600合金是鎳－鉻－鐵基固溶強(qiáng)化合金，具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能、優(yōu)良的冷熱加工和焊接工藝性能，在700℃以下具有滿意的熱強(qiáng)性和高的塑性。合金可以通過(guò)冷加工得到強(qiáng)化，也可以用電阻焊、熔焊或釬焊連接。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備試驗(yàn)使用的Inconel600合金試樣尺寸為10mm×10mm×20mm,化學(xué)成分如表1所示。

試樣加熱使用SX-2.5-10箱式電阻爐，試樣清洗使用KQ3200DE超聲波清洗器，采用QuantaFEG-450型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)對(duì)試樣進(jìn)行夾雜物形貌分析及微量元素測(cè)定。

1.2試驗(yàn)方法

將兩種試樣在電阻爐中加熱到940℃,分別保

溫10、20、30、40h,隨爐冷卻，并與未加熱的試樣進(jìn)行比較。制備金相試樣時(shí)去除表面的氧化層，制備好的金相試樣采用掃描電鏡進(jìn)行組織觀察并測(cè)定成分。

2 Inconel600合金分析

在Inconel600合金中，除基本組成元素(Ni、Cr、Fe)外，由于冶煉原材料、造渣材料、爐襯材料、冶煉氣氛不同，使材料中微量元素及氧、氮等氣體含量出現(xiàn)差異，導(dǎo)致合金性能變化較大。

鑄造合金經(jīng)軋制加工后，其中的夾雜物有的被破碎、有的被拉長(zhǎng)，夾雜物在合金中的分布狀態(tài)發(fā)生了變化，變得更細(xì)小、更分散，合金晶界面積增大，使軋材中夾雜物和氣體分析更加困難；將合金重熔、緩冷，雖然可使夾雜物聚集長(zhǎng)大，但在重熔過(guò)程中，合金有被污染的可能性，同時(shí)為了防止污染，采用真空熔煉也會(huì)使合金中的氣體溢出。采用把合金在一定溫度加熱保溫，使材料晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)可使夾雜物聚集長(zhǎng)大，使合金不產(chǎn)生二次污染，同時(shí)其中的氣體也會(huì)被夾雜物吸附或富集到晶界上。

2.1 Inconel600合金碳的變化

經(jīng)分析測(cè)定，在國(guó)內(nèi)外合金中都含有碳元素，在國(guó)外合金419個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，出現(xiàn)390個(gè)含碳的點(diǎn)，平均檢出含碳點(diǎn)93.1%;在國(guó)內(nèi)合金的460個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，出現(xiàn)含碳的點(diǎn)187個(gè)，平均檢出含碳點(diǎn)40.6%。圖1為保溫不同時(shí)間處理后Inconel600合金試樣在不同區(qū)域夾雜物中碳的最高和最低含量變化?？煽闯觯瑖?guó)內(nèi)外合金夾雜物中最低碳含量變化趨勢(shì)相近，最高含碳量差異較大。對(duì)于最高點(diǎn)含碳量，國(guó)外合金原始軋制狀態(tài)碳含量較低，國(guó)內(nèi)合金原始軋制狀態(tài)碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外合金。國(guó)外合金保溫10h時(shí)，碳向夾雜物聚集，隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)到20～40h,碳含量降低，保溫20～40h時(shí)，夾雜物中的最高碳含量變化較?。粐?guó)內(nèi)合金夾雜物中含碳量隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)(20h)而降低，可能是其中的碳化物分解，然后加熱時(shí)間再延長(zhǎng)，碳再次聚集。

從與碳共存的夾雜物分析，碳含量最高點(diǎn)還包含合金元素Ni、Fe、Cr和O。圖2是國(guó)內(nèi)合金原始態(tài)樣的一個(gè)夾雜物的檢測(cè)結(jié)果?？芍?，氧可能與Cr或Fe以氧化物的形式存在，所以碳的變化除聚集升高外，碳化物中的碳與氧化物中的氧反應(yīng)，使含碳量降低，這可從圖1(b)中碳的變化得到印證。國(guó)內(nèi)合金原始樣含碳量為69%,保溫40h后含碳量下降到50%左右，而碳主要以富鉻、鐵的碳化物或自由碳的形態(tài)存在。

從整體上看，國(guó)內(nèi)合金中碳的偏聚比國(guó)外的嚴(yán)重，含碳量高于國(guó)外合金；國(guó)外合金中碳雖然出現(xiàn)的頻次高，但可看出其分布更加均勻。從熔煉工藝分析，國(guó)外采用真空熔煉和脫碳精煉工藝2,可將碳降到極低水平的同時(shí)，使合金凈化。國(guó)內(nèi)采用電弧爐或中頻爐熔煉、電渣重熔精煉工藝，前期原料中碳含量高或電弧爐熔煉以及電渣重熔不能脫碳是造成碳分布不均勻的主要原因。

2.2 Inconel600合金中鈦、氮的變化鈦在Inconel600合金中不是合金組分，是在熔煉過(guò)程中隨著鉻及造渣材料中鈦的化合物被還原進(jìn)入到合金中，鈦與氮的結(jié)合力很強(qiáng)，在微量情況下易于與氮反應(yīng)形成氮化物。國(guó)內(nèi)合金中，鈦、氮隨加熱時(shí)間的變化如圖3所示?？煽闯觯辖鹬锈?、氮的最高值變化較小，說(shuō)明檢測(cè)到的鈦、氮化合物在處理溫度、時(shí)間范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，沒(méi)有發(fā)生分解，只有聚集長(zhǎng)大。在國(guó)內(nèi)合金460個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，出現(xiàn)含鈦點(diǎn)204個(gè)，平均檢出含鈦點(diǎn)44.3%;出現(xiàn)含氮點(diǎn)130個(gè)，平均檢出含氮點(diǎn)為28.3%。

從檢測(cè)頻次來(lái)看，鈦在合金中除與氮結(jié)合形成氮化物外，還可能以氧化物、碳化物的形態(tài)存在，國(guó)產(chǎn)合金含鈦、氮的典型成分如表2所示。

國(guó)外合金中出現(xiàn)含鈦、氮的檢測(cè)點(diǎn)較少，在385檢測(cè)點(diǎn)中僅出現(xiàn)了12個(gè)含鈦的點(diǎn)，平均檢出點(diǎn)3.1%;出現(xiàn)了7個(gè)含氮點(diǎn)，平均檢出點(diǎn)1.8%。國(guó)外合金含鈦、氮的典型成分，如表3所示。

比較出現(xiàn)的頻次和表2、3典型成分可看出，在國(guó)內(nèi)外檢測(cè)點(diǎn)中都同時(shí)出現(xiàn)鈦、氮、碳，而國(guó)內(nèi)特殊點(diǎn)中鈦、氮含量比國(guó)外高，鈦絕對(duì)值高出37.4%,氮絕對(duì)值高出3.9%;國(guó)產(chǎn)合金含碳比國(guó)外高出12.1%,而國(guó)產(chǎn)合金中檢測(cè)到有較高的氧共存，這從一個(gè)側(cè)面證明國(guó)產(chǎn)合金脫氧不充分或澆注過(guò)程中合金氧化比國(guó)外嚴(yán)重，電渣重熔過(guò)程中與空氣接觸較多，使用添加組分的合金或造渣材料中鈦含量較高。另外，從夾雜物中基本元素總和分析，國(guó)內(nèi)合金中基本元素Ni、Cr、Fe之和較國(guó)外合金中基本元素Ni、Cr、Fe之和低46.15%?？梢?jiàn)，在檢測(cè)點(diǎn)中，國(guó)內(nèi)合金主要組成不是基本元素而是其他元素(81.25%),國(guó)外合金主要組成是基本元素，而形成夾雜的其他元素所占比例較小(35.1%),這從另外一個(gè)側(cè)面可看出國(guó)內(nèi)合金中夾雜物比國(guó)外夾雜物體積更大。

2.3 Inconel600合金氧及其它微量元素

從上面的分析可看出，在合金中氧是以氧化物的形式存在，并且國(guó)內(nèi)外合金中的分布形態(tài)各不相同。在檢測(cè)點(diǎn)中國(guó)外合金含氧點(diǎn)出現(xiàn)的頻次為14點(diǎn)，占3.6%,國(guó)內(nèi)合金含氧點(diǎn)出現(xiàn)的頻次為80點(diǎn)，占17.4%。國(guó)外合金檢測(cè)點(diǎn)含氧典型成分如表4所示。可看出，國(guó)外合金中與氧共存的元素除少量的鈦、鋅、鋁、硅，可判斷，大部分氧與合金中的鉻形成了氧化物，并且殘留的量極少。

國(guó)內(nèi)合金檢測(cè)點(diǎn)含氧典型成分如表5所示。可看出，國(guó)內(nèi)合金中氧的最高含量達(dá)47.2%,并且和氧共存的合金元素有鋁、硅、鈣、鎂、鈦。在檢測(cè)的合金中，國(guó)內(nèi)硅、鋁最高含量分別達(dá)到22.2%和24.8%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外合金(5.3%Si、1.6%A1)。

國(guó)內(nèi)合金硅、鋁出現(xiàn)的頻次占比分別達(dá)到33.9%和29.1%,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外合金的21.1%和0.8%。分析與硅和鋁共存的合金元素，國(guó)外合金中雖然硅出現(xiàn)的頻次比較高，但它和氧共存的僅占到1%,與氧共存的鋁僅有2個(gè)點(diǎn)；國(guó)內(nèi)合金中氧和硅、鋁是共存的，只要有硅或鋁的檢測(cè)點(diǎn)一定有氧存在。

從表2還可知，在國(guó)內(nèi)合金中某些點(diǎn)不含硅、鋁，而含有較高的鈦(6號(hào))或較高的鈣(14號(hào)),鈦和鈣以氧化物的形態(tài)存在于合金中；檢測(cè)到鈣的頻次為2%,檢出鈣的點(diǎn)同時(shí)存在氧，國(guó)外沒(méi)有檢測(cè)到鈣。同時(shí)在國(guó)內(nèi)合金中還存在鎂、鋇、硫、磷、鉀和鈉等微量元素。

由上述數(shù)據(jù)可知，國(guó)外合金中氧的含量極低，脫氧產(chǎn)物在精煉過(guò)程中被排出，合金液潔凈，并且澆注過(guò)程中保護(hù)完備且沒(méi)有被二次污染；國(guó)外脫氧使用的脫氧劑主要是含硅脫氧劑，并且脫氧劑中其它合金元素含量低，可能是用高純硅合金脫氧。從殘留的硅與氧沒(méi)有共存的比例較大來(lái)分析，脫氧劑硅有一定量的過(guò)剩，同時(shí)精煉時(shí)將已生成的脫氧產(chǎn)物幾乎全部排出合金液，合金澆注溫度合理，在澆注過(guò)程中合金沒(méi)有發(fā)生氧化；少量的鋁殘留可能是高純硅合金中極少鋁的殘留。國(guó)內(nèi)合金中微量元素包括硅、鋁、鈣、鈦、鎂、鋇、鉀、鈉、硫、磷等，與國(guó)內(nèi)合金添加的合金元素、熔煉工藝、造渣材料、精煉工藝密切相關(guān)。硅、鋁除原材料中含有外，主要是脫氧劑中帶入的，在使用硅合金脫氧時(shí)，由于脫氧深度不夠，精煉除雜不徹底，在合金鑄造凝固時(shí)氧析出或雜質(zhì)聚集長(zhǎng)大，形成了含硅、鋁的氧化物。合金中鈣、鎂、鋇也同樣是由于脫氧劑中存在少量這些元素，在合金中與氧結(jié)合，最后殘留在合金中。熔煉、精煉造渣劑中不同程度地存在雜質(zhì)元素，如造渣劑中含有的鈉鹽、鉀鹽及含有硫、磷元素的化合物，在熔煉或精煉時(shí)進(jìn)入合金。由上述分析可看出，國(guó)內(nèi)合金中的雜質(zhì)元素由于原材料不純、脫氧劑雜質(zhì)元素含量過(guò)高、脫氧深度不夠、熔煉或精煉工藝不合理而產(chǎn)生的。

總之，國(guó)內(nèi)合金出現(xiàn)雜質(zhì)元素比國(guó)外合金高，是由于原材料不純、熔煉或精煉工藝不合理造成的，因此，為提高合金的質(zhì)量，可從提高原材料質(zhì)量、改進(jìn)熔煉或精煉工藝方面采取措施。

3合金氧化性能比較

把相同表面積的試樣經(jīng)940℃加熱、保溫10～40h,分別測(cè)量其質(zhì)量變化，如圖4所示。可看出，隨保溫時(shí)間的增加，國(guó)內(nèi)外Inconel600合金的單位面積上的增重都呈上升趨勢(shì)，而國(guó)內(nèi)合金增重的速度明顯高于國(guó)外合金。同時(shí)合金氧化增重呈直線上升的趨勢(shì)，而國(guó)外合金氧化增重相比國(guó)內(nèi)合金趨于平緩。這是由于合金中夾雜物、雜質(zhì)元素的含量不同，在加熱過(guò)程中氧的擴(kuò)散通道不同，與氧接觸的面積不同，在加熱時(shí)間范圍內(nèi)，國(guó)產(chǎn)合金形成的氧化膜還沒(méi)有使合金與氧的接觸面積減小，而國(guó)外合金的氧化膜趨于致密，氧化速度趨緩。

4?結(jié)語(yǔ)

(1)國(guó)內(nèi)合金中碳分布極不均勻，主要是由于

合金配料本身中含有較高的碳，同時(shí)熔煉和精煉工藝不能充分脫碳。

(2)?國(guó)內(nèi)合金中殘留有較高的鈦和氮，除與合金中鈦含量高有關(guān)外，熔煉、還與精煉工藝過(guò)程中使熔渣中的鈦進(jìn)入合金中，氮是在合金初煉過(guò)程中進(jìn)入合金中，精煉過(guò)程中脫氣除雜效果不顯著。

(3)國(guó)內(nèi)合金雜質(zhì)中硅、鋁、氧較國(guó)外合金高，除與國(guó)內(nèi)脫氧使用含硅、鋁的脫氧劑有關(guān)外，還與脫氧劑加入量不足或澆注溫度過(guò)高、精煉工藝除雜效果不佳有關(guān)。

(4)在國(guó)內(nèi)合金中同時(shí)還檢測(cè)到鈣、鋇、硫、磷、鋅、鎂、鈉、鉀等元素，這與原材料不純及電渣重熔工藝中的熔渣不純密切相關(guān)。

(5)由于國(guó)內(nèi)合金夾雜物中微量元素比國(guó)外高，國(guó)內(nèi)合金的抗氧化性能較國(guó)外低。