本发明是一种高温模具用铸造镍基合金，属于金属材料领域。
背景技术：
等温锻造是高温结构材料的一种重要成型工艺，而该工艺关键技术之一则是模具材料。目前国内如钛合金等温锻造，模具温度为800℃-950℃。变形高温合金等温锻造，温度一般为950-1050℃。镍基粉末高温合金，等温锻造温度为1050-1100℃。
钛合金等温锻造，模具温度为800℃-950℃，由于温度较低，国内一般使用k403作为模具。由于k403合金在温度超过950℃后，高温拉伸和持久强度急剧下降，该合金不适用于变形高温合金及镍基粉末高温合金等温锻造。
经过文献查询和专利检索，cn2005100814011.3专利申请中提供了一种镍基铸造高温合金，主要用于镍基粉末高温合金锻造。其包括以下重量百分比的组分：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％，余量为镍。该合金可以用于1050℃-1100℃。该合金添加了贵重元素铪(hf)，ta含量在2％以上，总成本较高。另外，cr含量较低，抗氧化性能相对较差。
有文献提出采用k21作为1050℃用等温锻造模具，据公开资料报道，该合金1050℃拉伸强度偏低(屈服强度为418mpa)，同时制作大型模具时，具有明显的开裂倾向。对于变形高温合金等温锻造来说，急需一种1050℃下使用的价格合适、性能优异的高温合金模具材料。
技术实现要素：
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种高温模具用铸造镍基合金，其中，具体技术方案为：
该合金的成分包括：
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；
余量为镍；
单位是重量百分数。
该合金的显微组织由奥氏体γ基体组成，在上述成分中，w、nb、ta形成高熔点元素固溶强化基体。
al、ti、nb、ta形成γ′相进行强化，nb、ta和ti会生成一次碳化物，c、b、zr元素进行晶界强化。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：提供一种在950-1050℃大气下使用的高温模具材料，同时具有良好的高温强度、抗氧化性能和适中的成本，满足变形高温合金等温成形需要。
附图说明
图1为试验合金的成分。
图2为试验合金的力学性能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供的一种一种高温模具用铸造镍基合金,其特征在于该合金的成分包括(单位是重量百分数)：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，余量为镍和不可避免的杂质。
该合金的显微组织由奥氏体γ基体组成。在上述成分中，w、nb、ta等高熔点元素固溶强化基体。al、ti、nb、ta等形成γ′相进行强化。nb、ta和ti会生成少量的一次碳化物。c、b、zr等元素进行晶界强化。al和cr元素是重要的抗高温氧化元素。co能改善合金的显微组织，抑制m6c析出，同时提高铸造性能。
下面对本发明具有优良热塑性镍基高温合金的化学成分及其控制范围的理由作如下说明：
c：0.10-0.18％
c是镍基铸造高温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，一要保证一定数量的碳化物在晶界析出，起着细化晶粒、提高持久强度和塑性的作用，同时可以提高铸造流动性，二要防止过多的碳化物造成夹杂物过多和偏析倾向，致使晶粒不均匀和合金塑性恶化。综合考虑c含量控制在0.10-0.18％。
cr：5.5-7.5％
cr元素的加入量考虑两个因素,一是考虑cr元素具有优异的抗氧化性能，应适当添加；考虑为提高合金的高温强度，需适当降低cr含量，采用具有更高固溶强化效果的w、ta等元素替代。综合考虑将cr含量控制在5.5-7.5％。
co：9.0-12.0％
co元素能够提高组织稳定性，减少有害相析出，尤其是对于对高w合金，铸造时极易析出初生m6c,高温使用时析出大量次m6c,使合金力学性能下降。co是抑制m6c强烈析出的重要元素。综合考虑将co含量控制在9.0-12.0％。
ni：基体
ni-cr-fe合金组成了该镍基合金的基体，而fe加入量约7％。适量的fe加入，能替换部分ni，并不显著影响合金的性能，能显著降低合金成本。但是，过多的fe，对于合金的稳定性不利，综合考虑，ni含量必须≥70％。
al：5.0-6.0％
al是镍基合金中γ′相的必需形成元素，而γ′相是镍基合金中最重要的一种强化相。通过添加较高的al元素，可以析出较多γ′组织，通过与基体γ固溶体形成共格或半共格的关系，进而形成强化，γ′相的回溶温度增加，可提高合金的耐高温性。同时，al的加入对于合金的抗氧化性能有明显的提高，在高温下al与o2反应，形成一层致密的al2o3氧化膜，对合金形成保护。al含量越高，γ′相的析出量越大，但al过高会在铸造过程中产生开裂敏感性。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，是因为合金中ti很容易溶入γ′相，可以代替三分之二的al原子。ti进入γ′后，使γ′析出减慢，有效阻止过时效的作用，这种作用使合金适合在高温工作环境中长期使用。但ti加入过多就会产生了ni3ti(η相)，而ni3ti相无时效硬化能力，本合金ti含量得控制范围在ti：0.5-1.5％。
nb：2.0-3.0％
本合金中加入一定量的nb，是因为nb与ni形成γ″强化相，显著地提高合金的强度，另外，稍高的nb能提高合金的高温稳定性，nb元素作为较为贵重金属，仅适量添加。本合金nb含量得控制范围在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体，提高基体的高温强度，另一方面可以形成γ′相，增加强化相数量。但ta元素是昂贵金属，从控制合金成本考虑，本合金仅添加必要、适量的ta元素。本合金nb含量得控制范围在0.75-1.5％。
w：13.0-15.0％
本合金中加入一定量的w，w元素主要是进行固溶强化，提高高温基体强度，另一方面少量的w可以进入γ′相，增加强化相数量。但过高的w容易生成大块的m6c，损害合金性能，本合金w含量得控制范围在13.0-15.0％。
zr：0.03-0.15％
本合金中加入的zr元素，偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，强化晶界。同时，zr偏聚于晶界能够降低界面能，改善晶界相形态，减少晶界相的尺寸，提高持久寿命，改善持久塑性。本合金zr含量得控制范围在0.03-0.15％。
b：0.01-0.03
本合金中加入的b元素，b作为晶界强化元素，能减少晶界缺陷，提高晶界结合力，另一方面能显微组织稳定性，提高合金的可铸性。本合金b含量控制范围在0.01-0.03％
ni元素，作为本合金基体，从室温到高温不发生同素异型转变，提供稳定的奥氏体基体组织，同时具有很大的合金化能力
通过试验研究表明，在上述成分范围内该合金具有良好的综合性能。该合金在1050拉伸屈服强度可在500mpa左右，延伸率可达在4％。该合金抗氧化性能优越，1050℃氧化速率为0.089g/m2h,按照hb5282-2000的规定，该合金的1050℃抗氧化性能达到完全抗氧化级。同时，该合金具有良好的可铸造性和加工性能，完全适用于1050℃下等温锻造模具。
本发明合金制造工艺中，冶炼采用真空感应熔炼母合金，然后在真空下采用失蜡精密铸造或者砂型铸造工艺成型。铸件然后加工成模具，在铸态下直接进行使用。
本合金相对于dm02合金，不含有贵金属hf，大幅度减少了ta元素含量，具有明显的成本优势，同时在950-1050℃在具有更加良好的抗氧化性能。相对于k21合金，一方面高温强度得到提高，另一方面由于成分得到优化，减少了铸造和使用过程中的开裂敏感性，具有更好的使用性能。是一种可在1050℃下使用的价格合适、性能优异的高温合金模具材料。
本发明的具体实施例子详述如下：
首先采用真空感应炉熔炼成分合格的母合金，该过程需要经过熔化—精炼—降温—合金化—浇注五个步骤完成。在熔化步骤中，镍、钴、钨、铬、碳直接装入坩埚，化清后精炼30分钟以上，精炼后强烈搅拌熔池，然后停电降温结膜，再通电，加入铌、钽、铝、钛元素，熔炼5分钟后进行搅拌，再加入硼铁、锆元素，再继续熔炼5分钟后搅拌，停电降温。当熔池温度达到浇注温度后，即可进行浇注。
母合金成分合格后，可在真空感应炉中采用失蜡精密铸造或者砂型铸造工艺成型，浇注成制定的模具或零件。
采用上述方法，冶炼了5炉本发明技术合金，成分如图1所示。其中1050℃的力学性能如图2所示。
从这些实施例的结果可看出，按照本发明规定的成分范围进行生产的镍基合金，最终成品在1050℃下获得较高的抗拉强度，良好的塑性，良好的抗氧化性能，是一种很有前途的高温合金模具材料。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种高温模具用铸造镍基合金：该合金的成分包括：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；余量为镍；单位是重量百分数；本发明提供的高温模具用铸造镍基合金，提供一种在950?1050℃大气下使用的高温模具材料，同时具有良好的高温强度、抗氧化性能和适中的成本，满足变形高温合金等温成形需要。
技术研发人员：廖智姿;谢华伟;黄仕康
受保护的技术使用者：上海怀德机电有限公司
技术研发日：2017.09.14
技术公布日：2018.01.26
声明：
“高温模具用铸造镍基合金的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：上海怀德机电有限公司
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2024年11月22日 ~ 24日 
