加工處理以及時效熱處理，以製得在常溫下具有特定抗拉強度、降伏強度以及延伸率的鎳基合金。選擇性地，可於冷加工處理以及時效熱處理之間加入第二熱處理，以增加時效熱處理的時間彈性。
本發明之另一態樣是在提供一種鎳基合金，其可在常溫下兼具強度與延展性。
根據本發明之上述態樣，提出一種鎳基合金的製造方法。在一實施例中，上述製造方法可包含下述步驟。首先，提供合金加工材，其可由下述元素所組成：15重量百分比(wt.%)至25wt.%之鉻、10wt.%至20wt.%的 鐵、0.02wt.%至0.08wt.%的碳、大於0至6wt.%的鋁、大於0至6wt.%的鈦、大於0至5wt.%的鈮、10wt.%至75wt.%的鎳，以及小於3wt.%的其他雜質元素。接著，對上述合金加工材進行第一熱處理，以形成固溶材，其中第一熱處理可於950℃至980℃之第一溫度下進行。然後，對固溶材進行冷加工處理，以形成冷加工材，其中冷加工處理之裁減率可為20%至30%。之後，對冷加工材進行時效熱處理，以製得鎳基合金。
依據本發明之一實施例，前述時效熱處理可更包含第一階段時效熱處理和第二階段時效熱處理。其中，第一階段時效熱處理可於650℃至780℃之第二溫度下進行，且第二階段時效熱處理可於550℃至650℃之第三溫度下進行。
依據本發明之一實施例，在冷加工處理和時效熱處理之間，可更包含對冷加工材進行第二熱處理，且第二熱處理可於800℃至1000℃之第四溫度下進行。
依據本發明之一實施例，前述第一熱處理可進行10分鐘至60分鐘。
依據本發明之一實施例，第二熱處理可進行5分鐘至2小時。
依據本發明之一實施例，在進行第二熱處理後的第一階段時效熱處理可進行1小時至100小時。
依據本發明之一實施例，在進行第二熱處理後的第二階段時效熱處理可進行1小時至1000小時。
依據本發明之一實施例，未進行第二熱處理之第一階段時效熱處理可進行8小時至12小時。
依據本發明之一實施例，未進行第二熱處理之第二階段時效熱處理係進行18小時至22小時。
根據本發明之上述態樣，更提出一種鎳基合金。在一實施例中，上述鎳基合金係由前述之鎳基合金的製造方法所製得。所述鎳基合金可具有不大於1670MPa之抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%之延伸率。
應用本發明之鎳基合金的製造方法，可藉由特定的第一熱處理、冷加工處理以及時效熱處理，或是選擇性地於冷加工處理以及時效熱處理之間，加入第二熱處理，使所製得之鎳基合金在常溫下，可兼具良好的強度以及延展性。
本發明之一態樣是在提供一種鎳基合金及其製造方法，其係對特定組成之合金加工材，施予第一熱處理、冷加工處理以及時效熱處理等特定之製程步驟，並選擇性於上述冷加工處理以及時效熱處理之間進行第二熱處理，以製得預定的鎳基合金。上述鎳基合金在常溫下可兼具良好的強度以及延展性。
本發明此處所稱之合金加工材可為合金加工板材、合金線材或其他經加工的合金材料。此處所稱之加工包括軋延或抽出等。
本發明此處所稱之常溫係指0℃至50℃。
本發明此處所稱之強度可包含降伏強度以及抗拉強度。
本發明此處所稱之延展性可藉由延伸率評價。
以下依序說明本發明之合金加工材的組成以及製造方法中的各個製程階段。
合金加工材
本發明之合金加工材可由下述元素所組成：15wt.%至25wt.%之鉻、10wt.%至20wt.%的鐵、0.02wt.%至0.08wt.%的碳、大於0至6wt.%的鋁、大於0至6wt.%的鈦、大於0至5wt.%的鈮、10wt.%至75wt.%的鎳，以及小於3wt.%的其他雜質元素。
在一例子中，上述合金加工材可將合金材料經熔煉步驟、鑄造步驟、冷/熱加工步驟以及裁切步驟等製程所形成。在一例子中，熔煉步驟可例如為真空感應熔煉、電弧熔煉或其他習知的熔煉方法。鑄造步驟可例如為連鑄或模鑄。冷/熱加工步驟可例如為冷軋延、熱軋延及/或其他習知之冷/熱加工方法。補充說明的是，合金加工材之尺寸以及種類(例如：板材或線材)係根據所製得之鎳基合金的應用而定，本發明並無限制。
上述合金加工材中的鉻可增加所製得之鎳基合金的抗腐蝕性，倘若上述之鉻含量少於15wt.%，所製得之鎳基合金的抗腐蝕性不佳。
上述合金加工材中的鐵可補足合金加工材之必要元素外的其他成分，以降低鎳基合金的製造成本。倘若鐵含量少於10wt.%，則鎳基合金的製造成本增加，不符合經濟考量。
上述合金加工材中的碳可強化鎳基合金的強度，因此若碳含量小於0.02wt.%，鎳基合金的強度不佳。然而，若碳含量大於0.08wt.%，鎳基合金的脆性增加而造成延展性劣化。
上述合金加工材中的鋁、鈦及鈮屬於析出強化元素，上述元素之存在配合本發明之特定製程，有助於增加所製得之鎳基合金於常溫下的強度。因此，倘若合金加工材中不含鋁、鈦及鈮，則所製得之鎳基合金於常溫下的強度不佳。另一方面，倘若鋁、鈦或鈮之含量大於本發明所主張的範圍，將造成鎳基合金的抗腐蝕性不佳，且不易將前述之合金材料煉製成合金加工材。
上述所稱之雜質元素可例如為矽、鉬、銅、錳或其他元素等，過多的雜質元素可能影響鎳基合金的析出相，其含量不宜超出本發明所主張的範圍。
鎳基合金的製造方法
1. 第一熱處理
本發明之鎳基合金的製造方法係首先提供如上述之合金加工材，並對合金加工材進行第一熱處理，以形成固溶材。在一實施例中，本發明之第一熱處理係於950℃至980℃之第一溫度下，進行10分鐘至60分鐘。
所述第一熱處理屬於固溶退火處理，其可去除合金加工材於前述冷/熱加工步驟(例如：軋延)時所產生的殘留應力。此外，在第一熱處理中，合金加工材的析出強化元素可在合金加工材的晶界上，析出細小的δ析出物，以控制合金加工材的晶界移動，進而可達到細化晶粒的效果，並使鎳基合金可具有適當的晶粒大小。
倘若上述第一溫度高於980℃，會造成δ析出物熔化而無法限制晶界的移動，所製得之鎳基合金有晶粒粗化而強度和延展性下降的缺點。另一方面，若第一溫度小於950℃，析出強化元素的析出效果不佳，也無法有效控制晶界的移動。
2. 冷加工處理
接著，對前述固溶材進行冷加工處理，使固溶材硬化，以形成強度提升的冷加工材。在一實施例中，冷加工處理之裁減率可為20%至30%。
在一例子中，上述冷加工處理可為冷軋延。在其他例子中，冷加工處理可為擠壓或抽出。
在一例子中，冷加工處理係於0℃至50℃之室溫下進行。
倘若上述裁減率小於20%，則無法有效提升鎳基合金的強度。另一方面，倘若裁減率大於30%，則會使得鎳基合金的延展性變差。
3. 第二熱處理
之後，可選擇性地對冷加工材進行第二熱處理。在一實施例中，第二熱處理可於800℃至1000℃之第四溫度下進行5分鐘至2小時。藉由第二熱處理，可消除冷加工材的殘留應力，以增加所製得之鎳基合金的延展性。
倘若第四溫度小於800℃或第二熱處理的時間過短，無法有效消除冷加工材的殘留應力。另一方面，若第四溫度大於1000℃，所製得之鎳基合金的強度不足。再者，若第二熱處理的時間過長，會使得有害相(例如具有脆性之相)析出，也會降低鎳基合金的延展性。
4. 時效熱處理
接下來，對冷加工材進行時效熱處理，調整冷加工材之強度與延展性至預定範圍，以製得本發明之鎳基合金。在一實施例中，時效熱處理可包含第一階段時效熱處理以及第二階段時效熱處理。較佳地，第一階段時效熱處理可於650℃至780℃下進行，而第二階段時效熱處理可於550℃至650℃下進行。
在一例子中，第一階段時效熱處理可例如以爐冷的方式進行，而第二階段時效熱處理可例如以空冷的方式 進行。
特別說明的是，本發明此處所稱之時效熱處理，依據是否進行前述之第二熱處理，其第一階段時效熱處理與第二階段時效熱處理的進行時間略為不同，以下分述之。
在一實施例中，上述冷加工材未進行第二熱處理，直接進行時效熱處理。在此實施例中，第一階段時效熱處理較佳為進行8小時至12小時，而第二階段時效熱處理較佳為進行18小時至22小時。本發明後述將未進行第二熱處理，而直接進行時效熱處理的實施例稱為長時間時效熱處理。
在另一實施例中，上述冷加工材係進行第二熱處理後，才進行時效熱處理。在此實施例中，第一階段時效熱處理較佳為進行1小時至100小時，而第二階段時效熱處理較佳為進行1小時至1000小時。本發明後述將進行第二熱處理後，進行時效熱處理的實施例稱為短時間時效熱處理。特別說明的是，進行第二熱處理後而搭配進行的短時間時效熱處理，其可調整的時間範圍大。在一例子中，第一階段熱處理和第二階段熱處理可分別進行1小時。在另一例子中，可配合整體製程而延長第一階段熱處理和第二階段熱處理的時間。因此，進行第二熱處理可增加時效熱處理的製程彈性。
倘若未分為第一階段時效熱處理與第二階段時效熱處理，於不同溫度以及時間下對冷加工材進行時效熱處 理，在時效熱處理的過程中容易產生有害相(如前述之具有脆性的相)，進而使鎳基合金無法兼具預定的強度和延展性。
倘若將長時間時效熱處理的進行時間縮短為短時間時效熱處理的進行時間，則會因時效熱處理時間不充分，造成鎳基合金無法達到預定的強度和延展性。
5. 其他加工處理
在一實施例中，合金加工材為合金板材，其所製得之鎳基合金可進一步經過噴砂、酸洗以及整平的製程步驟，以獲得鎳基合金板類的產品。
在另一實施例中，合金加工材為線材，其所製得之鎳基合金可進一步經剝皮、酸洗或矯直等方式，以獲得鎳基合金直棒類的產品。
鎳基合金
根據本發明上述之鎳基合金的製造方法所製得之鎳基合金，可具有不大於1670MPa之抗拉強度、不小於1400MPa之降伏強度以及不小於10%之延伸率。
較佳地，本發明之鎳基合金可應用於汽輪機或鑽油承軸等需要高強度材料的領域中。由於本發明之鎳基合金更兼具延展性，故可提高應用於上述領域時的耐用性以及工作效率。
以下利用多個實施例具體說明本發明之鎳基合金的製造方法。
實施例1
首先，提供具有如表1所示之元素組成的合金板材。接著，將上述合金板材於980℃下進行60分鐘的熱處理。然後，在室溫(30℃)下進行冷軋，使裁減率達到20%。再來，於720℃下進行10小時的第一階段熱處理後，再於650℃下進行18小時的第二階段熱處理，以製得實施例1之鎳基合金。實施例1之具體製程條件以及評價結果悉如表2所示。
實施例2以及比較例1至6
實施例2以及比較例1至6係使用與實施例1相同的合金板材進行，不同的是，實施例2以及比較例1至6係改變製程條件。關於實施例2以及比較例1至6具體之製程條件以及評價結果，悉如表2所示，此處不另贅述。
評價方式
1. 抗拉強度
本發明之抗拉強度係利用標準測試方法ASTM E112，於常溫(0~50℃)下對實施例1至2以及比較例1至6之鎳基合金進行測試。一般而言，本發明之鎳基合金的抗拉 強度可為不大於1670MPa。更佳地，上述抗拉強度可為大於1400MPa至不大於1670MPa。
2. 降伏強度
本發明之降伏強度係利用標準測試方法ASTM E112，於常溫(0~50℃)下對實施例1至2以及比較例1至6之鎳基合金進行測試。一般而言，本發明之鎳基合金的降伏強度可為不小於1400MPa。
3. 延伸率
本發明之延伸率係利用標準測試方法ASTM E112，於常溫(0~50℃)下對實施例1至2以及比較例1至6之鎳基合金進行測試。一般而言，本發明之鎳基合金的延伸率以不小於10%為佳。
補充說明的是，本發明預定的鎳基合金需在常溫下兼具良好的強度與延展性，因此需同時滿足上述預定的抗拉強度、降伏強度以及延伸率。
表2之評價結果可知，本發明之實施例1在未進行第二熱處理的情況下，進行長時間時效熱處理，所製得之鎳基合金可兼具良好的強度以及延展性。此外，本發明之實施例2的鎳基合金，透過第二熱處理，縮短後續時效熱處理的時間(即進行短時間時效熱處理)，也可使所製得之鎳基合金兼具強度以及延展性。
另一方面，根據比較例1和2可知，若未進行冷 加工處理，即使進行時效熱處理，所能提升的強度仍有限，無法達到預定的強度。再者，如比較例3至5可知，倘若未進行第二熱處理及/或時效熱處理，即使增加冷加工處理的裁減率，僅能提升強度，但延展性劣化。此外，如比較例6所示，倘若在未進行第二熱處理的情況下，僅施予短時間時效熱處理，所製得之鎳基合金仍無法兼具強度和延展性。
應用本發明之鎳基合金及其製造方法，利用特定組成之合金加工材，進行第一熱處理、冷加工以及時效熱處理，並可選擇性加入第二熱處理，以縮短時效熱處理之時程，可製得在常溫下兼具強度和延展性的鎳基合金。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (10)
- 一種鎳基合金的製造方法，包含：提供一合金加工材，其係由下述元素所組成：15重量百分比(wt.%)至25wt.%之鉻；10wt.%至20wt.%的鐵；0.02wt.%至0.08wt.%的碳；大於0至6wt.%的鋁；大於0至6wt.%的鈦；大於0至5wt.%的鈮；10wt.%至75wt.%的鎳；以及小於3wt.%的其他雜質元素，對該合金加工材進行一第一熱處理，以形成一固溶材，其中該第一熱處理係於950℃至980℃之一第一溫度下進行；對該固溶材進行一冷加工處理，以形成一冷加工材，其中該冷加工處理之一裁減率為20%至30%；以及對該冷加工材進行一時效熱處理，以製得該鎳基合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之鎳基合金的製造方法，其中該時效熱處理更包含：一第一階段時效熱處理，其中該第一階段時效熱處理係於650℃至780℃之一第二溫度下進行；以及一第二階段時效熱處理，其中該第二階段時效熱處理係於550℃至650℃之一第三溫度下進行。
- 如申請專利範圍第2項所述之鎳基合金的製造方法，於該冷加工處理與該時效熱處理之間，更包含對該冷加工材進行一第二熱處理，且該第二熱處理係於800℃至1000℃之一第四溫度下進行。
- 如申請專利範圍第1項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第一熱處理係進行10分鐘至60分鐘。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第二熱處理係進行5分鐘至2小時。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第一階段時效熱處理係進行1小時至100小時。
- 如申請專利範圍第3項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第二階段時效熱處理係進行1小時至1000小時。
- 如申請專利範圍第2項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第一階段時效熱處理係進行8小時至12小時。
- 如申請專利範圍第2項所述之鎳基合金的製造方法，其中該第二階段時效熱處理係進行18小時至 22小時。
- 一種鎳基合金，其係由如申請專利範圍第1至9項中任一項之鎳基合金的製造方法所製得，其中該鎳基合金具有不大於1670MPa之一抗拉強度、不小於1400MPa之一降伏強度以及不小於10%之一延伸率。
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