改进的镍铍合金组合物

摘要

本发明公开了镍铍合金，其相对于已知的镍铍合金具有改进的腐蚀和硬度特性。所述合金的化学组成为：约1.5重量％至5重量％的铍(Be)、约0.5重量％至7重量％的铌(Nb)；和镍(Ni)。还可包含最高达约5重量％的铬(Cr)。所述合金表现出改进的硬度和耐腐蚀性能。

权利要求

1.一种具有改进的腐蚀和硬度特性的镍铍合金组合物，包含：

1.5重量％至5.0重量％的铍(Be)；

0.4重量％至6.0重量％的铌(Nb)；和至少93重量％的镍(Ni)，其中Be:Nb的摩尔比为4:1至70:1。

2.权利要求1所述的镍铍合金组合物，还包含铬(Cr)，其量最高达5重量％。

3.权利要求2所述的镍铍合金组合物，其中所述合金组合物包含大于0.5重量％的铬。

4.权利要求1所述的镍铍合金组合物，还包含钛(Ti)，其量最高达0.7重量％。

5.权利要求1所述的镍铍合金组合物，具有2.0重量％至3.0重量％的铍(Be)。

6.权利要求1所述的镍铍合金组合物，具有0.4重量％至5.0重量％的铌(Nb)。

7.权利要求1所述的镍铍合金组合物，具有：

2.0重量％至3.0重量％的铍(Be)；

0.4重量％至5.0重量％的铌(Nb)；

量最高达5重量％的铬(Cr)；和量最高达0.7重量％的钛(Ti)；

余量为镍(Ni)。

8.权利要求1所述的镍铍合金组合物，其中所述合金含有钛(Ti)作为不可避免的杂质。

9.权利要求1所述的镍铍合金组合物，洛氏C硬度为至少50。

10.权利要求1所述的镍铍合金组合物，洛氏C硬度为至少52。

11.权利要求1所述的镍铍合金组合物，由以下物质组成：

2.2重量％至2.9重量％的铍(Be)；

0.4重量％至1.8重量％的铌(Nb)；

量最高达5重量％的铬(Cr)；

量最高达0.7重量％的钛(Ti)；和至少93重量％的镍(Ni)。

12.一种由镍铍合金组合物形成制品的方法，包括：将加热的合金组合物浇注至模具内以形成铸件；和热加工所述铸件以获得制品；

其中所述镍铍合金组合物包含：

1.5重量％至5重量％的铍(Be)；和

0.4重量％至6重量％的铌(Nb)；

至少93重量％的镍(Ni)，其中Be:Nb的摩尔比为4:1至70:1。

13.权利要求12所述的方法，其中所述热加工在低于2100℉的温度下进行。

14.权利要求12所述的方法，还包括：在热加工后冷却所述铸件；和使所述铸件固溶退火以获得所述制品。

15.权利要求14所述的方法，其中所述固溶退火在1900℉-2000℉的温度下进行4小时-

24小时。

16.权利要求12所述的方法，还包括在所述热加工后时效处理所述铸件以获得所述制品。

说明书

改进的镍铍合金组合物

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求提交于2013年3月15日的序列号为61/793,421的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用完全并入本文。

背景技术

[0003] 本公开涉及改进的镍铍合金组合物。更具体的是，与现有的镍铍合金相比，本申请所述镍铍合金组合物表现出改进的耐腐蚀性和耐磨损性。

[0004] 360TM合金是由Materion公司(克利夫兰，俄亥俄州)提供的已知的镍铍合金，其具有在高可靠性电气/电子系统、重载控制、机电设备和其他高性能应用中所要求的独特机械TM和物理性能的结合。360 合金的化学组成包含：约1.85重量％至2.05重量％的铍、约0.4重量％至0.6重量％的钛和余量镍。360TM镍铍合金的带的极限拉伸强度接近约300,000psi，屈服强度最高达约245,000psi，具有柔性成形性能，在400°F下的应力松弛小于约5％，且在约
10,000,000个循环中的疲劳强度(在反向弯曲中)为约85,000-90,000psi。360TM镍铍合金用于经受高温(短时间最高达700°F/350℃)并要求在这些温度下具有良好的弹簧特性的机械和电气/电子组件。这种合金的一些应用包括恒温器、波纹管、膜片、老化和测试插座。360TM镍铍合金还尤其可用于消防喷头中的高可靠性、耐腐蚀的碟形垫圈。

[0005] 然而，由于合金中的不连续转变、以及铸态形式和热轧(as-hot rolled)形式中的粗糙的微观组织，360TM合金会难以加工。此外，合金的强度和硬度受限于其组成。将期望开发相对于现有的镍-铍合金具有改进的淬硬性和加工能力的新合金组合物。

发明内容

[0006] 本发明涉及相对于已知的镍-铍合金具有改进的腐蚀和硬度特性的镍-铍合金组合物。本发明的合金组合物包含约0.4重量％至约6重量％的铌(Nb)、约1.5重量％至约5重量％的铍(Be)并包含余量的镍(Ni)。所公开的所述合金组合物还任选包含约0重量％至约5重量％的铬(Cr)。

[0007] 在一个实施方案中，所公开的镍铍合金组合物包含约2.0重量％至约3.0重量％的铍(Be)；约0.4重量％至约6重量％的铌(Nb)；最高达约5重量％的铬(Cr)；和最高达约0.7重量％的钛(Ti)；并包含余量的镍(Ni)。镍含量通常为至少88重量％，或至少93重量％。这些合金表现出改善的硬度和耐腐蚀性能。

[0008] 下面更具体地公开本公开的这些和其他非限制性特征。

附图说明

[0009] 下面是附图的简述，其为举例说明而非限制本文所公开的示例性实施方案的目的。

[0010] 图1是示出在不含铌的情况下，由镍和铍形成的已知合金的铸态微观化学组织的显微照片。

[0011] 图2是示出本公开的一个实施方案的铸态微观化学组织的显微照片，其中所述合金组合物包含镍、铍和铌。

[0012] 图3是由本公开的包含镍、铍和铌的合金组合物形成的制品的X射线图。所述图显示了元素在所述制品表面的分布。

[0013] 图4是鉴定图3合金的元素分布的总结谱图具体实施方案

[0014] 参照附图可更完整地理解本文所公开的组件、方法和装置。为了便于和易于说明本发明，这些附图仅是示意性表示，因此并非旨在表示所述设备或其部件的相对大小和尺寸，和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

[0015] 尽管为了清楚起见，在以下的描述中使用了特定术语，这些术语旨在仅指代被选择在附图中示出的实施方案的具体结构，并非旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中应理解，类似的数字标号指代的是具有类似功能的组件。

[0016] 除非上下文中另有明确说明，单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。

[0017] 除非上下文中另有明确说明，单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。

[0018] 如在说明书和权利要求书中使用的，这里使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能够”、“含有”及其变化形式旨在表示开放式的连接短语、术语或词语，其要求具有所提到的成分/步骤，并且允许具有其他成分/步骤。然而，这种描述应被解释为还描述了组合物或方法“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”的情况，其允许仅具有所指出的成分/步骤，以及任何可能由此产生的不可避免的杂质，并排除了其他成分/步骤。

[0019] 在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。

[0020] 本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值。

[0021] 由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。用于表示近似的用语可符合用于测量所述值的仪器的精度。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。

[0022] 除非另有明确说明，元素的百分数应视为所述合金的重量百分数。

[0023] 本发明涉及具有改进的硬度特性并同时保持与Materion公司制造的360TM合金相似的屈服强度和抗拉强度特性的镍-铍合金组合物。本发明的合金组合物可认为是镍-铍合金360TM合金的改进形式，该合金组合物在本文中也称为“360X合金”。

[0024] 本公开的360X合金组合物包含约1.5重量％至约5.0重量％的铍(Be)；和约0.4重量％至约6.0重量％的铌(Nb)，和余量的镍(Ni)。在特定的实施方案中，所述合金组合物包含至少88重量％的镍，或至少93重量％的镍。在更具体的实施方案中，所述合金组合物包含约2重量％至约3重量％的Be；和约0.4重量％至约5重量％的铌。

[0025] 铍与铌的摩尔比(即，Be:Nb)是重要的。在一些实施方案中，Be:Nb的摩尔比为4:1至70:1。

[0026] 在其他实施方案中，所述合金组合物还可包含最高达约5重量％的铬(Cr)。更具体地说，所述合金组合物可包含约0.5重量％至约5重量％的Cr。关于此，量为0.3重量％或更低的Cr应被视为是不可避免的杂质。

[0027] 在另外的实施方案中，所述合金组合物还可包含最高达约0.7重量％的钛(Ti)。在其他的合金组合物中，钛可被视为不可避免的杂质。

[0028] 在更具体的实施方案中，所述合金含有约2.2重量％至约2.9重量％的铍(Be)；约0.4重量％至约1.8重量％的铌(Nb)；其量最高达约5重量％的铬(Cr)；其量最高达约0.7重量％的钛(Ti)；和至少93重量％的镍(Ni)。

[0029] 合金组合物中可含有不可避免的元素杂质如碳(C)、铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)或钛(Ti)。对于本公开的目的，量小于0.3重量％的这些元素应被认为是不可避免的杂质，即不希望或不期望它们的存在。

[0030] 认为铌的存在改变了由本公开的合金组合物形成的制品的晶粒结构，使得所述晶粒更细。这使得可更容易地热加工所述合金。此外，这最小化了剪切不稳定性和应变局部化，所述剪切不稳定性和应变局部化通常是不希望的，因为它们可导致开裂并降低由合金形成的制品的硬度。对于以前的合金，可以观察到晶界析出物，其似乎与这些不希望的性质有关。在这方面，希望合金组合物具有至少50、包括至少52的洛氏C硬度。相比之下，在无开裂4英寸厚的板中，所述360TM合金能够获得的最大洛氏C硬度(Rc)值为45。已获得50的Rc值，但发生内部开裂。

[0031] 本公开的含有镍、铍和铌的360X合金组合物被设计成在根据NACE MR0175/ISO 15156在4-5级下测试时具有高耐腐蚀性，同时还获得了高的硬度水平和抗磨损特性。因此，由360X合金组合物形成的制品可用于各种工业和商业应用，如石油和天然气工业中的那些。特别是，360X合金组合物可以用于制备用在防喷器或其他类似的石油和天然气相关设备中的部件，如刀片或其他支撑件。

[0032] 所述组合物在需要其性能的组合的应用中还可用作已知的高性能钢和超合金的替代物。相对于耐化学性较低并易磨损的其他合金，360X合金的相对简单的化学组成使得它具有优势。360X合金也可用于化学加工工业，作为具有已知易蚀的复杂结构的其他镍合金的替代物。

[0033] 可以通过利用常规的静态、半连续或连续工艺将合金铸造成合适的板坯或锭形式来形成制品。然后在低于2100°F的温度下对所述合金进行热加工。热加工包括各种技术，如机械成形以改变晶粒结构；在高温下加工；挤出、锻造、热轧或皮尔格轧制。接着，成形的制品可进行固溶退火。在固溶退火中，合金被加热到高温并保持一段足以使杂质(如碳)进入溶液的时间。然后，合金被快速冷却，以防止杂质从溶液中出来。可在1900°F-2000°F的温度下进行固溶退火，保持在这些温度下4小时至24小时。如果需要，可热处理成型制品，例如在约1700°F至约2000°F的温度下，时间为约0.25小时至约4小时。如果需要还可以对所述制品进行时效化，例如在900°F至1000°F的温度下进行4小时至16小时。

[0034] 提供以下实施例来说明本公开的合金、制品和方法。这些实施例仅是说明性的，并且不旨在将公开内容限制于其中所设定的材料、条件或工艺参数。

[0035] 实施例1-29

[0036] 根据下述方法制备二十九(29)种不同的组合物。

[0037] 根据所需的元素混合物，称取22磅(10kg)的由镍丸、金属铍块和60％铌-40％镍中间合金构成的装料。如实施例所述，将精细粉碎的铬金属加入装料中

[0038] 在100千瓦的感应炉内，将镍丸装入40磅容量的坩埚中并加热约20分钟以熔融镍装料。在惰性氩气保护气下进行熔融。在镍丸熔融后，将金属铍块加入熔融的镍中。向镍/铍混合物中加入60％铌-40％镍中间合金，并用耐火棒搅拌。对于含铬的实施例，在镍熔融之后且在加入铍之前，加入铬。然后将熔融物加热超过2分钟至约2600°F-2700°F的浇注温度，立即倒入浇注漏斗并向下通过浇口进入1”x3”x8”的石墨模具。

[0039] 在几分钟内，模具内的混合物凝固，除去模具，将铸锭空气冷却过夜。对1”x3”x8”的铸锭进行取样以通过电感耦合等离子体和光学发射光谱法(IDP-OES)进行化学验证，然后切割成试样以进行微观组织评价、硬度测试、固溶退火和时效处理。固溶退火范围确定为1900°F至2000°F。使用的时间为4-24小时。还对试样进行时效处理，优选的时效处理温度范围为950°F达约6小时。

[0040] 将合金形成为置于板之间的1”x1”x2”块，压缩并加热至约1950°F，从而测试所述合金的热加工性。所述块从2英寸厚被压缩至约1英寸的厚度。换言之，所述合金在接近固溶退火的温度下变形了50％。

[0041] 对得到的压缩块进行分析以确定总开裂、微观组织水平上的剪切不稳定性、和合金的加工性水平。剪切不稳定性是微观组织的现象，并决定了合金晶体结构是否破坏、移动或移位。对所述块还进行了确定是否存在晶界析出物的分析。

[0042] 表1A和1B给出了实施例1-29的结果。表1给出了以重量百分比表示的信息，表1B给出了以摩尔百分比表示的信息。

[0043] 所测试的合金包含多种元素，具有约0.46重量％至约5.62重量％的铌(Nb)、约1.68重量％至约3.07重量％的铍(Be)、约0重量％至约10.4重量％的铬(Cr)、约0重量％至约0.62重量％的钛(Ti)、以及各合金所包含的余量的镍(Ni)。列出了各实施例的目的化学组成以及实际获得的化学组成。“其他”栏列出了一些其他测量元素的量。测量了洛氏C硬度(Rc)。还包括了在用于热加工性的压缩试验后的各实施例的稳定性说明，以及微观组织评价。

[0044] 实施例1是含镍(Ni)、铍(Be)和钛(Ti)的常规合金，对应于360TM合金材料。这种合金无法获得50的Rc值。

[0045] 在实施例2-8中，加入不同量的铌和铬。如实施例3和4中观察到的，含有10％铬和1-5％铌的合金不具有50以上的Rc硬度。然而，实施例6含有5％的铬，其可以获得50的Rc硬度。因此，似乎较低量的铬增加了合金的硬度。在实施例5、6和8中，认为铬是杂质。不希望局限于理论，认为Cr消耗或减少了Nb。

[0046] 图3是实施例7的360X合金组合物的X射线图，其包含约2.06％的Be、5.62％的Nb、0.02％的Cr和另外约0.62％的钛(Ti)，同时余量为镍。铌和镍一起使得铸态组织发生改变。
该图表现出了表示复杂冶金体系的特征的不连续特征。

[0047] 图4是总结谱图，其确定了图3的360X合金组合物的元素分布。从谱图中可以观察到的一个结果是，Y峰和Zr峰是虚假的。Zr似乎更为突出，因为它开始与Nb重叠。值得注意的是，量低于8％的Be不能被所使用的光谱仪检测到，这是一个普遍的问题。

[0048] 包含了约0.5％的钛以与杂质(其他少量元素)反应，并使它们为惰性的。然而，钛-镍混合物往往具有低的熔融温度低共熔点。基于实施例2-8，决定不将钛加入其余实施例中。

[0049] 在实施例9和10中，分别确定了Be和Nb的影响。没有使用Cr或Ti。如实施例9中所观察到的，仅存在Ni和Be不足以产生大于50的Rc硬度。然而，将Nb加入实施例10的合金中使硬度增大至超过50Rc。认为Nb的加入改变了合金的晶粒结构使其更细，从而改进了合金的热加工性。

[0050] 图1是示出实施例9的包含镍和铍但不包含铌的合金的晶粒结构的显微照片。图2是示出实施例10的包含镍、铍和铌的组合的360X合金组合物的显微照片。两者均取相同的放大倍率。图1的晶粒结构相对粗糙，而图2中的晶粒则细得多。

[0051] 在实施例12-24中，改变Ni、Be和Nb的相对量以确定它们对于合金硬度水平、在1950°F的50压缩下的稳定性、以及微观组织质量的影响。标题为“稳定？”的栏表示是否注意到了任何总体可见缺陷。标题为“微观组织”的栏表示是否注意到了任何微观组织的开裂，还表明了晶界析出物(简称为“gb ppt”)的存在。在“其他”栏中，记载了C、Cu和Cr的量。按重量百分比计，将它们记载为转换到小数点后三位。如果量小于0.001重量％，则按份/百万(ppm)记载所述量。Be的目标量在2-3重量％之间变化，而Nb的目标量在0.5-5重量％之间变化，余量为镍。不加入Cr或Ti。

[0052] 实施例15、21和22各自含有大于5重量％的Nb，这三个实施例中的两个没有获得50的Rc硬度。实施例12-14、16、17和24获得了至少52的Rc硬度。

[0053] 基于这些结果，准备了另外的实施例25-29。这些实施例含有较窄目标范围的2.2-2.9重量％的Be和0.5-1.6重量％的Nb，和余量镍。这些实施例获得了2.2-2.7重量％的Be和
0.4-1.7重量％的Nb。这些试验各自获得了超过52Rc的硬度指数。经充分压缩的实施例25、
26和29的晶界析出物极少或没有。观察到实施例27和28分别具有剪切开裂和外部开裂。

[0054] 在“稳定？”栏下面提供了对于热加工性的测试结果。合金均未经历灾难性故障。基于这些结果，可以通过铸态圆料(as-cast round)的热加工形成制品。

[0055] 应该理解的是，上述公开的变化形式和其他特征和功能或其替代方式，可以组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员后续可作出各种目前未预见或未预期的替代方式、修改、变化形式或改进，这也旨在由所附权利要求所涵盖。

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