本發(fā)明是一種高溫模具用鑄造鎳基合金，屬于金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

等溫鍛造是高溫結(jié)構(gòu)材料的一種重要成型工藝，而該工藝關(guān)鍵技術(shù)之一則是模具材料。目前國(guó)內(nèi)如鈦合金等溫鍛造，模具溫度為800℃-950℃。變形高溫合金等溫鍛造，溫度一般為950-1050℃。鎳基粉末高溫合金，等溫鍛造溫度為1050-1100℃。

鈦合金等溫鍛造，模具溫度為800℃-950℃，由于溫度較低，國(guó)內(nèi)一般使用k403作為模具。由于k403合金在溫度超過950℃后，高溫拉伸和持久強(qiáng)度急劇下降，該合金不適用于變形高溫合金及鎳基粉末高溫合金等溫鍛造。

經(jīng)過文獻(xiàn)查詢和專利檢索，cn2005100814011.3專利申請(qǐng)中提供了一種鎳基鑄造高溫合金，主要用于鎳基粉末高溫合金鍛造。其包括以下重量百分比的組分：co9.0～12.0％；al5.0～6.5％；cr2.5～3.5％；ti0.5～1.5％；w13.0～14.5％；mo1.5～2.5％；nb0.8～1.5％；ta2.0～5.0％；hf0.3～1.5％；c0.07～0.18％；b0.01～0.02％；y≤0.01％，余量為鎳。該合金可以用于1050℃-1100℃。該合金添加了貴重元素鉿(hf)，ta含量在2％以上，總成本較高。另外，cr含量較低，抗氧化性能相對(duì)較差。

有文獻(xiàn)提出采用k21作為1050℃用等溫鍛造模具，據(jù)公開資料報(bào)道，該合金1050℃拉伸強(qiáng)度偏低(屈服強(qiáng)度為418mpa)，同時(shí)制作大型模具時(shí)，具有明顯的開裂傾向。對(duì)于變形高溫合金等溫鍛造來說，急需一種1050℃下使用的價(jià)格合適、性能優(yōu)異的高溫合金模具材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種高溫模具用鑄造鎳基合金，其中，具體技術(shù)方案為：

該合金的成分包括：

c：0.10-0.18；

co：9.0-12.0；

al：5.0-6.0；

cr：5.5-7.5；

w：13.0-15.0；

nb：2.0-3.0；

ta：0.75-1.75；

b：0.01-0.03；

zr：0.03-0.15；

ti：0.5-1.5；

余量為鎳；

單位是重量百分?jǐn)?shù)。

該合金的顯微組織由奧氏體γ基體組成，在上述成分中，w、nb、ta形成高熔點(diǎn)元素固溶強(qiáng)化基體。

al、ti、nb、ta形成γ′相進(jìn)行強(qiáng)化，nb、ta和ti會(huì)生成一次碳化物，c、b、zr元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：提供一種在950-1050℃大氣下使用的高溫模具材料，同時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性能和適中的成本，滿足變形高溫合金等溫成形需要。

附圖說明

圖1為試驗(yàn)合金的成分。

圖2為試驗(yàn)合金的力學(xué)性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明提供的一種一種高溫模具用鑄造鎳基合金,其特征在于該合金的成分包括(單位是重量百分?jǐn)?shù))：c：0.10-0.18；co：9.0-12.0；al：5.0-6.0；cr：5.5-7.5；w：13.0-15.0；nb：2.0-3.0；ta：0.75-1.75；b：0.01-0.03；zr：0.03-0.15；ti：0.5-1.5，余量為鎳和不可避免的雜質(zhì)。

該合金的顯微組織由奧氏體γ基體組成。在上述成分中，w、nb、ta等高熔點(diǎn)元素固溶強(qiáng)化基體。al、ti、nb、ta等形成γ′相進(jìn)行強(qiáng)化。nb、ta和ti會(huì)生成少量的一次碳化物。c、b、zr等元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化。al和cr元素是重要的抗高溫氧化元素。co能改善合金的顯微組織，抑制m6c析出，同時(shí)提高鑄造性能。

下面對(duì)本發(fā)明具有優(yōu)良熱塑性鎳基高溫合金的化學(xué)成分及其控制范圍的理由作如下說明：

c：0.10-0.18％

c是鎳基鑄造高溫合金中碳化物形成的必需元素。c控制在0.10-0.18％是必要的，一要保證一定數(shù)量的碳化物在晶界析出，起著細(xì)化晶粒、提高持久強(qiáng)度和塑性的作用，同時(shí)可以提高鑄造流動(dòng)性，二要防止過多的碳化物造成夾雜物過多和偏析傾向，致使晶粒不均勻和合金塑性惡化。綜合考慮c含量控制在0.10-0.18％。

cr：5.5-7.5％

cr元素的加入量考慮兩個(gè)因素,一是考慮cr元素具有優(yōu)異的抗氧化性能，應(yīng)適當(dāng)添加；考慮為提高合金的高溫強(qiáng)度，需適當(dāng)降低cr含量，采用具有更高固溶強(qiáng)化效果的w、ta等元素替代。綜合考慮將cr含量控制在5.5-7.5％。

co：9.0-12.0％

co元素能夠提高組織穩(wěn)定性，減少有害相析出，尤其是對(duì)于對(duì)高w合金，鑄造時(shí)極易析出初生m6c,高溫使用時(shí)析出大量次m6c,使合金力學(xué)性能下降。co是抑制m6c強(qiáng)烈析出的重要元素。綜合考慮將co含量控制在9.0-12.0％。

ni：基體

ni-cr-fe合金組成了該鎳基合金的基體，而fe加入量約7％。適量的fe加入，能替換部分ni，并不顯著影響合金的性能，能顯著降低合金成本。但是，過多的fe，對(duì)于合金的穩(wěn)定性不利，綜合考慮，ni含量必須≥70％。

al：5.0-6.0％

al是鎳基合金中γ′相的必需形成元素，而γ′相是鎳基合金中最重要的一種強(qiáng)化相。通過添加較高的al元素，可以析出較多γ′組織，通過與基體γ固溶體形成共格或半共格的關(guān)系，進(jìn)而形成強(qiáng)化，γ′相的回溶溫度增加，可提高合金的耐高溫性。同時(shí)，al的加入對(duì)于合金的抗氧化性能有明顯的提高，在高溫下al與o2反應(yīng)，形成一層致密的al2o3氧化膜，對(duì)合金形成保護(hù)。al含量越高，γ′相的析出量越大，但al過高會(huì)在鑄造過程中產(chǎn)生開裂敏感性。所以al控制在5.0-6.0％。

ti：0.5-1.5％

本合金中含有一定的ti元素，是因?yàn)楹辖鹬衪i很容易溶入γ′相，可以代替三分之二的al原子。ti進(jìn)入γ′后，使γ′析出減慢，有效阻止過時(shí)效的作用，這種作用使合金適合在高溫工作環(huán)境中長(zhǎng)期使用。但ti加入過多就會(huì)產(chǎn)生了ni3ti(η相)，而ni3ti相無時(shí)效硬化能力，本合金ti含量得控制范圍在ti：0.5-1.5％。

nb：2.0-3.0％

本合金中加入一定量的nb，是因?yàn)閚b與ni形成γ″強(qiáng)化相，顯著地提高合金的強(qiáng)度，另外，稍高的nb能提高合金的高溫穩(wěn)定性，nb元素作為較為貴重金屬，僅適量添加。本合金nb含量得控制范圍在2.0-3.0％。

ta：0.75-1.5％

本合金中加入一定量的ta，ta元素一方面可以固溶至基體，提高基體的高溫強(qiáng)度，另一方面可以形成γ′相，增加強(qiáng)化相數(shù)量。但ta元素是昂貴金屬，從控制合金成本考慮，本合金僅添加必要、適量的ta元素。本合金nb含量得控制范圍在0.75-1.5％。

w：13.0-15.0％

本合金中加入一定量的w，w元素主要是進(jìn)行固溶強(qiáng)化，提高高溫基體強(qiáng)度，另一方面少量的w可以進(jìn)入γ′相，增加強(qiáng)化相數(shù)量。但過高的w容易生成大塊的m6c，損害合金性能，本合金w含量得控制范圍在13.0-15.0％。

zr：0.03-0.15％

本合金中加入的zr元素，偏聚到晶界，減少晶界缺陷，提高晶界結(jié)合力，降低晶界擴(kuò)散速率，從而減緩位錯(cuò)攀移，強(qiáng)化晶界。同時(shí)，zr偏聚于晶界能夠降低界面能，改善晶界相形態(tài)，減少晶界相的尺寸，提高持久壽命，改善持久塑性。本合金zr含量得控制范圍在0.03-0.15％。

b：0.01-0.03

本合金中加入的b元素，b作為晶界強(qiáng)化元素，能減少晶界缺陷，提高晶界結(jié)合力，另一方面能顯微組織穩(wěn)定性，提高合金的可鑄性。本合金b含量控制范圍在0.01-0.03％

ni元素，作為本合金基體，從室溫到高溫不發(fā)生同素異型轉(zhuǎn)變，提供穩(wěn)定的奧氏體基體組織，同時(shí)具有很大的合金化能力

通過試驗(yàn)研究表明，在上述成分范圍內(nèi)該合金具有良好的綜合性能。該合金在1050拉伸屈服強(qiáng)度可在500mpa左右，延伸率可達(dá)在4％。該合金抗氧化性能優(yōu)越，1050℃氧化速率為0.089g/m2h,按照hb5282-2000的規(guī)定，該合金的1050℃抗氧化性能達(dá)到完全抗氧化級(jí)。同時(shí)，該合金具有良好的可鑄造性和加工性能，完全適用于1050℃下等溫鍛造模具。

本發(fā)明合金制造工藝中，冶煉采用真空感應(yīng)熔煉母合金，然后在真空下采用失蠟精密鑄造或者砂型鑄造工藝成型。鑄件然后加工成模具，在鑄態(tài)下直接進(jìn)行使用。

本合金相對(duì)于dm02合金，不含有貴金屬hf，大幅度減少了ta元素含量，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在950-1050℃在具有更加良好的抗氧化性能。相對(duì)于k21合金，一方面高溫強(qiáng)度得到提高，另一方面由于成分得到優(yōu)化，減少了鑄造和使用過程中的開裂敏感性，具有更好的使用性能。是一種可在1050℃下使用的價(jià)格合適、性能優(yōu)異的高溫合金模具材料。

本發(fā)明的具體實(shí)施例子詳述如下：

首先采用真空感應(yīng)爐熔煉成分合格的母合金，該過程需要經(jīng)過熔化—精煉—降溫—合金化—澆注五個(gè)步驟完成。在熔化步驟中，鎳、鈷、鎢、鉻、碳直接裝入坩堝，化清后精煉30分鐘以上，精煉后強(qiáng)烈攪拌熔池，然后停電降溫結(jié)膜，再通電，加入鈮、鉭、鋁、鈦元素，熔煉5分鐘后進(jìn)行攪拌，再加入硼鐵、鋯元素，再繼續(xù)熔煉5分鐘后攪拌，停電降溫。當(dāng)熔池溫度達(dá)到澆注溫度后，即可進(jìn)行澆注。

母合金成分合格后，可在真空感應(yīng)爐中采用失蠟精密鑄造或者砂型鑄造工藝成型，澆注成制定的模具或零件。

采用上述方法，冶煉了5爐本發(fā)明技術(shù)合金，成分如圖1所示。其中1050℃的力學(xué)性能如圖2所示。

從這些實(shí)施例的結(jié)果可看出，按照本發(fā)明規(guī)定的成分范圍進(jìn)行生產(chǎn)的鎳基合金，最終成品在1050℃下獲得較高的抗拉強(qiáng)度，良好的塑性，良好的抗氧化性能，是一種很有前途的高溫合金模具材料。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種高溫模具用鑄造鎳基合金：該合金的成分包括：C：0.10?0.18；Co：9.0?12.0；Al：5.0?6.0；Cr：5.5?7.5；W：13.0?15.0；Nb：2.0?3.0；Ta：0.75?1.75；B：0.01?0.03；Zr：0.03?0.15；Ti：0.5?1.5；余量為鎳；單位是重量百分?jǐn)?shù)；本發(fā)明提供的高溫模具用鑄造鎳基合金，提供一種在950?1050℃大氣下使用的高溫模具材料，同時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性能和適中的成本，滿足變形高溫合金等溫成形需要。

技術(shù)研發(fā)人員：廖智姿;謝華偉;黃仕康

受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海懷德機(jī)電有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2017.09.14

技術(shù)公布日：2018.01.26