鎳基高溫合金哈氏合金系列材料廠家-禎賦（上海）實業(yè)

管材380/KG

板材330/KG

棒材280/KG

inconel601簡介：

相近牌號

Inconel 601的化學成分:

Inconel 601的物理性能:

Inconel 601在常溫下合金的機械性能的MIA:

此合金具有以下特性：
1.高溫時具有出色的抗氧化性
2.很好的抗碳化性
3.能很好的抗氧化性含硫氣氛
4.在室溫和高溫時都具有很好的機械性能
5.很好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能由于控制了碳含量和晶粒尺寸，601具有較高的蠕變斷裂強度，因此在500℃以上的領(lǐng)域推薦使用601。

Inconel 601的金相結(jié)構(gòu):
601為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。

Inconel 601的耐腐蝕性:
601合金一個重要性能是能在溫度高達1180℃具有抗氧化性。甚至在很嚴酷的條件下，如加熱和冷卻循環(huán)過程中，601能生成一層致密的氧化膜而得到很高的抗剝落性。601具有很好的抗碳化性。由于有較高的鉻、鋁含量，601在高溫含硫氣氛中具有很好的抗氧化性。

Inconel 601應(yīng)用范圍應(yīng)用領(lǐng)域有：
1.熱處理工廠用的托盤、筐及工夾具。
2.鋼絲分股退火和輻射管，高速氣體燃燒器，工業(yè)爐中的絲網(wǎng)帶。
3.氨重整中的隔離罐和硝酸制造中的催化支撐柵格。
4.排氣系統(tǒng)部件
5.固體垃圾焚燒爐的燃燒室
6.管道支撐和煙灰處理部625為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。當在約650℃保溫足夠長時間后，將析出碳顆粒和不穩(wěn)定的四元相并將轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Ni3(Nb,Ti)斜方晶格相。固溶強化后鎳鉻矩陣中的鉬、鈮成分將提高材料的機械性能，但塑性會有所降低。

冶金部鋼鐵研究總院(以下簡稱鋼研院) 受國內(nèi)某石化公司的委托 ,為其進口的加熱爐滾筒進行材料分析并國產(chǎn)化。鋼研院通過分析認定該滾筒所用材料為 INCONEL 601 ,并用 VSG500 kg 真空感應(yīng)爐冶煉出了化學成分與其相同的鋼錠 300 kg/ 支。只有把鋼錠鍛造成 40 ×255 ×510 (mm) 的方坯 ,再用軋機軋成鋼帶 ,才能做成滾筒

鋼研院先后委托國內(nèi)2 家大型機械廠為其鍛造鋼錠失敗后 ,與北京電力設(shè)備總廠(下稱總廠) 聯(lián)手進行了該合金材料鍛造工藝的研究 ,由總廠進行鍛造并獲得成功。

INCONEL 601 是美國 Huntington Alloys 公司于20 世紀 70 年代開發(fā)的 Ni - Cr - Fe 固溶體鎳基高溫合金 ,該合金因高溫機械性能優(yōu)良而具有廣泛的應(yīng)用前景 :在工業(yè)爐方面 ,可制作輻射管、套筒、燃氣噴嘴、電阻加熱部件 ;在化學工業(yè)領(lǐng)域 ,可作為熱交換器、冷凝管、隔離器、催化反應(yīng)器和空氣預熱裝置的材料 ;在環(huán)保領(lǐng)域 ,可作為汽油發(fā)動機的熱反應(yīng)器和固體廢物的焚燒室材料 ;在熱能和電力工程中可作為熱交換器緊固件、煤灰處理系統(tǒng)部件、水蒸汽管路、燃燒系統(tǒng)部件、汽輪機葉片等的材料。

綜上所述INCONEL 601 的國產(chǎn)化對我國的工業(yè)發(fā)展是很有意義的 ,我們通過對該合金材料的動態(tài)再結(jié)晶試驗、熱模擬試驗 ,以及晶粒大小、變形溫度、變形程度等分析研究 ,掌握了該合金的鍛造工藝特性 ,為大規(guī)模國產(chǎn)化創(chuàng)造了條件。同時 ,通過批量試制 ,為國內(nèi)某石化公司提供耐熱、耐蝕的熱爐滾筒合金板材 ,替代了進口備件 ,具有直接的經(jīng)濟和社會價值。

1 　INCONEL 601 高溫合金的化學成分和機械性能

INCONEL 601 合金的化學成分見表 1

其成分表明該合金組織為面心立方固溶體 ,冶金穩(wěn)定性好 ,不起皮、耐滲碳、耐大氣腐蝕和液體腐蝕 ,具有較好的高溫機械性能和抗高溫氧化性(如圖1、圖 2 所示) 。該合金以 Ni 為基體 ,并添加足夠的Cr 和一定量的 Al。

Fe ,Cr ,Al , Ti 都是固溶強化元素[1 ],在鎳基高溫合金中起到了強化作用 ,同時 Al在合金表面形成致密的 Al2O3 氧化膜 ,提高了合金的抗氧化性 ;Cr 也形成 Cr2O3 保護層 ,具有低的陽離子空位 ,防止了金屬原子向表面的擴散和 O ,S,N 等有害元素向金屬內(nèi)的擴散 ,有效地防止金屬的繼續(xù)氧化 ,使合金具有良好的抗腐蝕性。

2 　INCONEL 601 高溫合金鍛造工藝規(guī)程

2. 1 　INCONEL 601 鍛造用料及要求該合金鍛造用料是由鋼研院用 VSG500 kg 真空爐煉制的 100 kg 和 300 kg 的兩種鋼錠 ,形狀如圖 3所示。根據(jù)鋼錠表面質(zhì)量 ,我們要求鍛造前進行扒皮(車光) 。

2. 2 　INCONEL 601 合金的鍛造溫度范圍根據(jù)金屬塑性成形原理、回復和再結(jié)晶理論[2 ]

該合金在加熱變形時產(chǎn)生動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶。即變形結(jié)束后 ,繼續(xù)發(fā)生靜態(tài)回復和靜態(tài)再結(jié)晶或者亞動態(tài)再結(jié)晶?？倧S與 鋼 研 院 一 起 進 行 了 IN2CONEL 601 合金的動態(tài)再結(jié)晶試驗 ,將不同的變形溫度和在此溫度下不同的變形程度以及發(fā)生再結(jié)晶后空冷得到的晶粒的尺寸畫成再結(jié)晶圖 ,稱為第二類再結(jié)晶圖或動態(tài)再結(jié)晶圖 ,如圖 4所示。

再結(jié)晶圖是制訂鍛造溫度范圍的重要參考資料。高溫合金的鍛造溫度范圍還與合金中的 Al + Ti 含量和組織有著密切的關(guān)系 ,如圖 5 所示。INCONEL 601合金中 ω(Al) = 1. 1 %～1. 7 % ,ω( Ti) = 0. 1 %～0. 3 % ,由于 ω(Al + Ti) < 3 % ,在鍛造溫度范圍內(nèi) ,合金是處在單相奧氏體狀態(tài)下 ,此時鍛件的晶粒度只能靠降低鍛造溫度來控制[3 ] 。

若鍛造溫度過低 ,則因晶界碳化物未完全溶解 ,鍛后組織中可能存在原始晶界。

因此 ,這種在鍛造過程中及隨后的冷卻時 ,發(fā)生的亞動態(tài)回復和亞動態(tài)再結(jié)晶與γ′相的溶解析出的交互作用 ,以及對靜態(tài)再結(jié)晶的遺傳影響 ,使高溫合金的鍛造溫度范圍對鍛件組織和性能有著

重大的影響。從 INCONEL 601 合金的動態(tài)再結(jié)晶圖可以看出 :在 800～900 ℃時對于各種變形程度合金都保持原來的晶粒直徑。在 950 ℃時開始有再結(jié)晶發(fā)生 ,950 ℃以上 ,才有明顯的再結(jié)晶。所以終鍛溫度應(yīng)選在 950 ℃以上 ,以保證由變形所產(chǎn)生的加工硬化可以被再結(jié)晶軟化 ,使熱加工順利進行。由圖4 還可以看出 ,在 1250 ℃變形時晶粒急劇長大 ,所以始鍛溫度不應(yīng)超過 1 250 ℃,同時為了獲得理想的晶粒尺寸 ,最后一火鍛造溫度不應(yīng)超過 1 100 ℃,并采用大的變形量。

2. 3 　INCONEL 601 合金的加熱規(guī)范

(1) 鋼錠爐內(nèi)放置方式為并排間隙排列 ,間隙為100 mm 左右。

(2) 加熱方式為 4 段式加熱 (如圖 6) ,為了縮短合金在加熱溫度下的保溫時間 ,避免晶粒過分粗化和合金元素的貧化 ,同時為了減少因該合金導熱性差、膨脹系數(shù)大而產(chǎn)生的熱應(yīng)力 ,鋼錠應(yīng)室溫裝爐或低溫裝爐 ( < 300 ℃) ,升溫要緩慢 (6 ℃/ min) ,到 750～800 ℃保溫 ,保溫時間按 1 min/ mm 計算 ,然后快速加熱 (10 ℃/ min) 到 1 200 ℃保溫 ,按 0. 8 min/ mm 計算。

2. 4 　INCONEL 601 變形程度及鍛造方法

2. 4. 1 　晶粒度對性能的影響較粗大的晶?？梢蕴岣叱志脧姸群腿渥儚姸?,但晶粒大小不均勻?qū)⑹购辖鸬某志脧姸群腿渥儚姸蕊@著下降。

而較細小的晶粒則可以提高屈服強度和疲勞強度。晶粒大小均勻?qū)辖鸬男阅苡欣?,粗晶的斷裂壽命比細晶的明顯縮短。細化的晶粒會使合金屈服強度和疲勞強度明顯提高[3 ] 。

2. 4. 2 　影響晶粒度的因素影響合金晶粒度的因素有 :

(1) 原始晶粒度的影響。晶粒粗大不僅與臨界變形程度或超過加熱溫度上限有關(guān) ,更與原始晶粒度過大有關(guān)。該合金的鋼錠是采用真空冶煉方法而成的 ,雖然提高了合金的強度和性能 ,但晶粒容易長大 ,這是因為減少了晶間物質(zhì)使晶粒增長速度增大了。

(2) 變形溫度的影響。由于該合金的合金化程度較復雜 ,合金的初熔溫度下 ,再結(jié)晶及強化相的溶解溫度提高 ,導致了變形溫度范圍越來越窄 ,所以在確定變形溫度時 ,除了確保工藝塑性滿足成形外 ,還必須獲得良好的組織和性能(見 2. 2) 。

(3) 變形程度的影響。變形量小 ,晶粒粗大 ;變形量大 ,晶粒細小。當臨界變形量時晶粒度最大 ,變形量到一定程度時 ,變形量對晶粒度的影響更加明顯了。根據(jù)熱模擬試驗結(jié)果 ,該合金臨界變形量為20 % ,在 1 000 ℃變形程度為 64 %時晶粒度最為細化。該合金變形溫度范圍窄 ,沒有多大的調(diào)整余地。另外 ,該合金沒有同素異晶轉(zhuǎn)變 ,熱處理的方法不能使晶粒細化 ,合金的晶粒度主要受鍛造變形度的控制。

因此 ,在變形溫度確定后 ,變形程度的選擇就是極為重要的。在一定的鍛造溫度下 ,每一次加熱后的變形程度應(yīng)大于臨界變形程度 ,并小于第二晶粒長大區(qū)域相應(yīng)的變形程度。在滿足工藝塑性和工序安排要求的前提下 ,每一次變形應(yīng)深透和均勻 ,盡力避免合金的不均勻變形 ,否則會產(chǎn)生帶狀粗晶和局部粗晶。該合金的粗晶有一定的遺傳頑固性。為得到滿意的組織和性能 ,在終鍛變形時 ,應(yīng)取較低的加熱溫度和較大的變形程度 ,改善晶粒大小和晶界狀態(tài)。

2. 4. 3 　變形程度和鍛造方法的確定由于原材料是真空冶煉的鋼錠 ,其變形程度不僅是為了要求形狀和尺寸 ,更重要的是通過鍛造變形達到破碎鋼錠的鑄態(tài)組織 ,鍛合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋和氣孔等缺陷 ,均勻和密實金屬組織以及提高機械性能等目的。鋼錠通過錘上鍛造變形為方坯 ,規(guī)格為 40 mm ×255 mm ×510 mm。然后再軋成140 mm ×2 mm(寬 ×厚) 的鋼帶 ,對縱向機械性能要求高。

因此 ,采用 TRE 法與 FM 法聯(lián)合的鍛造方法 ,用拔長變形方式鍛造 ,使鋼錠的鍛比達到 3～5。

TRE 鍛造法也稱為“梯森極限矩形法”。其實質(zhì)是為了讓鍛件心部產(chǎn)生最大的變形 ,用平砧在一個方向上以至少 30 %的下壓量有效的鍛一遍 ,并不翻轉(zhuǎn) ,

再用 50 %的相對下壓量鍛一遍。(總廠的 3t 錘最大打擊力對該合金達不到這個變形程度 ,能以最大打擊力鍛一遍 ,相對變形量也只能在 40 %左右) 。然后翻轉(zhuǎn)鍛平凸出的側(cè)面 ,再翻轉(zhuǎn) ,再強壓 ,循環(huán)這個過程。

送進量與坯料高度之比應(yīng)不小 0. 5。由于設(shè)備打擊力達不到這個變化量 ,在第二火和第三火時采取了 FM 鍛造法。FM 法又叫“沒有曼內(nèi)斯曼效應(yīng)的鍛造法”是英文“Freefrom Mannesmann Effect”的縮寫。

曼內(nèi)斯曼效應(yīng)是毛坯中心存在軸向拉應(yīng)力 ,所以 FM 法也叫“毛坯中心部位免除了軸向拉應(yīng)力的鍛造法”。

FM 法所用的工具的特點是上砧窄 ,下砧寬 ,非對稱布置 (見圖 7) 。第二火時由于 110 kg 鋼錠小頭 120 平鍛延展不到 255 ,只能手持圓弧墊鐵縱向放置在坯料與上錘砧之間橫向搟鍛 ,這也是 FM法。

第三火時在不改變 3 t 錘上下砧的前提下 ,在上砧與坯料之間橫向放置 2 mm ×50 mm 的手持墊鐵 ,快速走料來回鍛打 ,直到成型 ,切斷 ,用錘砧平整(平整終鍛溫度在 870 ℃以上) 。第三火變形量在 40 %左右。

拔長時變形抗力是隨著砧寬的減小而減小。手持墊鐵的放置即減少坯料的變形抗力 ,增大鍛打力 ,提高了拔長效率 ,同時由于心部為壓應(yīng)力 ,極有利于內(nèi)部缺陷的鍛合。

采用 TER 法與 FM 法聯(lián)合鍛造法 ,用拔長變形方式鍛造鋼錠能產(chǎn)生如下效果 :

(1) 鍛合鋼錠內(nèi)部缺陷。鋼錠內(nèi)部缺陷鍛合的三個基本條件 ,一是缺陷表面未被氧化 ,由上述合金的性質(zhì)和鋼錠由真空冶煉而成 ,可知這點成立 ;二是在變形溫度內(nèi)處于三向壓力狀態(tài) ;三是要求一定的變形程度或局部鍛比。

通過 TER 法與 FM 法聯(lián)合鍛造能滿足這三個基本條件。內(nèi)部缺陷分宏觀和微觀。

微觀的只要有足夠的三向壓應(yīng)力就可以鍛合 ,宏觀的鍛合過程分兩個階段。一是使缺陷區(qū)金屬產(chǎn)生塑性變形 ,使兩部分相互靠合的閉合階段 ;二是在三向壓力的作用下 ,加上高溫條件使兩部分金屬鍛合為一體的鍛合階段 ,使金屬的塑性與致密性都得到改善。

(2) 消除臨界變形粗晶。變形高溫合金對臨界變形比較敏感 ,要求鍛造度范圍內(nèi)每一次的變形量都應(yīng)大于臨界變形程度。臨界變形粗晶是由原始晶粒直接長大的 ,其最大的驅(qū)動力是畸變能差 ,其次是畸變能差和晶界曲率兩種驅(qū)動力同時起作用。

不難看出消除臨界變形粗晶的主要途徑是合適的變形溫度和較大的變形程度。采取這兩種變形法 ,每火的變形量都超過 20 %能消除臨界變形粗晶。

(3) 消除鑄態(tài)組織粗大的樹枝晶并獲得均勻細化的等軸晶。鋼錠鍛造達到一定的變形程度 ,鑄態(tài)組織的樹枝狀晶粒便被擊碎 ,通過再結(jié)晶形成新的等軸晶粒組織。方坯的晶粒大小和均勻性取決于變形溫度、變形程度和變形的均勻性。

要使變形均勻 ,終鍛溫度要合適 ,特別是最后一火的變形量大于臨界變形量 ,停鍛溫度要在終鍛溫度左右 ,便能獲得均勻細小的晶粒組織。

這對沒有相變的該合金尤為重要 ,因為其只能依靠鍛造細化和均勻晶粒方能獲得最佳效果。

在鍛造過程中通過合理分配變形量 ,特別是加大最后一火的終鍛變形量 ,對改善晶界狀態(tài)和晶粒與晶界強度的匹配從而獲得良好的組織是重要的。

2. 4. 4 　INCONEL 601 鋼錠鍛造工藝規(guī)程

300 kg 鋼錠除不用圓弧墊鐵縱放橫搟鋼錠小頭外 ,其它過程與 110 kg 的鋼錠一樣。

3 　結(jié)論

通過選擇 TER 與 FM 聯(lián)合鍛造法 ,用拔長變形方式 3 火鍛造工藝規(guī)程 , 經(jīng)外觀尺寸檢查、機械性能試驗和顯微組織檢查 ,成品率達 95 % ,5 %的廢品均為表面尺寸檢測不合格(即有個別鋼錠扒皮過多 ,質(zhì)量不足 110 kg ,造成冒口切除少 ,冒口根部產(chǎn)生鍛造開裂) 。

鍛造后空冷 ,力學性能試驗、金相分析 ,全部達到 ASMT B168 —90 標準 (固溶后的標準) 。

幾項鍛打后的性能指標均優(yōu)于標準。拉伸試驗采用ASTM 試驗方法 E8 規(guī)定的標準樣(三組) ,布氏硬度采用 E10 規(guī)定的標準樣(二組) ,數(shù)據(jù)如下。

金相分析 : ×100 的金相照片中可以看出奧氏體晶粒很均勻、規(guī)則 ,但很難看出碳化物?！?00～500 的金相照片可以看出 Cr 的碳化物和 Ti 的氮化物。均勻分布的很小的粒點為 Cr 的碳化物 ,比較大的亮點為 Ti 的氧化物。通過金相照片的分析 ,可以得出鍛造后該合金的奧氏體晶粒均勻 ,溶于奧氏體基體是 Cr 的碳化物和 Ti 的氮化物都很細小 ,并分布均勻 ,未出現(xiàn)帶狀或鏈狀分布。該合金已由鋼研院做成滾筒實物交付某化工企業(yè)使用 ,運行狀況良好 ,總廠對該合金材料鍛造工藝的系統(tǒng)研究及鍛造成功 ,為其國產(chǎn)化提供了第一手資料。