inconel简介：

相近牌号

Inconel的化学成分:

Inconel的物理性能:

Inconel在常温下合金的机械性能的MIA:

此合金具有以下特性：1.高温时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气氛4.在室温和高温时都具有很好的机械性能5.很好的耐应力腐蚀开裂性能由于控制了碳含量和晶粒尺寸，具有较高的蠕变断裂强度，因此在℃以上的领域推荐使用。

Inconel的金相结构:为面心立方晶格结构。

Inconel的耐腐蚀性:合金一个重要性能是能在温度高达℃具有抗氧化性。甚至在很严酷的条件下，如加热和冷却循环过程中，能生成一层致密的氧化膜而得到很高的抗剥落性。具有很好的抗碳化性。由于有较高的铬、铝含量，在高温含硫气氛中具有很好的抗氧化性。

Inconel应用范围应用领域有：1.热处理工厂用的托盘、筐及工夹具。2.钢丝分股退火和辐射管，高速气体燃烧器，工业炉中的丝网带。3.氨重整中的隔离罐和硝酸制造中的催化支撑栅格。4.排气系统部件5.固体垃圾焚烧炉的燃烧室6.管道支撑和烟灰处理部为面心立方晶格结构。当在约℃保温足够长时间后，将析出碳颗粒和不稳定的四元相并将转化为稳定的Ni3(Nb,Ti)斜方晶格相。固溶强化后镍铬矩阵中的钼、铌成分将提高材料的机械性能，但塑性会有所降低。

冶金部钢铁研究总院(以下简称钢研院)受国内某石化公司的委托,为其进口的加热炉滚筒进行材料分析并国产化。钢研院通过分析认定该滚筒所用材料为INCONEL,并用VSGkg真空感应炉冶炼出了化学成分与其相同的钢锭kg/支。只有把钢锭锻造成40××(mm)的方坯,再用轧机轧成钢带,才能做成滚筒

钢研院先后委托国内2家大型机械厂为其锻造钢锭失败后,与北京电力设备总厂(下称总厂)联手进行了该合金材料锻造工艺的研究,由总厂进行锻造并获得成功。

INCONEL是美国HuntingtonAlloys公司于20世纪70年代开发的Ni-Cr-Fe固溶体镍基高温合金,该合金因高温机械性能优良而具有广泛的应用前景:在工业炉方面,可制作辐射管、套筒、燃气喷嘴、电阻加热部件;在化学工业领域,可作为热交换器、冷凝管、隔离器、催化反应器和空气预热装置的材料;在环保领域,可作为汽油发动机的热反应器和固体废物的焚烧室材料;在热能和电力工程中可作为热交换器紧固件、煤灰处理系统部件、水蒸汽管路、燃烧系统部件、汽轮机叶片等的材料。

综上所述INCONEL的国产化对我国的工业发展是很有意义的,我们通过对该合金材料的动态再结晶试验、热模拟试验,以及晶粒大小、变形温度、变形程度等分析研究,掌握了该合金的锻造工艺特性,为大规模国产化创造了条件。同时,通过批量试制,为国内某石化公司提供耐热、耐蚀的热炉滚筒合金板材,替代了进口备件,具有直接的经济和社会价值。

1　INCONEL高温合金的化学成分和机械性能

INCONEL合金的化学成分见表1

其成分表明该合金组织为面心立方固溶体,冶金稳定性好,不起皮、耐渗碳、耐大气腐蚀和液体腐蚀,具有较好的高温机械性能和抗高温氧化性(如图1、图2所示)。该合金以Ni为基体,并添加足够的Cr和一定量的Al。

Fe,Cr,Al,Ti都是固溶强化元素[1],在镍基高温合金中起到了强化作用,同时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保护层,具有低的阳离子空位,防止了金属原子向表面的扩散和O,S,N等有害元素向金属内的扩散,有效地防止金属的继续氧化,使合金具有良好的抗腐蚀性。

2　INCONEL高温合金锻造工艺规程

2.1　INCONEL锻造用料及要求该合金锻造用料是由钢研院用VSGkg真空炉炼制的kg和kg的两种钢锭,形状如图3所示。根据钢锭表面质量,我们要求锻造前进行扒皮(车光)。

2.2　INCONEL合金的锻造温度范围根据金属塑性成形原理、回复和再结晶理论[2]

该合金在加热变形时产生动态回复和动态再结晶。即变形结束后,继续发生静态回复和静态再结晶或者亚动态再结晶。总厂与钢研院一起进行了IN2CONEL合金的动态再结晶试验,将不同的变形温度和在此温度下不同的变形程度以及发生再结晶后空冷得到的晶粒的尺寸画成再结晶图,称为第二类再结晶图或动态再结晶图,如图4所示。

再结晶图是制订锻造温度范围的重要参考资料。高温合金的锻造温度范围还与合金中的Al+Ti含量和组织有着密切的关系,如图5所示。INCONEL合金中ω(Al)=1.1%～1.7%,ω(Ti)=0.1%～0.3%,由于ω(Al+Ti)3%,在锻造温度范围内,合金是处在单相奥氏体状态下,此时锻件的晶粒度只能靠降低锻造温度来控制[3]。

若锻造温度过低,则因晶界碳化物未完全溶解,锻后组织中可能存在原始晶界。

因此,这种在锻造过程中及随后的冷却时,发生的亚动态回复和亚动态再结晶与γ′相的溶解析出的交互作用,以及对静态再结晶的遗传影响,使高温合金的锻造温度范围对锻件组织和性能有着

重大的影响。从INCONEL合金的动态再结晶图可以看出:在～℃时对于各种变形程度合金都保持原来的晶粒直径。在℃时开始有再结晶发生,℃以上,才有明显的再结晶。所以终锻温度应选在℃以上,以保证由变形所产生的加工硬化可以被再结晶软化,使热加工顺利进行。由图4还可以看出,在℃变形时晶粒急剧长大,所以始锻温度不应超过℃,同时为了获得理想的晶粒尺寸,最后一火锻造温度不应超过1℃,并采用大的变形量。

2.3　INCONEL合金的加热规范

(1)钢锭炉内放置方式为并排间隙排列,间隙为mm左右。

(2)加热方式为4段式加热(如图6),为了缩短合金在加热温度下的保温时间,避免晶粒过分粗化和合金元素的贫化,同时为了减少因该合金导热性差、膨胀系数大而产生的热应力,钢锭应室温装炉或低温装炉(℃),升温要缓慢(6℃/min),到～℃保温,保温时间按1min/mm计算,然后快速加热(10℃/min)到℃保温,按0.8min/mm计算。

2.4　INCONEL变形程度及锻造方法

2.4.1　晶粒度对性能的影响较粗大的晶粒可以提高持久强度和蠕变强度,但晶粒大小不均匀将使合金的持久强度和蠕变强度显著下降。

而较细小的晶粒则可以提高屈服强度和疲劳强度。晶粒大小均匀对合金的性能有利,粗晶的断裂寿命比细晶的明显缩短。细化的晶粒会使合金屈服强度和疲劳强度明显提高[3]。

2.4.2　影响晶粒度的因素影响合金晶粒度的因素有:

(1)原始晶粒度的影响。晶粒粗大不仅与临界变形程度或超过加热温度上限有关,更与原始晶粒度过大有关。该合金的钢锭是采用真空冶炼方法而成的,虽然提高了合金的强度和性能,但晶粒容易长大,这是因为减少了晶间物质使晶粒增长速度增大了。

(2)变形温度的影响。由于该合金的合金化程度较复杂,合金的初熔温度下,再结晶及强化相的溶解温度提高,导致了变形温度范围越来越窄,所以在确定变形温度时,除了确保工艺塑性满足成形外,还必须获得良好的组织和性能(见2.2)。

(3)变形程度的影响。变形量小,晶粒粗大;变形量大,晶粒细小。当临界变形量时晶粒度最大,变形量到一定程度时,变形量对晶粒度的影响更加明显了。根据热模拟试验结果,该合金临界变形量为20%,在0℃变形程度为64%时晶粒度最为细化。该合金变形温度范围窄,没有多大的调整余地。另外,该合金没有同素异晶转变,热处理的方法不能使晶粒细化,合金的晶粒度主要受锻造变形度的控制。

因此,在变形温度确定后,变形程度的选择就是极为重要的。在一定的锻造温度下,每一次加热后的变形程度应大于临界变形程度,并小于第二晶粒长大区域相应的变形程度。在满足工艺塑性和工序安排要求的前提下,每一次变形应深透和均匀,尽力避免合金的不均匀变形,否则会产生带状粗晶和局部粗晶。该合金的粗晶有一定的遗传顽固性。为得到满意的组织和性能,在终锻变形时,应取较低的加热温度和较大的变形程度,改善晶粒大小和晶界状态。

2.4.3　变形程度和锻造方法的确定由于原材料是真空冶炼的钢锭,其变形程度不仅是为了要求形状和尺寸,更重要的是通过锻造变形达到破碎钢锭的铸态组织,锻合钢锭内部的疏松、裂纹和气孔等缺陷,均匀和密实金属组织以及提高机械性能等目的。钢锭通过锤上锻造变形为方坯,规格为40mm×mm×mm。然后再轧成mm×2mm(宽×厚)的钢带,对纵向机械性能要求高。

因此,采用TRE法与FM法联合的锻造方法,用拔长变形方式锻造,使钢锭的锻比达到3～5。

TRE锻造法也称为“梯森极限矩形法”。其实质是为了让锻件心部产生最大的变形,用平砧在一个方向上以至少30%的下压量有效的锻一遍,并不翻转,

再用50%的相对下压量锻一遍。(总厂的3t锤最大打击力对该合金达不到这个变形程度,能以最大打击力锻一遍,相对变形量也只能在40%左右)。然后翻转锻平凸出的侧面,再翻转,再强压,循环这个过程。

送进量与坯料高度之比应不小0.5。由于设备打击力达不到这个变化量,在第二火和第三火时采取了FM锻造法。FM法又叫“没有曼内斯曼效应的锻造法”是英文“FreefromMannesmannEffect”的缩写。

曼内斯曼效应是毛坯中心存在轴向拉应力,所以FM法也叫“毛坯中心部位免除了轴向拉应力的锻造法”。

FM法所用的工具的特点是上砧窄,下砧宽,非对称布置(见图7)。第二火时由于kg钢锭小头平锻延展不到,只能手持圆弧垫铁纵向放置在坯料与上锤砧之间横向擀锻,这也是FM法。

第三火时在不改变3t锤上下砧的前提下,在上砧与坯料之间横向放置2mm×50mm的手持垫铁,快速走料来回锻打,直到成型,切断,用锤砧平整(平整终锻温度在℃以上)。第三火变形量在40%左右。

拔长时变形抗力是随着砧宽的减小而减小。手持垫铁的放置即减少坯料的变形抗力,增大锻打力,提高了拔长效率,同时由于心部为压应力,极有利于内部缺陷的锻合。

采用TER法与FM法联合锻造法,用拔长变形方式锻造钢锭能产生如下效果:

(1)锻合钢锭内部缺陷。钢锭内部缺陷锻合的三个基本条件,一是缺陷表面未被氧化,由上述合金的性质和钢锭由真空冶炼而成,可知这点成立;二是在变形温度内处于三向压力状态;三是要求一定的变形程度或局部锻比。

通过TER法与FM法联合锻造能满足这三个基本条件。内部缺陷分宏观和微观。

微观的只要有足够的三向压应力就可以锻合,宏观的锻合过程分两个阶段。一是使缺陷区金属产生塑性变形,使两部分相互靠合的闭合阶段;二是在三向压力的作用下,加上高温条件使两部分金属锻合为一体的锻合阶段,使金属的塑性与致密性都得到改善。

(2)消除临界变形粗晶。变形高温合金对临界变形比较敏感,要求锻造度范围内每一次的变形量都应大于临界变形程度。临界变形粗晶是由原始晶粒直接长大的,其最大的驱动力是畸变能差,其次是畸变能差和晶界曲率两种驱动力同时起作用。

不难看出消除临界变形粗晶的主要途径是合适的变形温度和较大的变形程度。采取这两种变形法,每火的变形量都超过20%能消除临界变形粗晶。

(3)消除铸态组织粗大的树枝晶并获得均匀细化的等轴晶。钢锭锻造达到一定的变形程度,铸态组织的树枝状晶粒便被击碎,通过再结晶形成新的等轴晶粒组织。方坯的晶粒大小和均匀性取决于变形温度、变形程度和变形的均匀性。

要使变形均匀,终锻温度要合适,特别是最后一火的变形量大于临界变形量,停锻温度要在终锻温度左右,便能获得均匀细小的晶粒组织。

这对没有相变的该合金尤为重要,因为其只能依靠锻造细化和均匀晶粒方能获得最佳效果。

在锻造过程中通过合理分配变形量,特别是加大最后一火的终锻变形量,对改善晶界状态和晶粒与晶界强度的匹配从而获得良好的组织是重要的。

2.4.4　INCONEL钢锭锻造工艺规程

kg钢锭除不用圆弧垫铁纵放横擀钢锭小头外,其它过程与kg的钢锭一样。

3　结论

通过选择TER与FM联合锻造法,用拔长变形方式3火锻造工艺规程,经外观尺寸检查、机械性能试验和显微组织检查,成品率达95%,5%的废品均为表面尺寸检测不合格(即有个别钢锭扒皮过多,质量不足kg,造成冒口切除少,冒口根部产生锻造开裂)。

锻造后空冷,力学性能试验、金相分析,全部达到ASMTB—90标准(固溶后的标准)。

几项锻打后的性能指标均优于标准。拉伸试验采用ASTM试验方法E8规定的标准样(三组),布氏硬度采用E10规定的标准样(二组),数据如下。

金相分析:×的金相照片中可以看出奥氏体晶粒很均匀、规则,但很难看出碳化物。×～的金相照片可以看出Cr的碳化物和Ti的氮化物。均匀分布的很小的粒点为Cr的碳化物,比较大的亮点为Ti的氧化物。通过金相照片的分析,可以得出锻造后该合金的奥氏体晶粒均匀,溶于奥氏体基体是Cr的碳化物和Ti的氮化物都很细小,并分布均匀,未出现带状或链状分布。该合金已由钢研院做成滚筒实物交付某化工企业使用,运行状况良好,总厂对该合金材料锻造工艺的系统研究及锻造成功,为其国产化提供了第一手资料。