1前言
GH合金属于Ni-Cr-Fe型镍基高温合金。它具有优良的耐蚀性能和抗氧化能力,广泛用于化工、航空、核工业等部门。GH合金成分虽然较为简单,合金成分控制也较容易,但要解决合金塑性的工艺技术难度却较大。对镍基合金来说,影响合金热加工塑性最重要的因素是硫、气体和低熔点五害杂质元素。采用真空冶炼技术可以有效控制硫、气体、和低熔点五害杂质元素对合金热塑性的危害。厂早在年就采用真空感应炉冶炼,一次性地研制成功,合金锻造塑性十分优良。但是,GH合金在非真空状态下进行冶炼,要解决合金锻造塑性问题较不容易。在非真空状态冶炼最大弱点是气体和有害杂质元素不能象高真空状态下那样得到挥发去除,必须采用各种手段使用各种添加剂才能有效控制气体和有害杂质元素对合金锻造塑性的影响。今年厂GH生产量很大,各类产品交货量达多吨,需要冶炼多吨合金锭。作为生产高温合金基地的长城特殊钢公司三生产区来说,从建厂投产以来,从来都没有这么大的生产量。对厂目前现有的冶炼设备条件下,采用真空感应炉不能完成这么巨大的交货量,必须探索其它冶炼技术才能保证产品交货期和交货量的完成。除有真空感应炉以外,厂还有电弧炉和非真空感应炉冶炼设备,有真空自耗炉和电渣炉精炼设备。厂采用非真空感应炉＋电渣重熔试制生产,通过二次试生产和不断总结经验,解决了合金锻造塑性问题,从而保证了GH大批量生产的顺利进行。
2GH试生产研究
合金试制成分见表1。
2.1非真空感应炉＋电渣炉重熔冶炼工艺探索
由于非真空感应炉冶炼没有去气和去除有害杂质元素的能力,对非真空冶炼所需要的全部原材料都必须进行严格的处理和选择,并采用各类添加剂来消除有害杂质元素对合金塑性的影响。首次冶炼,我们采用AI、Ca、Mg、Ce添加剂,AI、Ca、Mg、Ce即有很强的脱氧和脱硫能力,而且还可以去除有害杂质元素对合金造成的危害。非真空感应炉首次试炼1炉,浇铸电极棒共8支,采用二种渣系电渣重熔。一种采用CaF2、Al2O3、CaO、MgO四元渣系和加Al粉脱氧保护电渣重熔,另一种采用CaF2、Al2O3二元渣系和加Al粉、Ca-Si粉综合脱氧保护电渣重熔。采用四元渣系电渣重熔,合金锻造塑性很差,采用二元渣系电渣重熔,合金锻造塑性有明显的改善。从二种电渣重熔锻造塑性来看,采用二元渣系电渣重熔,GH合金锻造塑性要好些。为了完全解决GH合金锻造塑性,我们又进行了第二次试制研究。第二次非真空感应炉采用三种冶炼方法冶炼4炉,根据上次用二元渣系电渣重熔所取得的效果,本次非真空感应炉采用三种工艺冶炼4炉GH均采用CaF2、Al2O3二元渣系和加Al粉、Ca-Si粉脱氧保护电渣重熔。这4炉电渣锭锻造情况与合金中微量元素含量关系见表2。
表2中1号和2号合金是非真空感应炉采用插木块法冶炼,目的是把木块插入炉中,通过碳氧反应,达到沸腾去气的效果。3号合金仍然采用AI、Ca.Mg.Ce法冶炼。与上一次非真空感应炉冶炼法一样不变。4号合金是非真空感应炉采用加Al、Ca、Ce不加Mg的冶炼法,考察不加Mg的冶炼方法能否达到有效的冶炼效果。从表2GH合金锻造情况来看,4炉GH采用三种冶炼方法的锻造情况都一样,电渣锭大头锻造塑性均差,电渣锭小头锻造塑性均很良好。这是什么原因呢?通过对4炉合金锭大小头微量元素分析,发现4炉合金大头Ca、Ce微量元素含量均低于合金小头Ca、Ce含量。合金大头Ca、Ce微量元素含量过低,可能是导致电渣锭大头锻造塑性低的原因。根据这种判断,GH在下步电渣重熔中,加强电渣大头重熔的脱氧保护，尽可能地提高电渣锭大头微量元素在合金中的含量。
把木块插入炉中的冶炼方法,虽然能达到沸腾去气目的,但钢液喷溅严重,工人操作难度大。采用加Mg冶炼方法,但炼钢分厂冶炼Ni-Mg合金负担很大,而且冶炼成本也较高。以上二种冶炼方法均放弃不用,只采用加Ce不加Mg的冶炼法,这种冶炼法不但可以达到同样的冶炼效果,而且还可以减轻炼钢分厂冶炼Ni-Mg合金的负担和大幅降低GH的冶炼成本。因此,决定采用Al、Ca、Ce不加Mg冶炼法,正式投入大批量生产。
到目前为止,GH冶炼44炉,投料、27吨,电渣锭大小头均显示出优良锻造塑性,完全解决了非真空感应炉＋电渣重熔冶炼GH的工艺路线。
2.2GH合金锻造工艺
GH合金在试制阶段,合金锭加热温度在±10℃,而测得炉温与钢锭料温相差20℃左右,钢锭实际加热温度只有℃左右。钢锭出炉后降温也较快,钢锭出炉到开始锻造,钢锭表面温度降到℃左右,这样合金在高温锻造时间就受到影响,钢锭锻造火次增多。在批量生产时,我们把炉温提高到±10℃,钢锭料温保持在±10℃,最多2火次就可以完成一支钢锭的锻造,加大变形量,钢锭锻造也不开裂,显示出优良的锻造塑性而且也提高了生产效率。
2.3GH合金轧制工艺
GH合金轧制温度可控制在~℃范围,如果成品材轧制必须考虑较细的晶粒组织和较高的屈服强度,加热温度可控制在~℃范围,或者把终轧温度控制在℃以下,就可以获得最佳综合力学性能。目前厂主要提供大批量管坯材料,最终力学性能在成品管材上测定。管坯力学性能只作参考数据,因此,在生产中可以把加热温度控制在℃左右。
2.4GH合金板材轧制工艺
2.4.1GH合金热轧成品板及开坯工艺见表3
2.4.2GH合金冷轧薄板工艺
GH合金经热轧开坯后,进行2次冷轧,最后一次冷轧总变形量控制在30~40%。
2.4.3GH合金成品板(坯)固溶处理工艺见表4。
冷轧薄板在×7min钟固溶处理后,可获得8级均匀细晶粒组织,中厚板加热时间不得超过15min钟,均可获得较细的晶粒组织和综合力学性能。
钢板碱酸洗同镍基高温合金。
3GH合金试制结果
3.1GH合金轧材及板材成材率
到目前为止,GH合金批量生产达44炉，.2吨,轧材锭至材成材率达到83.3%,板材成材率达到66.56%。从这二项成材率指标可以看出，由于GH合金显示出良好的热加工塑性,废品率显著降低,因而成材率得到大幅提高。
3.2GH合金室温力学性能结果见表5
从表5室温力学性能结果可以看出,轧材加热温度控制在℃左右,可以获得较高的综合力学性能要求,超过ASME规定的指标。如果加热温度控制在℃左右,屈服强度达不到ASME标准要求。冷轧薄板在℃固溶处理可获得很高的综合力学性能。今后如提供棒材交货(管坯除外),加热温度应控制在℃左右,或者把终轧温度控制在℃以下,可以达到ASME规定的力学性能要求。
4GH合金试制结果讨论
4.1微量元素对GH合金锻造塑性的影响
GH合金属于Ni-Cr-Fe型镍基耐蚀高温合金,对合金热加工塑性起着最大危害作用的杂质元素是S、O、H及低熔点五害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi。这些有害杂质元素采用真空冶炼技术,多数都能在高真空状态下,得到挥发去除。厂采用真空感应炉冶炼GH、GH37等镍基高温合金,残留在合金中的H、Bi等杂质元素分别低达0.8PPm和0.1PPm的水平。而采用非真空状态冶炼,气体和有害杂质元素不能象真空冶炼那样得到挥发去除。危害合金热加工塑性的气体H和低熔点五害杂质元素,厂及国内外专家都进行了大量的研究,在合金中添加一定量的Ca.Mg.Ce微量元素可以有效控制H和五害杂质元素对锻造塑性的影响。厂今年GH合金冶炼生产量达多吨,只有采用非真空冶炼才能满足产品交货量和交货期的要求。厂从今年3月份开始,GH合金采用非真空感应炉冶炼,进行了2次研制。从表2合金Ca、Ce微量元素含量来看,电渣锭大头Ca、Ce含量明显低于电渣锭小头Ca.Ce的含量,而电渣锭大头锻造塑性很差,电渣锭小头锻造塑性却十分良好。国外专家研究了Ca、Mg微量元素对GH合金塑性的影响,他们研究的结果是Ca、Mg微量元素在合金中的最佳含量在0.~0.%在这个范围,合金在~C,显示出最佳热塑性。从表2电渣:锭小头锻造情况来看,厂生产GH合金应把Ca.Mg微量元素分别控制在10~18PPm和13~20PPm,Ce控制在0.~0.%范围,才能保证合金具有优良的锻造塑性。
Ca、Mg、Ce微量元素在合金中的作用,主要是与低熔点Pb、Sn、As.Sb、Bi等五害元素形成高熔点的Ca,Mg、Ce化合物,特别是五害元素与Ce形成的化合物比Ca,Mg形成的化合物熔点高得多,最高可达℃。由于这些微量元素与低熔点杂质元素形成了高熔点化合物,消除了低熔点杂质元素在晶界上的偏析,从而提高了合金热塑性。另外,Ce对H有很强的吸附作用,可以防止H在钢液凝固过程中析出H,形成气泡缺陷。
4.2加热温度对GH合金锻造塑性的影响
根据文献报道,合金热加工温度在~℃,大变形量加工温度在~℃,低于℃可进行小量变形,在~℃之间合金显示出低塑性[3]。从文献报道来看,合金塑性最好的温度区域在~℃范围,合金加热温度应控制在~℃,由于炉温与料温相差20℃左右,炉温需要控制在±10℃,才能保证合金在相当高的温度下进行锻造。合金中Ca、Mg微量元素含量多少不但对锻造塑性有影响,而且对合金加热温度也有影响。合金中含Ca、Mg元素过多或不含Ca,Mg元素,合金只能在℃左右进行锻造，低于℃,锻造塑性很快下降。在镍基合金中,Ca、Mg与Ni形成低熔点Ni-Ca、Ni-Mg相,并在低温区域沉淀析出。因此,GH合金应避免在低温区加热,以免析出低熔点相,危害合金锻造塑性。
5结语
5.1GH合金从研制到批量生产,在生产工艺上解决了三个问题:A、解决了非真空感应炉熔炼＋电渣重溶冶炼工艺。B、同时又开创了非真空感应炉不加Mg加Ce冶炼工艺,从而减轻了炼钢分厂冶炼Ni-Mg合金的负担,大幅降低了GH合金冶炼成本。C、合金加热温度控制在±10℃,合金锭料温控制在±10℃,合金具有很高的热塑性和大变形能力,有利于提高生产效率。
5.2根据厂生产实践,合金中微量元素Ca应控制在0.~0.%,Ce应控制在0.~0.%范围,可以保证GH合金具有优良的锻造塑性。
联系电话：