熱連軋工藝對GH4648鎳基合金棒材組織與性能的影響
GH4648合金是一種時效強化型鎳基高溫合金,合金組織中主要由α-Cr相,y,y'和碳化物組成。該合金Cr的質量分數(shù)高達32%~35%,高鉻提高了合金的抗氧化性和耐腐蝕性,也加劇了α-Cr相和Cr的碳化物(如M23C6,M7C3等)析出的傾向。GH4648合金在800~900℃時效時析出的w-Cr相,使合金在高溫時具有足夠的強度。
我國傳統(tǒng)上GH4648合金熱軋棒材一直采用橫列式軋機生產,橫列式軋機采用人工喂鋼的辦法,軋制節(jié)奏由于受操作者水平的影響導致合金在軋制過程中工藝參數(shù)波動較大,特別是終軋溫度難以準確控制。采用橫列式軋機生產的棒材經過檢測發(fā)現(xiàn),合金的組織和性能波動較大,尤其是α-Cr相的析出狀態(tài)和形狀差異較大。對于GH4648合金而言,α-Cr相組織控制的均勻性直接影響到產品的性能。如果采用連軋軋機軋制高溫合金棒材,由于連軋機的自動化程度遠高于落后的橫列式軋機,生產過程中人為影響因素較少,工藝參數(shù)的執(zhí)行穩(wěn)定,對于獲得最佳組織和性能的熱軋棒材十分有利。遺憾的是國內關于高溫合金連軋方面的工藝技術尚罕見報道,本文主要結合寶鋼特鋼事業(yè)部引進的高合金鋼連軋生產線研究了采用連軋工藝對GH4648合金組織和性能的影響。
1連軋設備和實驗用料
圖1為高合金鋼連軋生產線示意圖,其工藝布置采用一架700粗軋機加16架CCR連軋機的半連續(xù)軋制方式,軋制規(guī)格為φ14~85mm圓鋼、20~50mm方鋼和(8~20)mmx(28~75)mm扁鋼。根據(jù)品種和規(guī)格的不同,選用不同規(guī)格的坯料,經過粗軋機開坯成不同規(guī)格的中間坯。中間坯經隧道爐控溫,根據(jù)產品種類、規(guī)格和組織要求選用適當?shù)目販販囟群捅貢r間,然后經CCR連軋機組軋制成品。CCR成品軋制過程中可選擇不同的軋制線速度。
本研究所用的GH4648合金采用真空感應＋真空自耗冶煉,鍛造開坯至110方后經高合金鋼連軋生產線軋制成φ50mm棒材。合金化學成分列于表1。熱軋采用同一爐號鋼坯、同一加熱制度、同一軋制孔型系統(tǒng),通過改變終軋線速度,探討其對合金組織和性能的影響規(guī)律。終軋線速度分別采用3.0、3.3、3.8、4.0和4.2m/s。棒材經標準熱處理(1140℃x1hxAC+900Cx16h+AC)后,分別進行了室溫拉伸性能、800℃高溫拉伸性能﹑高溫持久性能(800℃,176MPa)、晶粒度、沖擊性能的測試分析。
2實驗結果
2.1合金的終軋溫度和終軋速度的關系
GH4648合金坯料經過粗軋開坯,在隧道爐中保溫一段時間,中間坯的溫度均勻燒透后直接出爐經連軋軋制成品棒材。生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),軋制速度直接影響了合金的軋制溫度,而軋制溫度受環(huán)境溫度的影響可以忽略。圖2為終軋速度和終軋溫度的關系。在連軋的過程中,隨著軋制速度的提高,合金棒材的溫升也不斷升高.當終軋速度由3.0m/s增加至4.2m/s,終軋溫度由985℃升高至1130℃。從溫升曲線看,隨著軋制速度的不斷提高,這種溫升的幅度加劇。
2.2合金的力學性能和終軋速度的關系
由圖3可見不同的終軋速度對合金室溫拉伸性能的影響規(guī)律并不明顯,而對800℃高溫拉伸影響比較大。由圖4可見,隨著軋制速度由3.0m/s升至3.3m/s,800℃高溫拉伸性能強度達到峰值,拉伸塑性(δ5、ψ)亦出現(xiàn)峰值。當軋制速度達4.0m/s時,高溫拉伸強度有明顯的下降趨勢,高溫拉伸塑性也略有下降。隨著終軋速度的進一步增高,這種下降趨勢更明顯。
合金的持久壽命(800℃,176MPa)隨著軋制速度的增加有明顯下降趨勢,特別是當終軋速度在3.8m/s時,持久壽命大幅度下降。合金的室溫沖擊性能也隨著終軋速度的增高而下降(見圖5)。
2.3合金的組織和終軋速度的關系
上述軋制參數(shù)的改變造成的性能的變化,應該取決于軋制參數(shù)對合金組織的影響。為此,首先對不同軋制參量下的組織進行了定量分析。由圖6可以看出,由于連軋速度提高導致棒材的溫升使合金棒材晶粒度差異較大,終軋速度控制在3.0~3.8m/s,可以獲得5~6級的晶粒度,而當終軋速度進一步升高達到4.2m/s時,晶粒尺寸逐步變粗,達到了2級晶粒。
通過對合金的金相組織觀察軋制速度在3.0~3.3m/s,合金的主要析出相是彌散分布短棒狀以及顆粒狀的α-Cr相(圖7a,圖7b)。隨著軋制速度的不斷增加,α-Cr相逐步以針狀析出。當終軋速度為4.0m/s,α-Cr相完全以針狀析出,并且呈帶狀不均勻分布(圖7c,圖7d)。
3討論與分析
前期的研究表明，GH4648合金的Cr和C含量對合金的組織和性能影響比較大,主要通過對Cr和C兩種元素的含量控制。來獲得不同α-Cr相的析出量,從而影響合金的組織和性能。本研究選用了同一冶煉爐號、合金的成品錠采用氦氣冷卻的真空自耗爐冶煉,合金的結晶狀態(tài)和成品偏析得到改善,合金的成分比較均勻,這樣就避免了成分差異對合金性能的影響。另一方面,鎳基高溫合金的熱加工溫度對強化相y'影響較小，而y'相主要取決于合金的Al、Ti含量以及熱處理制度。本研究由于采用同一爐號(成品棒材成分應一致)同一熱處理制度進行處理(y'相的析出量基本相同),因此,y'相對實驗材料組織和性能的影響可以忽略。再者,由于研究工作通過連軋設備的自動化控制,各項工藝參數(shù)得到準確地執(zhí)行,使得本研究在軋制過程中所控制的單一變量即為軋制速度,由此,確保合金組織和性能數(shù)據(jù)變化與軋制速度相關聯(lián)的唯一性和準確性。
如在前言中所述,α-Cr相的析出形貌和分布狀態(tài)對GH4648合金的性能有較大影響，而一般認為合金的持久壽命將隨著晶粒尺寸的增加而提高。綜合圖5、圖6的研究結果,可以發(fā)現(xiàn)GH4648合金隨著晶粒度的增大,合金的持久壽命反而有所下降,且這種下降的趨勢比較明顯。金相組織表明,隨著終軋速度的不同,合金α-Cr相形態(tài)的變化比較明顯。由此,不難推斷出影響GH4648合金持久壽命的主要因素是α-Cr相。當合金經過標準熱處理后能夠獲得彌散分部的短棒狀和顆粒狀的α-Cr相就能夠獲得良好的力學性能,而當合金α-Cr相以連續(xù)帶狀和針狀集中析出,對合金的室溫沖擊性能、高溫拉伸和高溫持久性能不利。由圖7可以看出,GH4648合金熱軋棒生產過程中,軋制工藝對α-Cr相析出形態(tài)影響較大,當終軋溫度在980~1020℃溫度區(qū)間進行軋制時,合金棒材經標準熱處理后主要以彌散分布的短棒狀和顆粒狀的α-Cr相析出,這種狀態(tài)的α-Cr相對合金的性能十分有利。當終軋溫度大于1040℃時,合金棒材經標準熱處理后由彌散分布的短棒狀和顆粒狀的α-Cr相逐步向集中帶狀、針狀的析出形態(tài)轉變,不利于合金的性能。本研究采用的高合金鋼連軋生產線,生產過程自動化控制,避免了橫列式軋機人為因素的影響。坯料在連續(xù)爐高溫加熱經過粗軋開坯后進隧道爐,中間坯在隧道爐補償加熱使坯料的溫度均勻,達到工藝要求溫度,確保了每支坯料進入連軋入口溫度一致,從而穩(wěn)定合金的組織和性能。由于熱連軋的特點,機架增加,軋制速度逐架提高。隨著軋制速度的增加,坯料變形受到的軋制力不斷增加。由于軋制速度快,坯料的溫度不斷升高,因此可以通過設定軋制速度來保證終軋溫度成為控制GH4648合金組織與性能的關鍵。根據(jù)軋制過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析,在GH4648合金熱軋棒材生產過程中,終軋速度變化對合金溫度的改變幅度是穩(wěn)定的,受外界環(huán)境溫度影響很小。當GH4648合金終軋速度控制在3.3~3.8m/s能夠保證合金棒材的終軋溫度控制在980~1020℃溫度區(qū)間,在此溫度區(qū)間軋制的合金棒材能夠獲得良好的組織和性能。
4結論
(1)采用連軋生產GH4648合金熱軋棒材時，棒材的終軋溫度可以改變合金α-Cr相的析出形
貌,隨著終軋溫度的升高,α-Cr相以短棒狀和顆粒狀彌散分布的形態(tài)向針狀、帶狀集中分布轉變,從而降低合金的高溫拉伸(800℃)、高溫持久(800℃,176MPa)和室溫沖擊性能。
(2)GH4648合金熱軋棒終軋溫度控制在980~1020℃,經標準熱處理后合金α-Cr相主要以以短棒狀和顆粒狀彌散析出,合金棒材有良好的綜合力學性能。
(3)采用連軋技術生產GH4648合金棒材,能夠實現(xiàn)合金的控制軋制,減少了傳統(tǒng)橫列式軋機的人為影響因素,從而穩(wěn)定合金的組織和性能。
