非真空感應(yīng)熔煉Inconel600鎳鉻鐵合金工藝探索

袁學(xué)敏，趙中雷

（1.甘肅省科學(xué)技術(shù)情報研究所，甘肅 蘭州 730000；2.金川集團(tuán)鎳合金有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

Inconel600合金是鎳鉻鐵型鎳基固溶強(qiáng)化合金，其具有強(qiáng)韌、耐蝕的綜合性能，被廣泛用于制造化工領(lǐng)域工業(yè)設(shè)備[1]，如應(yīng)用于制造加熱器、換熱器、蒸發(fā)器、蒸餾釜、蒸餾塔、冷凝器等。Inconel600鎳鉻鐵合金在高溫下，還具有高強(qiáng)度、高抗氧化性，因此還應(yīng)用于制造熱處理工業(yè)用的各種結(jié)構(gòu)件。該合金還具有耐高溫高壓水的腐蝕性能，因此還應(yīng)用于核動力工業(yè)中。該合金導(dǎo)熱性能優(yōu)良，其導(dǎo)熱系數(shù)是普通鎳合金的11倍左右，還被應(yīng)用于火花塞產(chǎn)品[2]。本文重點研究了非真空感應(yīng)熔煉Inconel600鎳鉻鐵合金的冶煉工藝，Inconel鎳鉻鐵合金熱加工工藝參數(shù)及拉絲工藝，并分析了Inconel600鎳鉻鐵合金產(chǎn)品的化學(xué)成分、內(nèi)部組織、力學(xué)性能機(jī)斷口形貌。

2 Inconel600合金試制工藝

Inconel600合金的配入成分見表1。

表1 Inconel60鎳鉻鐵合金配入成分（%）

2.1 工藝路線

Inconel600合金試制工藝路線：原材料→中頻熔煉→澆成鑄態(tài)棒→鍛造→軋制→盤元熱處理→拉拔

2.2 熔煉工藝

空中頻感應(yīng)爐容量為50Kg，頻率為2500Hz，最大使用功率為75KW。主要爐料是電解鎳、JCr98.5－A、JMn96、微碳鉻鐵、鎳鎂、硅鈣塊、海綿鈦。造渣材料是螢石和生石灰。脫氧劑是鋁石灰粉和硅鈣塊。

中頻感應(yīng)爐冶煉Inconel600合金時除遵守常規(guī)的高合金冶煉工藝外，特別強(qiáng)調(diào)的是精煉期的脫氧操作。精煉期脫氧劑分批加入，每批脫氧劑加入后，待渣與脫氧劑反應(yīng)一定時間后再輕輕點渣，堅持少量、多批、輕點的原則。

由于非真空爐冶煉沒有去氣和去除有害雜質(zhì)元素的能力，對非真空冶煉所需要的全部原材料都必須進(jìn)行嚴(yán)格的處理和選擇，并采用各類添加劑來消除有害雜質(zhì)元素對合金性能的影響。

2.3 鍛造工藝

鍛造設(shè)備是0.5T壓縮空氣錘。預(yù)熱階段鋼坯由室溫加熱到850℃，升溫階段由850℃加熱到鍛造溫度，在鍛造溫度下進(jìn)行保溫，勤翻鋼，使溫度均勻。始鍛溫度＞1050℃，終鍛溫度＞870℃，空冷。

2.4 熱軋工藝

軋機(jī)為十六道次變形過程機(jī)組，始軋溫度＞1000℃，終軋溫度＞870℃。 空冷。

2.5 拉絲工藝

拉絲機(jī)的型號為LC-ZL615，工作轉(zhuǎn)速為75r／min。拉拔過程中各種規(guī)格的絲都要經(jīng)過固溶處理、堿爆、酸洗、高壓水清洗。固溶處理：加熱溫度為1095-1150℃，保溫時間為 1.5-2.5h。 然后再進(jìn)行 700-750℃，15h時效處理。

3 Inconel600合金試制結(jié)果

3.1 化學(xué)成分

采用車床車去鑄錠表面氧化皮，然后進(jìn)行車屑取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。用帶鋸床將鑄錠切成片，用電火花線切割機(jī)將片切割成Φ4×10的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用氮氧監(jiān)測儀來分析鑄錠中的氣體含量。

利用直讀光譜儀和氮氧分析儀對Inconel600鎳鉻鐵合金鑄錠成分分析，結(jié)果見表2，化學(xué)成分符合成分要求。Inconel600氣體含量分析結(jié)果如表3所示，S含量較低，脫氧良好，O含量在50ppm左右，但是氮含量略微偏高。

表2 Inconel600鎳鉻鐵合金鑄錠化學(xué)成分

表3 Inconel600鎳鉻鐵合金氣體含量

3.2 鑄錠金相及夾雜物分析

對鑄錠的橫、縱截面利用全自動切樣機(jī)取樣，利用2G-200L金相顯微鏡和IXA-8800R電子探針對Inconel600鎳鉻鐵合金鑄錠金相組織、夾雜物分布及顯微組織進(jìn)行分析。Inconel600鎳鉻鐵合金鑄錠橫、縱截面形貌如圖 1（a）、（b）所示。 從圖 1可以看出，試樣截面有少量彌散分布的小尺寸點狀夾雜物。

圖1 鑄錠試樣橫、縱截面腐蝕前形貌

鑄錠試樣腐蝕后橫、縱截面顯微組織如圖2（a）、（b）所示，可以看出晶粒大小較為均勻，晶界過度圓滑，是明顯的鑄態(tài)組織。

圖2 鑄錠試樣橫、縱截面腐蝕后組織

圖3 鑄錠試樣EPMA分析圖譜

對Inconel600鎳鉻鐵鑄錠試樣上的夾雜物進(jìn)行能譜分析，由圖3可知，夾雜物為尖晶石氧化物Mg0·Al2O3，棱狀的TiN,和氧化物類型夾雜物CaO和MgO。夾雜物非常細(xì)小，均在2um左右。

3.3 成品絲材質(zhì)量

圖4 Inconel鎳鉻鐵合金熱軋盤元金相組織

熱軋盤元表面光滑，質(zhì)量優(yōu)良，沒有“耳子”、折疊、結(jié)疤、裂紋等缺陷，其尺寸偏差符合GB_T_15008-1994耐蝕合金棒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在Inconel600鎳鉻鐵合金盤元上取樣，進(jìn)行微觀組織分析。從圖4可以看出，Inconel600鎳鉻鐵合金熱軋盤元表面較干凈，晶粒大小分布均勻。

3.4 產(chǎn)品拉伸性能

在絲材成品頭、中、尾三部分各取三根試樣，用電子萬能材料試驗機(jī)對其進(jìn)行力學(xué)性能檢測。力學(xué)性能參數(shù)見表4。隨著應(yīng)變增加，應(yīng)力值不斷增大，Inconel600鎳鉻鐵合金在塑性變形的程中不斷發(fā)生加工硬化，因此必須依靠外加應(yīng)力不斷提高，才能使塑性變形繼續(xù)。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一值時，應(yīng)力不再增加，合金繼續(xù)硬化，應(yīng)變在增大，應(yīng)力增加平緩，進(jìn)入了穩(wěn)定應(yīng)變階段，直至斷裂。說明此次試驗生產(chǎn)的Inconel600鎳鉻鐵合金成品具有良好的塑性和強(qiáng)度，且抗拉強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

表4 Inconel600鎳鉻鐵合金成品室溫力學(xué)性能參數(shù)

用掃描電鏡對試樣拉伸斷口形貌進(jìn)行掃描分析。圖5給出了斷口掃描圖譜。從圖可以看出，斷裂為韌性斷裂。在合金的基體上分布著斷裂時的金屬小顆粒。韌性斷裂的斷口一般能尋見纖維區(qū)和剪唇區(qū)，斷口尺度較大時還出現(xiàn)放射形及人字形山脊?fàn)罨y，纖維區(qū)一般是斷裂源區(qū)，剪切唇總是在斷口的邊緣，并與構(gòu)件的表面約成45°夾角，是在平面應(yīng)力受力條件下發(fā)生剪切撕裂而形成的斷口，剪切唇表面較光滑。由于微區(qū)的選擇原因，韌性斷裂的三個區(qū)不是很明顯。

圖5 成品絲材斷口掃描圖譜

4 結(jié)論

采用非真空中頻熔煉Inconel600鎳鉻鐵合金的試驗方案可行。此次實驗，通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的金屬鈦，并嚴(yán)格按照既定方案進(jìn)行冶煉，按照鍛造、軋制工藝進(jìn)行后序熱加工，成功試制了Inconel600鎳鉻鐵合金產(chǎn)品。Inconel600鎳鉻鐵合金產(chǎn)品化學(xué)成分合格，熱加工參數(shù)合理，拉絲工序獲得的成品表面質(zhì)量良好。強(qiáng)度、塑性指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織均勻，致密，無氣孔疏松。