HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其技巧

文／湯首峰·朝陽(yáng)天翼國(guó)基新材料有限公司

HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其技巧

文／湯首峰·朝陽(yáng)天翼國(guó)基新材料有限公司

湯首峰，哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬材料系鍛壓工藝及設(shè)備專(zhuān)業(yè)畢業(yè)。從事鍛壓工作近20年。主要研究?jī)?nèi)容為：大曲面成形工藝和模具設(shè)計(jì)；曲軸和連桿等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件鍛造成形工藝；耐蝕合金、電熱合金、哈氏合金、高溫合金等鎳基合金冶煉和冷熱成形等方面工作。

本文以HastelloyC-276鎳基合金為例, 探討了鎳基合金的鍛造工藝難點(diǎn)及其主要影響因素，提出了解決方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地解決了鎳基合金鍛坯鍛造時(shí)表面開(kāi)裂和邊角開(kāi)裂的技術(shù)難題。

純鎳具有高的塑韌性和耐蝕性，強(qiáng)度較低，因此，在工業(yè)領(lǐng)域一般采用鎳基合金，以滿(mǎn)足實(shí)際使用環(huán)境對(duì)高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕及良好熱強(qiáng)性等綜合性能的要求。鎳基合金在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)，在制造加工工藝方面則帶來(lái)了一些困難，如變形抗力大、鍛造溫度區(qū)間窄、鍛造開(kāi)裂敏感性大等，亦即鎳基合金的熱加工工藝性能往往較差，使得鎳基合金材料及其制件的鍛造成形較為困難。HastelloyC-276是難變形鎳基合金的典型代表，其錠坯在鍛造時(shí)邊角裂紋和表面開(kāi)裂傾向尤為突出，影響了該合金的應(yīng)用。本文提出了一種工業(yè)化生產(chǎn)條件下HastelloyC-276鎳基合金最佳鍛造工藝方案，并對(duì)工藝方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

合金成分高純化控制

HastelloyC（0Cr16Ni60Mo16W4）合金在焊接和熱成形時(shí)具有顯著的晶間腐蝕敏感性和脆性，為了降低晶間腐蝕敏感性和脆性，可以采用提高合金純度的途徑，如將碳含量控制在≤0.02%，硅含量控制在≤0.08%。降低碳含量可以減少碳化物（M6C、M2C、M23C6）的析出數(shù)量，降低硅含量可以抑制金屬間化合物相（α、μ、P等）的沉淀析出，從而改善合金的耐晶間腐蝕性能。與此同時(shí)，提高合金純度，在一定程度上可以改善合金的韌性、塑性和鍛造成形性能。為此推出了低碳低硅的高純HastelloyC-276（00Cr16Ni60Mo16W4）合金，并采用爐外AOD、VOD精煉工藝（AOD精煉法是氬氧脫碳法的簡(jiǎn)稱(chēng)，VOD精煉法是真空吹氧脫碳法的簡(jiǎn)稱(chēng)）成功冶煉高純HastelloyC-276合金。HastelloyC和HastelloyC-276的化學(xué)成分見(jiàn)表1。HastelloyC-276可制成板材、棒材、帶材、絲材、焊管和鑄件。由于其高溫變形抗力大，一般無(wú)法生產(chǎn)無(wú)縫管材。

HastelloyC-276合金在各種氯化物以及含各種氧化性鹽的硫酸、亞硫酸、磷酸，各種有機(jī)酸、高溫氟化氫等介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能，因此可制作耐這些腐蝕介質(zhì)的各種容器、管道、閥門(mén)、塔、槽等。合金成分高純化控制后，降低了鍛造變形的難度，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了有力保障。

表1 HastelloyC和HastelloyC-276合金的化學(xué)成分 （單位：%）

HastelloyC-276合金鍛造工藝特點(diǎn)

HastelloyC-276合金具有如下主要特性：

⑴塑性低。

HastelloyC-276合金由于合金化程度高，組織多相且相成分復(fù)雜，因此鍛造工藝塑性低。由于鍛造工藝塑性對(duì)于變形速度和應(yīng)力狀態(tài)較為敏感，HastelloyC-276合金鑄錠和中間坯料應(yīng)采用低應(yīng)變速率進(jìn)行變形，盡可能采用包套鐓粗或包套軋制，甚至采用包套擠壓成形。

⑵變形抗力大。

HastelloyC-276合金成分復(fù)雜，再結(jié)晶溫度高，再結(jié)晶速度慢，在鍛造溫度（1000～1200℃）下具有較高的變形抗力和硬化傾向，其變形抗力是普通結(jié)構(gòu)鋼的4～7倍。

⑶鍛造溫度范圍窄。

與鋼相比，HastelloyC-276合金熔點(diǎn)低，尤其初熔溫度低（雜質(zhì)元素C、O、N、S、P含量在200ppm以?xún)?nèi)，否則更低）。加熱溫度過(guò)高容易產(chǎn)生過(guò)熱和過(guò)燒；終鍛溫度過(guò)低，則工藝塑性低、變形抗力大，鍛件內(nèi)部容易出現(xiàn)混晶與粗晶組織。為獲得理想的鍛件或鍛坯組織與性能，HastelloyC-276合金的鍛造溫度區(qū)間通常應(yīng)控制在100～150℃范圍內(nèi)。

⑷導(dǎo)熱性差。

HastelloyC-276合金主要由面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）的γ相組成，1000℃以下時(shí)，其熱導(dǎo)率為29.3W/ (m·K），較碳鋼小很多，因此，一般在700～800℃以下需要緩慢預(yù)熱，加熱過(guò)快會(huì)使鍛坯內(nèi)溫度梯度過(guò)大，導(dǎo)致熱應(yīng)力過(guò)大，使得坯料內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋。

HastelloyC-276合金鍛造工藝性能的影響因素

制定HastelloyC-276合金鍛造工藝需要考慮的因素很多，在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)的參數(shù)控制決定著鍛造過(guò)程的成敗。筆者在多年的工作中，結(jié)合理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，梳理了影響HastelloyC-276合金鍛造工藝性能的幾個(gè)主要因素：

⑴工藝塑性。

HastelloyC-276合金由于合金化程度高，提高熱強(qiáng)性的同時(shí)損失了鍛造工藝塑性。另外，高合金化也使得鑄錠容易產(chǎn)生偏析，生成粗大的柱狀晶。在初生枝晶晶界薄弱環(huán)節(jié)處，容易沿晶界處產(chǎn)生裂紋。同時(shí)由于存在枝晶偏析導(dǎo)致合金的可鍛性降低，所以在制定鍛造工藝前測(cè)定合金的工藝塑性非常必要。

⑵鍛造溫度。

確定鍛造溫度時(shí)，除了保證良好的工藝塑性以滿(mǎn)足成形要求外，還必須獲得良好的組織和性能。鍛造溫度原則上必須低于初熔溫度，終鍛溫度應(yīng)接近或略高于第二相質(zhì)點(diǎn)溶入固溶體的溫度和再結(jié)晶溫度。

坯料加熱分預(yù)熱和加熱兩個(gè)階段進(jìn)行。加熱設(shè)備最好采用電阻爐，其優(yōu)點(diǎn)是升溫快，爐溫易于控制，勞動(dòng)條件好，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)是對(duì)毛坯尺寸形狀變化的適應(yīng)性不夠強(qiáng)，運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，投資費(fèi)用較大。值得注意的是，如果用火焰加熱，燃料中硫含量過(guò)高，當(dāng)其滲入毛坯表面后，會(huì)形成Ni-Ni3S2低熔點(diǎn)的共晶體，熔點(diǎn)僅為650℃左右，會(huì)使合金產(chǎn)生熱脆性并降低塑性。

在對(duì)鍛坯進(jìn)行多火次鍛造時(shí)，鍛造加熱溫度應(yīng)隨兩火之間的間隔時(shí)間延長(zhǎng)而降低，從而避免已發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒持續(xù)長(zhǎng)大，同時(shí)，中間火次的加熱溫度也應(yīng)隨著愈接近鍛件成品、變形量愈小而愈低，避免小變形量與高加熱溫度同時(shí)出現(xiàn)。

⑶變形量。

在確定了變形溫度后，控制變形量就非常重要了。在給定的鍛造溫度下，每一加熱火次的變形量應(yīng)大于臨界變形量并小于晶粒異常長(zhǎng)大相應(yīng)的變形量。在滿(mǎn)足工藝塑性和工序安排要求的前提下，每一次變形應(yīng)深透和均勻，盡量避免不均勻變形，否則易產(chǎn)生混晶與粗晶組織。避免產(chǎn)生粗晶組織的主要途徑是控制變形條件，包括合適的變形溫度、較大的變形量和良好的潤(rùn)滑條件等。另外，通過(guò)后續(xù)的鍛后熱處理，也可以抑制粗晶組織的產(chǎn)生。

此合金的鍛造工藝特性給傳統(tǒng)鍛造工藝帶來(lái)了難題，采用包套鍛造工藝會(huì)較好地解決鍛造變形難題，有效避免出現(xiàn)鍛造裂紋缺陷。

HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其效果

HastelloyC-276合金的鍛造工藝對(duì)組織和性能影響很大。由于HastelloyC-276合金在低溫時(shí)的熱導(dǎo)率較小，如果裝爐溫度過(guò)高或升溫速度過(guò)快，會(huì)因坯料內(nèi)熱應(yīng)力過(guò)大引起開(kāi)裂。鍛造時(shí)既要控制變形均勻，又要控制變形量大于形成粗晶組織的臨界變形量。所有這些問(wèn)題，在制定鍛造工藝及操作規(guī)程時(shí)都應(yīng)加以關(guān)注。

在實(shí)際鍛造過(guò)程中，鍛坯表面和邊角處熱量散失較快，導(dǎo)致工藝塑性急劇下降，因此在鍛造時(shí)鍛坯表面和邊角處往往容易產(chǎn)生開(kāi)裂，裂紋較深時(shí)甚至直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，無(wú)包套鍛造產(chǎn)品實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)包套鍛造得到的鍛坯

為了減少HastelloyC-276合金鍛造過(guò)程鍛坯表面的開(kāi)裂，用塑性較好的金屬材料包覆鍛坯，可以避免表面熱量散失過(guò)快，同時(shí)外側(cè)的包套材料參與變形，可以有效緩解鍛坯在受力變形時(shí)的局部應(yīng)力不均勻，有效改善鍛坯的成形?？紤]到HastelloyC-276合金無(wú)包套鍛造時(shí)工藝塑性差，報(bào)廢率高的情況，在改進(jìn)HastelloyC-276合金鍛造工藝時(shí)采用了包套鍛造方案。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，提出了HastelloyC-276合金及其半成品制造相應(yīng)的鍛造規(guī)范，并在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了驗(yàn)證。采用包套鍛造效果十分明顯，包套鍛造的產(chǎn)品鍛坯見(jiàn)圖2。

開(kāi)始鍛造前對(duì)工裝、模具、錘頭以及砧座進(jìn)行預(yù)熱，可有效減少邊角裂紋的出現(xiàn)，同時(shí)能明顯提高工裝與模具的使用壽命。用溫度達(dá)到350～450℃的鐵塊預(yù)熱30min以上，可有效減少邊角裂紋的出現(xiàn)。HastelloyC-276合金鍛坯加熱時(shí)應(yīng)采用低溫裝爐和較慢的升溫速度，保溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，以避免由于熱應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致鍛坯加熱時(shí)開(kāi)裂。鍛造拔長(zhǎng)時(shí)最好采用型砧(半圓或V 型） ，有利于減少鍛坯變形的不均勻性。拔長(zhǎng)時(shí)不宜采用方坯翻轉(zhuǎn)90°錘擊的方法，這樣的變形方式過(guò)于劇烈，容易引起端部十字裂紋，采用“圓→四方→八方→圓”的拔長(zhǎng)方案更為合理，采用圓棒螺旋進(jìn)給也是避免鍛造缺陷的有效手段。開(kāi)坯鍛造時(shí)將鍛坯勤翻面和勤倒角，可有效減緩邊角開(kāi)裂和表面開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)格控制在再結(jié)晶溫度以上的變形，同時(shí)控制好錘擊的頻率，使鍛坯有充裕的時(shí)間完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。鍛造過(guò)程中合理分配每火次與每次錘擊時(shí)的變形量，始鍛階段要輕擊，待輕微變形后再重?fù)粢詫?shí)現(xiàn)大變形量鍛造，同時(shí)要嚴(yán)格控制最后一火的變形量。試驗(yàn)證明，由鑄錠到鍛坯經(jīng)過(guò)三火次變形能達(dá)到理想的變形效果。

本文重點(diǎn)研究了HastelloyC-276合金包套鍛造的過(guò)程和效果，為此，列舉了兩組（錠型不同）包套工藝方案進(jìn)行對(duì)比分析：

第一組工藝試驗(yàn)共使用了4個(gè)鑄錠，錠型φ270 /φ240mm×1400mm，變形溫度為1000～ 1200℃。

圖2 采用包套鍛造得到的鍛坯

①包套用材為4mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ120mm×3000mm；

②包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ120mm×3000mm；

③包套用材為4mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯70mm×270mm×2000mm；

④包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯70mm×270mm×2000mm。

第二組工藝試驗(yàn)共使用了4個(gè)鑄錠，錠型為φ505 /φ475mm×1400mm，變形溫度為1000～1200℃。

①包套用材為2mm厚的不銹鋼鋼板，鍛造坯料為圓棒φ210mm×3000mm；

②包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ210mm×3000mm；

③包套用材為2mm厚的不銹鋼鋼板，鍛造坯料為板坯80mm×850mm×2000mm；

④包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯80mm×850mm×2000mm。

為了比較幾種包套工藝對(duì)鍛件表面質(zhì)量的影響，均采用HastelloyC-276同一生產(chǎn)批次的電渣錠，并采用相同的鍛造工藝和熱處理工藝。兩組采用了包套鍛造工藝的8個(gè)合金錠的鍛造質(zhì)量明顯優(yōu)于不采用包套直接鍛造的，表面邊裂和角裂問(wèn)題得到了有效解決。在高溫鍛造時(shí)，不銹鋼板能有效保持良好的外觀完整性及包裹能力，不銹鋼包套效果令人滿(mǎn)意。經(jīng)不同厚度包套鍛造結(jié)果對(duì)比，厚包套效果明顯優(yōu)于薄包套，4mm厚的低碳鋼板經(jīng)兩火次鍛造后基本就沒(méi)有包裹能力了，尤其是開(kāi)坯階段，反復(fù)鐓拔鍛造時(shí)較薄的包套過(guò)早失效，在后續(xù)的鍛造過(guò)程中無(wú)法提供有效保護(hù)。綜上所述，2mm厚的不銹鋼鋼板和6mm厚的低碳鋼板做包套能夠完全滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。

采用包套鍛造很好地解決了鍛造變形難題，有效避免了鍛造裂紋缺陷，節(jié)約了打磨處理的人工成本；有效保障工期，同時(shí)提高材料的成材率。節(jié)約的成本減去包套的費(fèi)用，每噸產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益在一千元以上，此包套鍛造工藝可以推廣到可鍛溫度比較窄和難變形的多種金屬及合金。

結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

⑴開(kāi)始鍛造前對(duì)工裝、模具、錘頭以及砧座進(jìn)行預(yù)熱，可有效減少邊角裂紋的出現(xiàn)，同時(shí)能明顯提高工裝與模具的使用壽命。

⑵HastelloyC-276合金鍛坯加熱時(shí)應(yīng)采用低溫裝爐和較慢的升溫速度，保溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，以避免由于熱應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致鍛坯加熱時(shí)開(kāi)裂。

⑶合理分配每火次與每次錘擊時(shí)變形量，始鍛階段要輕擊，待輕微變形后再重?fù)粢詫?shí)現(xiàn)大變形量鍛造，同時(shí)要嚴(yán)格控制最后一火的變形量。

⑷鍛坯拔長(zhǎng)變形時(shí)采用型砧（半圓或V型）是合理的。

⑸開(kāi)坯鍛造時(shí)將鍛坯勤翻面和勤倒角，可有效減緩邊角開(kāi)裂和表面開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)格控制在再結(jié)晶溫度以上變形，同時(shí)控制好錘擊的頻率，使鍛坯有充裕的時(shí)間完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

⑹HastelloyC-276合金采用包套鍛造可獲得良好的保溫、潤(rùn)滑效果，結(jié)合上述工藝及技巧等措施，可以減少鍛坯開(kāi)裂傾向。