一種哈氏合金B(yǎng)3彎頭成型工藝的研究

董健

摘要：對(duì)哈氏合金B(yǎng)3的材料特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)哈式合金B(yǎng)3彎頭采用壓制成形及推制成形材料用量進(jìn)行對(duì)比，采用薄壁焊管進(jìn)行推制成形工藝進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明采用薄壁焊管推制彎頭的成型方式，彎頭的成形質(zhì)量完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，加工工藝簡(jiǎn)單且材料使用更節(jié)約。望以此作為薄壁焊管推制彎頭成形的有效參考。

關(guān)鍵詞：哈氏合金B(yǎng)3;彎頭;焊管;推制成形

0 ?引言

哈氏合金為美國(guó)哈氏公司研制的系列合金超材料。哈氏合金中下分的子種類眾多，其中較為常用的是B2、B3、C276、C22等。哈氏合金的對(duì)鹽酸、醋酸、硫酸等還原性介質(zhì)或氧化性介質(zhì)，均具有十分顯著的抗腐蝕能力。因此，哈氏合金在化學(xué)工業(yè)、紙漿和造紙、煙氣脫硫、海水環(huán)境、垃圾處理、電子行業(yè)等領(lǐng)域，都得到了廣泛的應(yīng)用。近年來哈氏公司新研制出的B3合金，是在哈氏合金B(yǎng)2的基礎(chǔ)上改進(jìn)的新材料，提高了材料的熱穩(wěn)定性，從而提高了耐蝕性能，改善了熱成形與冷成形性能，相比B2合金又有了一個(gè)大的超越。目前B3合金材料還在專利保護(hù)期，只有哈氏公司可以生產(chǎn)，價(jià)格更為昂貴，因此在設(shè)計(jì)時(shí)管道、管件壁厚較薄，也對(duì)彎頭的成型工藝提出了更高的要求。

本文對(duì)哈氏合金B(yǎng)3彎頭的不同的成型工藝進(jìn)行對(duì)比、研究分析，并進(jìn)行試驗(yàn)，找出了一種既節(jié)約材料又可靠的哈氏合金B(yǎng)3彎頭加工工藝成形方法。

1 ?材料性能

哈氏合金 B3（UNS No.N10675）是一種以鎳、鉬、鈷等元素組成的鎳基高溫合金，含鎳量大于65 %，鎳鉬總含量為94%-98%，主要力學(xué)性能見表1[1]。

哈氏合金B(yǎng)3的成形加工特性主要有[2]：

（1）哈氏合金B(yǎng)3的常溫延伸率為40%，這一數(shù)據(jù)說明其塑性較好，非常有利于冷加工。

（2）材料冷加工后才生硬化現(xiàn)象，最直觀的體現(xiàn)是表面硬度升高，塑性降低，再次加工容易產(chǎn)生裂紋缺陷，說明其加工必須連續(xù)性，不可中斷，若中斷，必須對(duì)材料進(jìn)行固溶退火處理，恢復(fù)其力學(xué)性能，才可以進(jìn)行加工。

（3）哈氏合金B(yǎng)3在高溫下對(duì)氧化性介質(zhì)及硫、磷、鉛及其他低熔點(diǎn)金屬十分敏感。

（4）在600～800℃區(qū)間，長(zhǎng)時(shí)間加熱哈氏合金B(yǎng)3會(huì)產(chǎn)生脆性相，導(dǎo)致延伸率降低，而且在此溫度區(qū)間外力或變形受到限制時(shí)，容易發(fā)生熱裂紋。因此在熱處理時(shí)或采用熱成形時(shí)，避開此溫度區(qū)間，應(yīng)控制在900℃以上。

2、彎頭壓制成形工藝與推制成形工藝對(duì)比

對(duì)于1.5D標(biāo)準(zhǔn)彎頭成形方式常規(guī)有兩種，分別為管道推制成形和扇形片壓制成形。根據(jù)對(duì)加工單位調(diào)查，對(duì)于公稱直徑不大于DN450的彎頭，兩種成形工藝加工費(fèi)用相近。對(duì)于哈氏合金B(yǎng)3彎頭，大于DN100的彎頭都是采用板材壓制成形工藝。壓制工藝相對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)厚度沒有苛刻的要求，但是壓制成形工藝有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是材料利用率較低，材料利用率在80%左右，會(huì)產(chǎn)生較多的邊料，只能作廢料處理。而推制成形工藝是先卷制成管道，沒有切割邊料，材料利用率為100%。在采購(gòu)材料重量上相對(duì)于壓制成形工藝節(jié)約10%～30%的材料，對(duì)于哈氏合金B(yǎng)3這種昂貴的材料，成本會(huì)有很大程度地降低。另外，推制成形工藝的焊管一般采用等離子焊接，不需要填絲，節(jié)約焊接材料。

以彎頭90EL DN250為例，哈氏合金B(yǎng)3材料厚度為4.78mm的彎頭壓制成形工藝與推制成形工藝用料重量進(jìn)行對(duì)比，見表2。

3 ?彎頭推制試驗(yàn)

根據(jù)在制合同的規(guī)格，選取δ4.78 的ASME SB333 N10675 的板材為彎頭成形進(jìn)行試驗(yàn)。彎頭的規(guī)格為：90EL DN250-4.19，數(shù)量2件。

3.1 管道的成型

按照彎頭的規(guī)格、數(shù)量，所需要的管道尺寸為φ273×4.78，長(zhǎng)度1540mm，下料尺寸為δ4.78×844×1540mm，折制后管子外徑為φ274-φ275mm，成形時(shí)使外?？梢耘c管子貼得更緊，減小成形過程出現(xiàn)褶皺的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 成形前準(zhǔn)備

（1）把管道切割成需要的形狀及尺寸。哈氏合金B(yǎng)3很硬，采用鋸床切割效率較低且鋸條的損耗較大，因此采用等離子的切割方式進(jìn)行切割，必須將切割的端口的氧化渣、毛刺等打磨去除干凈，防止在外力作用下產(chǎn)生裂紋缺陷。由于管道的直徑比磨具大，若焊縫余高過高會(huì)使此處產(chǎn)生凹陷缺陷，需要將焊縫余高打磨至母材齊平。

（2）切割后的管道進(jìn)行固溶熱處理。由于哈氏合金B(yǎng)3在高溫下對(duì)氧化性介質(zhì)及硫、磷、鉛及其他低熔點(diǎn)金屬十分敏感，所以在熱處理前需要對(duì)管道進(jìn)行酸洗處理，并且采用電加熱爐進(jìn)行固溶熱處理。先空爐加熱至1080℃，將工件快速進(jìn)爐，再進(jìn)行快速升溫至1080℃，保溫大于等于15分鐘，出爐水冷，表面有一層很厚的氧化層輔以酸洗去除。

（3）管道表面涂潤(rùn)滑劑。成形過程管道與模具之間會(huì)有很大的摩擦，也會(huì)對(duì)管道表面劃傷，為了減小摩擦，保護(hù)管道表面，就需要在管道表面涂潤(rùn)滑劑。將管道直接浸在裝滿潤(rùn)滑劑容器中，來回并擺動(dòng)約30秒鐘，取出后進(jìn)行晾干處理。

3.3 推制成型

由于管材中空特點(diǎn)，推制成形過程中內(nèi)外側(cè)壁厚會(huì)發(fā)生變化，且易引起其橫截面形狀的改變，易出現(xiàn)推頭皺褶、外側(cè)端口開裂、內(nèi)側(cè)壁失穩(wěn)起皺、截面變形等成形缺陷。需要采取相應(yīng)的措施來避免產(chǎn)生以上的缺陷。

（1）根據(jù)管道的壁厚及工藝要求選取不同規(guī)格的芯棒。管子與芯棒之間的間隙大了，推制時(shí)內(nèi)弧易產(chǎn)生褶皺，外弧則會(huì)出現(xiàn)凹陷缺陷，間隙小了加大了阻力，推導(dǎo)端承受的推力就越大，易發(fā)生皺褶。綜合考慮，此次試驗(yàn)選取的芯棒直徑比管道內(nèi)徑小3mm。

（2）控制推導(dǎo)端進(jìn)給的速度。變形的過程也是晶格發(fā)生了位移，晶格在金屬內(nèi)部流動(dòng)的過程，管道壁厚較薄，也是晶格流動(dòng)的截面較小，為了保證晶格在金屬內(nèi)部流動(dòng)的順暢，就需要更長(zhǎng)的時(shí)間，若速度過快，易產(chǎn)生褶皺、撕裂等缺陷。

（3）觀察推頭是否出現(xiàn)皺褶。成形過程中應(yīng)時(shí)刻注意管道推導(dǎo)端的變形狀態(tài)，非常重要，是推制成功與否的關(guān)鍵。每推進(jìn)約1/8長(zhǎng)度時(shí)，將上模具抬起，退出推桿，觀察并用手觸摸檢測(cè)管道推頭端是否出現(xiàn)皺褶。若出現(xiàn)皺褶應(yīng)立即停止推制，卸下工件作一次固溶熱處理，校形后進(jìn)行二次推制成形。

（4）成品的檢查。對(duì)彎制結(jié)束的彎頭進(jìn)行外觀檢查，大弧側(cè)存在局部凸起是由于模具在推制過程存在位移造成，其余表面光潔，弧度光滑，無(wú)開裂、皺褶缺陷，局部凹陷等缺陷。再對(duì)彎頭表面進(jìn)行噴丸、酸洗處理，去除表面潤(rùn)滑劑，內(nèi)外表面整體PT檢測(cè)無(wú)任何缺陷。

4、結(jié)論：

（1）通過此次的推制試驗(yàn)，可以確認(rèn)哈氏合金彎頭可以采用固溶熱處理后的焊管進(jìn)行推制成形。

（2）哈氏合金B(yǎng)3材料的加工硬化現(xiàn)象，使推導(dǎo)端優(yōu)先受到推力，在推力作用下，使此處的材料更加堅(jiān)硬、不易變形，從而避免了在推制過程中出現(xiàn)褶皺缺陷。

（3）按照此工藝對(duì)哈氏合金B(yǎng)3材料，規(guī)格為90EL DN300-4.57，共17件彎頭進(jìn)行推制成形，成品未發(fā)現(xiàn)任何問題，相比壓制成形方案節(jié)省約160Kg材料。

（4）對(duì)于此次B3彎頭的推制成形成功的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于其他形式B3管件成型提供了經(jīng)驗(yàn)支撐，起到引導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] ASME BPVC 2019 SECTIONⅡ MATERIALS Part B：Nonferrous Material Specifications SB-333 Specification for Nickel -molybdenumAlloy Plate，Sheet，and Strip[S ]

[2] 盧廣賢，夏崇華，劉 豐. 哈氏合金 B3 材料成形加工工藝方法[B]. 壓力容器，2012（29）：48-51. DOI：10.3969/j.issn.1001-4837.2012.01.009.