Inconel 600中厚板材生產(chǎn)工藝

供稿|楊晗，楊哲，程偉，丁五洲，許松 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

Inconel 600鎳基合金具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能以及優(yōu)良的冷熱加工和焊接性能，在700 ℃以下具有熱強(qiáng)性和高塑性。Inconel 600中厚板材作為一種優(yōu)質(zhì)耐蝕合金廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航天、電子、核電等領(lǐng)域。本文對大規(guī)格Inconel 600中厚板材的熔煉、鍛造、軋制工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：A2工藝路線(真空感應(yīng)+電渣重熔+鍛造+軋制)生產(chǎn)的合金化學(xué)成分、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、腐蝕速率均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，有效解決了鎳基合金板材表面質(zhì)量差和一次鑄錠成品率低的問題。

Inconel 600中厚板材廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航天、電子、核電等領(lǐng)域，是一類用量較大的優(yōu)質(zhì)耐蝕合金[1]。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T2054對N06600化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求與美標(biāo)ASTM B168相似，只是對雜質(zhì)元素含量的規(guī)定略有不同。本研究結(jié)合美標(biāo)及國標(biāo)的要求，將合金元素控制在更窄的目標(biāo)范圍內(nèi)(表1)，尤其是對H、O、N三種有害氣體元素含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過采用合理的鍛造、軋制、熱處理工藝，生產(chǎn)出化學(xué)成分、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、腐蝕性能均能滿足要求的Inconel 600鎳基合金中厚板材。

工藝方案

本研究制定5種工藝方案，根據(jù)最終檢測結(jié)果選出適合大規(guī)格Inconel 600鎳基合金中厚板材的生產(chǎn)工藝路線，見表2。

5種工藝方案中，A1與A2方案相比較，A1采用純金屬加入，A2對易揮發(fā)元素錳以中間合金形式加入，其余控制參數(shù)如真空度、加熱方式、精煉時間、冷卻時間等均一致；B方案與A2方案相比較，將電渣熔煉改變?yōu)檎婵兆院娜蹮?；C方案三種熔煉方法均進(jìn)行，其中真空感應(yīng)熔煉參數(shù)與A2、B方案一致，電渣重熔工藝參數(shù)與A2方案一致，真空自耗工藝參數(shù)與B方案一致；D方案為普通生產(chǎn)工藝，只進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉。

加工工藝：鍛造使用4500 t水壓機(jī)，加熱溫度為1150 ℃，鍛造板坯橫截面為200 mm×950 mm。熱軋加熱溫度1160～1180 ℃，保溫時間為5 h，用3300 mm熱軋機(jī)軋制得到厚度規(guī)格30 mm的板材。最終熱處理采用固溶處理(1020 ℃，WC)。對5種工藝方案生產(chǎn)的板材進(jìn)行性能和金相檢測分析得出最佳工藝方案。

表1 高品質(zhì)Inconel 600鎳基合金美標(biāo)及國標(biāo)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔煉實驗方案

結(jié)果與分析

兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制

兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制為典型的鎳基合金雙聯(lián)法生產(chǎn)工藝。真空感應(yīng)熔煉可準(zhǔn)確調(diào)配合金化學(xué)成分，具有良好的去氣條件，既可明顯降低H、O、N元素含量，又能除去低熔點易揮發(fā)性雜質(zhì)。電渣熔煉所得金屬純凈度高、鑄態(tài)組織好、脫硫效果好，不易形成點狀及年輪狀偏析[2]。

兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制工藝方法分為A1和A2兩種方案，其中A1方案中Mn采用單金屬加入，A2方案采用Ni-Mn中間合金加入，采用相同的配比進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉來獲得成分均勻的一次鑄錠。方案A1與方案A2真空感應(yīng)熔煉后成分如表3和表4所示。

表3 A1方案真空感應(yīng)熔煉生產(chǎn)的Inconel 600合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 A2方案真空感應(yīng)熔煉生產(chǎn)的Inconel 600合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從表3和表4可以明顯看出，兩種方案生產(chǎn)的Inconel 600板材雖化學(xué)成分均在可控范圍內(nèi)，但A2方案(中間合金添加)得到的真空感應(yīng)鑄錠的錳元素?fù)p失量遠(yuǎn)低于單質(zhì)錳加入的A1方案。因此，在相同條件下，真空感應(yīng)熔煉添加錳元素時以中間合金狀態(tài)加入為宜。

方案A2經(jīng)過電渣重熔后，得到規(guī)格為φ550 mm×2000 mm，鑄錠單重大于4 t的Inconel 600電渣錠，化學(xué)成分如表5所示。

表5數(shù)據(jù)表明A2方案生產(chǎn)的電渣錠主成分及雜質(zhì)成分均在控制目標(biāo)范圍之內(nèi)，Mn含量與真空感應(yīng)無明顯差異，氣體元素含量也在控制目標(biāo)范圍之內(nèi)。鑄錠表面質(zhì)量好、縮孔淺，鍛造前只需將鑄錠頭部、底部切除即可，無需扒皮，一次鑄錠成品率可達(dá)90%以上。

因電渣錠無需扒皮，其表面細(xì)晶組織未被破壞，鍛造后因其表面無裂紋，扒皮量少；頭尾表面質(zhì)量好，切頭率小；鍛造成品率可達(dá)98%。

表5 經(jīng)電渣重熔后Inconel 600電渣錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

軋制成形性好，開坯很少出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況，成品率提高，內(nèi)部質(zhì)量好，經(jīng)過探傷未見內(nèi)部有明顯的非金屬夾雜。

兩步熔煉(VIM+VAR)+鍛造+軋制

兩步熔煉(VIM+VAR)+鍛造+軋制為另一種常見的鎳基合金雙聯(lián)法生產(chǎn)工藝，真空感應(yīng)+真空自耗熔煉可準(zhǔn)確調(diào)配合金化學(xué)成分，具有良好的去氣條件，可明顯降低H、O、N元素含量，能除去低熔點易揮發(fā)性雜質(zhì)，但不能有效除硫及夾雜物。

雙真空熔煉生產(chǎn)的鑄錠扒皮量大，成品率不高；大量的扒皮去除了鑄錠表面的細(xì)晶組織，使得柱狀晶暴露；鑄錠鍛造時，如果工藝控制不當(dāng)則容易出現(xiàn)頭部開裂、表面裂紋的情況，因此鍛造溫度需要提高，鍛造工藝、操作方法要求高，需要謹(jǐn)慎操作。

B方案采用真空感應(yīng)+真空自耗熔煉，所得Inconel 600合金產(chǎn)品成分分析如表6所示。

表6 經(jīng)雙真空熔煉后所得Inconel 600合金產(chǎn)品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

由表6成分分析可知，鑄錠各主成分元素含量在目標(biāo)控制范圍之內(nèi)，Si含量相較電渣重熔較高，由于真空度較高，H、O未像電渣重熔一樣發(fā)生反彈，但所生產(chǎn)鑄錠由于生成皮下氣孔，導(dǎo)致需后續(xù)加工和扒皮處理，而且鑄錠鍛后易產(chǎn)生裂紋。

由于皮下氣孔的存在，鑄錠表面需進(jìn)行扒皮處理；縮孔較深，鍛造前需將鑄錠頭部、底部大量切除；一次鑄錠成品率低于A2法。

因真空自耗錠進(jìn)行了扒皮處理，其表面細(xì)晶組織已破壞，鍛造后表面易出現(xiàn)大量裂紋，后續(xù)扒皮量大，頭尾切頭量大。

軋制板形較好，開坯時易出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況，道次表面修磨量大，相較電渣錠其內(nèi)部存在非金屬夾雜。

三步熔煉(VIM+ESR+VAR)+鍛造+軋制

在鎳基合金生產(chǎn)過程中對于中等合金化可采取雙聯(lián)工藝，如果錠型特大則采用三聯(lián)工藝；真空感應(yīng)熔煉的鎳基合金經(jīng)電渣重熔，可進(jìn)一步脫硫和降低夾雜物含量，改善結(jié)晶組織，提供致密無缺陷的電極。再進(jìn)行真空自耗重熔，可以保證重熔過程中不會由于真空感應(yīng)爐熔煉電極中的縮孔和裂紋等缺陷造成的不穩(wěn)定性導(dǎo)致融化速率變化而增加宏觀偏析傾向。真空感應(yīng)可獲得化學(xué)成分均勻，雜質(zhì)含量低的合金；電渣重熔可解決真空感應(yīng)中帶來的夾雜物含量高、縮孔深、表面質(zhì)量差、內(nèi)部疏松等缺陷；真空自耗可解決因電渣重熔帶來氣體含量反彈；所生產(chǎn)的合金鑄錠成分均勻、氣體含量、雜質(zhì)含量、非金屬夾雜含量低。但是，C方案采用三聯(lián)法生產(chǎn)工藝，即真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔+真空自耗熔煉，工序冗長，對普通合金來說生產(chǎn)成本高；自耗后鑄錠需進(jìn)行扒皮，且鍛造后修磨量、切頭量較大，一次成品率相較A2 方案低。經(jīng)過成分分析得到三聯(lián)法生產(chǎn)高品質(zhì)Inconel 600產(chǎn)品的成分如表7所示。

將方案C與方案A1、A2、B進(jìn)行對比可得出，三聯(lián)法可有效改善合金的純潔度，并且對O、H、N等元素具有較好的控制，很好地解決了雙聯(lián)法帶來的H、O、N元素的反彈問題，且能更好的控制C、S、P等元素，最大限度的減少其在合金中的含量。鑄錠經(jīng)過扒皮后，采用與B方法相同的鍛造、軋制工藝進(jìn)行加工，加工時出現(xiàn)的情況與B方法類似，成品率低于A2方法，但板材表面質(zhì)量、內(nèi)部非金屬夾雜有明顯的改善。

真空感應(yīng)熔煉+鍛造+軋制

通過真空感應(yīng)熔煉進(jìn)行脫氧、脫氮、雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)、控制熔體與坩堝作用等物理、化學(xué)反應(yīng)，熔煉出化學(xué)成分準(zhǔn)確且純潔度高的鑄錠[3]。D方案能準(zhǔn)確控制高溫合金的化學(xué)成分，工序短、成本低。但是，經(jīng)過金相和非金屬夾雜物檢測，鑄錠中非金屬夾雜不能有效的去除，而且晶粒粗大、不均勻，同時鑄錠縮孔大，凝固偏析嚴(yán)重。在切除冒口、縮孔后，鑄錠一次成品率低于80%。鍛造后鑄錠表面質(zhì)量差，頭尾切除量大，刨銑量大。軋制時易起皮，修磨量大，且探傷后有非金屬夾雜大量裹入。

表7 經(jīng)三聯(lián)法生產(chǎn)Inconel 600產(chǎn)品成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

不同方案生產(chǎn)板材性能對比

對使用A2、B、C、D方案生產(chǎn)的相同規(guī)格板材進(jìn)行固溶處理，取樣進(jìn)行力學(xué)性能、腐蝕性能檢測。腐蝕性能檢測采用ASTM G28 方法A：H2SO4-FeSO4。各項檢測結(jié)果見表8。從表中數(shù)據(jù)可見，4種生產(chǎn)工藝所軋制板材性能實測值均符合ASTM B168標(biāo)準(zhǔn)要求，A2方案和C方案綜合性能優(yōu)于其他方案。

不同方案生產(chǎn)的板材金相組織照片見圖1。從圖中可以看出，A2方案和C方案經(jīng)過電渣重熔有效去除了非金屬夾雜物，晶內(nèi)組織純凈均勻，少見夾雜物殘留。B方案雙真空熔煉有限去除了夾雜物，晶內(nèi)組織仍然可見有殘留。D方案真空感應(yīng)熔煉不能有效除去非金屬夾雜物，而且容易裹渣帶入，金相照片顯示晶內(nèi)組織有較多夾雜物。

表8 不同工藝方案生產(chǎn)的Inconel 600板材性能

圖1 不同工藝方案生產(chǎn)的Inconel 600板材金相組織：(a) A2方案；(b) B方案；(c) C方案；(d) D方案

結(jié)束語

通過對不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的Inconel 600板材進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，A2方案即真空感應(yīng)加電渣重熔雙聯(lián)工藝相較D方案能有效解決一次成品率低、表面起皮、加工性能差、非金屬夾雜多的問題；相較B方案能解決表面易開裂、非金屬夾雜多、S元素含量高的問題；相較C方案工序短，生產(chǎn)成本低。因而從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等方面進(jìn)行綜合考慮，A2方案為適宜的生產(chǎn)高品質(zhì)、大批量Inconel 600合金板材的工藝方法。