■ 莫光有

一、概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入Mo、Ti、Al、V及微量B綜合強(qiáng)化，具有高Ti、低Al型的特點(diǎn)。在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能。適合制造在650℃以下長期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件，如渦輪盤、壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等。該合金可以生產(chǎn)各種形狀的產(chǎn)品，如：盤件、鍛件、板、棒、絲和環(huán)形件等，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)上的零部件，如渦輪葉片、加力燃燒室、緊固件等，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上也有廣泛應(yīng)用。

高溫合金可以采用多種方法熔煉，既可以采用電弧爐（EFM）、感應(yīng)爐（IM）或真空感應(yīng)爐（VIM）進(jìn)行一次熔煉，也可以用電渣爐（ESR）或真空自耗爐（VAR）進(jìn)行二次熔煉，有的甚至采用三次熔煉，以發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。選用什么樣的工藝路線，主要根據(jù)高溫合金的成分特點(diǎn)及用途來決定。

根據(jù)我公司模具鋼生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)，采用中頻感應(yīng)熔煉+電渣二次重熔來生產(chǎn)GH2132高溫合金的工藝路線。在采用該工藝路線熔煉高溫合金的過程中，容易產(chǎn)生以下缺陷：增碳、合金液成分難于精確控制、Ti元素?zé)龘p大等。本文主要探討在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用中頻感應(yīng)熔煉工藝+電渣二次重熔工藝，生產(chǎn)出符合要求的GH2132高溫合金錠。

二、中頻感應(yīng)電爐熔煉GH2132高溫合金

1. 中頻感應(yīng)熔煉過程重點(diǎn)內(nèi)容

鈦元素非?；顫?，熔煉中容易被氧化而燒損，根據(jù)相關(guān)資料介紹，鈦鐵的收得率一般在40%～70%，由此可以看出鈦元素收得率的高低將直接影響到合金錠的生產(chǎn)成本，也直接影響含鈦元素的高溫合金成分的控制。

為實(shí)現(xiàn)提高鈦鐵在高溫合金GH2132中頻感應(yīng)熔煉過程中的收得率，我們將從GH2132自身成分特點(diǎn)出發(fā)，采用回爐料的不氧化法中頻感應(yīng)熔煉。在熔煉過程中，從渣系選擇，到制訂合理的脫氧制度、鈦鐵燒損保護(hù)措施，以及熔煉過程的脫氧扒渣操作細(xì)節(jié)，最后考慮鈦鐵合金的加入方式等。

2. 準(zhǔn)備工作

（1）原材料要求 回爐料要求干凈、無油污，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮婵?。需補(bǔ)加的合金如鎳板等經(jīng)過特定烘烤，盡量減少通過合金補(bǔ)加而帶入的其他雜質(zhì)。

（2）石灰要求 要求使用冶金級(jí)別專用石灰，粒度適中，并經(jīng)過650℃高溫烘烤約5h。

（3）螢石要求 采用電渣重熔用螢石，破碎，粒度適中，并同石灰一道經(jīng)過高溫烘烤。

（4）洗爐 熔煉一爐低碳鋼洗爐。

（5）鋼模 清理鋼模內(nèi)壁，保持干燥清潔。

3. 試驗(yàn)操作要點(diǎn)及影響因素

（1）操作要點(diǎn) ①底渣。底渣是指熔煉下料前，事先在中頻感應(yīng)電爐底下放置的渣料。底渣的作用：能覆蓋合金液，防止熱量損失，保持合金液溫度；防止合金液吸收氣體，聚集吸收廢料表面帶入的雜質(zhì)；減少元素的揮發(fā)，有利于脫除合金中的P、S等雜質(zhì)元素，改善合金液質(zhì)量。②底渣的組成。底渣渣量為爐料的2%左右，由石灰和螢石組成，其中石灰占底渣的80%左右，螢石占底渣的20%左右。③造渣次數(shù)及操作要點(diǎn)。針對(duì)GH2132合金的特點(diǎn)，我們嚴(yán)格執(zhí)行3次造渣、扒渣制度，渣料依然采用螢石＋石灰，前兩次采用大渣量（約占爐料總量的2%），后一次采用薄渣（以覆蓋合金液為原則），在每次換渣時(shí)，都將前一批渣全部扒凈。

（2）脫氧制度的確定 常用的擴(kuò)散脫氧劑有碳粉、硅鐵粉、硅鈣粉、鋁粉、鋁石灰等。鋁粉、鋁石灰脫氧能力最強(qiáng)（彼此等效），硅鈣粉次之，硅鐵粉最差。中頻感應(yīng)電爐熔煉時(shí)，各種脫氧劑選取原則如下：碳粉、碳化鈣主要用于高碳鋼種；硅鐵粉、硅鈣粉、硅鈦粉用于wSi≥0.6%的鋼與合金；鋁粉、鋁石灰用于低碳、低硅的鋼種與高溫合金。

日常生產(chǎn)過程中，我們采用鋁塊（約2kg/塊）加硅鐵粉的脫氧方式，而熔煉GH2132時(shí)，考慮到其本身wC在0.08%以下，故我們采用綜合脫氧制度：沉淀脫氧（鋁塊1kg/t）+鋁粉擴(kuò)散脫氧。

（3）Ti元素?zé)龘p保護(hù) 根據(jù)之前熔煉的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，Ti在熔煉過程中非常容易燒損，成為導(dǎo)致Ti收得率降低的一個(gè)直接原因。常見各元素脫氧能力由強(qiáng)到弱的排列次序?yàn)椋篊a、Mg、Al、Ti、Si、C、P、V、Mn、Cr，從排序可以判斷，Al與氧的結(jié)合能力比Ti與氧的結(jié)合能力更強(qiáng)。GH2132高溫合金中wAl≤0.40%，在之前電渣重熔熔煉的經(jīng)驗(yàn)分析中，Al燒損將會(huì)過半，為此我們考慮通過配料時(shí)，在理論上將wAl提高至0.5%～0.7%，這樣在中頻感應(yīng)熔煉過程中既保護(hù)Ti少燒損，又對(duì)Ti在電渣重熔時(shí)起到了保護(hù)作用。

（4）鈦鐵的收得率 為了提高鈦鐵的收得率，改變?cè)跔t中取樣后補(bǔ)加鈦鐵，然后再取樣檢測(cè)的方式，避免加入鈦鐵后再取樣檢測(cè)這一過程時(shí)間過長導(dǎo)致爐中Ti元素繼續(xù)燒損，最終使Ti元素含量降低甚至不符合成分要求。在鈦鐵加入前，需滿足3個(gè)條件：①造好流動(dòng)性良好的白渣，且白渣要穩(wěn)定。②合金液溫度要足夠高，因?yàn)殁佽F加入后，合金液發(fā)黏，夾雜物難以上浮。③鈦鐵的塊度以50～150mm為宜，過大或過?。ǚ勰睿┚鶎?duì)收得率有影響。

（5）鈦鐵加入方式 待爐中樣的成分檢測(cè)在預(yù)期范圍后，出爐前10min左右，適當(dāng)調(diào)高合金液溫度，加鋁塊進(jìn)行終脫氧，然后將鈦鐵倒入熔池中，同時(shí)用耙子將渣面上鈦鐵壓入合金液中，減少氧化燒損。此時(shí)還需不斷攪拌，待熔完后，升高合金液溫度，符合出合金溫度后出合金。

4. 熔煉數(shù)據(jù)對(duì)比

（1）中頻感應(yīng)熔煉工藝優(yōu)化前 GH2132化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)及鈦鐵化學(xué)成分如表1所示。加入回爐料1610kg，爐中取樣后補(bǔ)加10kg鎳板、26kg鈦鐵，檢測(cè)化學(xué)成分如表2所示。

鈦元素綜合收得率計(jì)算：原始材料中純鈦量1610×2.03%=32.7（kg），補(bǔ)加鈦鐵中純鈦量26×29%=7.5（kg），成品中純鈦量（1610+10+26）×0.97×1.88%=30（kg），綜合收得率為30/（32.7+7.5）=74.6（%）。

中頻感應(yīng)熔煉后Al元素含量變化：熔煉前，原材料中純Al含量1610×0.37%+26×7.8%=7.98（kg），熔煉后成品中純Al含量（1610+10+26）×0.31%=5.1（kg），通過分析計(jì)算Al燒損為（7.98–5.1）×100/7.98=36（%）。

（2）中頻感應(yīng)熔煉工藝優(yōu)化后 針對(duì)前次GH2132中頻感應(yīng)熔煉進(jìn)行分析及總結(jié)，改進(jìn)熔煉方式，主要體現(xiàn)在：一是提高GH2132中wAl至0.5%～0.7%，以保護(hù)Ti元素少燒損；二是經(jīng)過中頻感應(yīng)熔煉取樣后，除Ti元素外，其他元素成分均在預(yù)定范圍時(shí)，因此出鋼前8min內(nèi)加入鈦鐵，以減少鈦元素?zé)龘p。

配料：wTi為2.2%的GH2312回爐料738kg、wTi為2.62%的GH2312回爐料386kg、純鐵372kg、純鉻118kg、鎳板212kg、鈦鐵60kg、鉬片7.5kg、釩鐵2kg。總爐料1900 kg。

GH2132回爐料、爐中樣及成品樣化學(xué)成分如表3所示。

鈦元素綜合收得率計(jì)算：原始材料中純鈦量738×2.2%+386×2.62%+60×29.59%=44.1（kg），成品中純鈦量1900×2.25%=42.7（kg），經(jīng)中頻感應(yīng)熔煉后鈦鐵綜合收得率42.7×100/44.1=96.8（%）。

中頻感應(yīng)熔煉后Al元素含量變化：熔煉前，原材料中純Al含量738×0.53%+ 386×1.0%+60×7.8%=12.45（kg），熔煉后成品中純Al含量1900×0.5%=9.5（kg），通過前后比較可以發(fā)現(xiàn)，Al燒損約為（12.45-9.5）×100/12.45=23.7（%）。

三、GH2132高溫合金的電渣重熔

1. 對(duì)GH2132高溫合金中頻電極初次電渣重熔

考慮到GH2132中含有熔煉過程中極易氧化的元素Al、Ti，初步制訂熔煉制度。

（1）用φ320mm規(guī)格結(jié)晶器熔煉。

（2）總渣量30kg，螢石∶氧化鋁粉∶鈦白粉=67∶28.7∶4.3，螢石20.09kg，氧化鋁粉8.61kg，鈦白粉1.3kg，Al粉200g。

表1 GH2132及鈦鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 回爐料和取樣檢測(cè)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 GH2132回爐料、爐中樣及成品樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）渣料經(jīng)高溫烘烤。

（4）電流、電壓制度采用55V電壓熔煉，電流4.5～5.5kA，其余操作方式保持現(xiàn)有不變。

經(jīng)試生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)存在較多問題：熔煉過程電流不穩(wěn)定；電渣錠表面螺紋較嚴(yán)重；渣厚120mm；退火效果不佳，退火后太硬；取電渣錠頭尾樣檢測(cè)（見表4），發(fā)現(xiàn)Ti元素?zé)龘p嚴(yán)重，電渣錠頭部達(dá)50%以上。

2. 改進(jìn)工藝后GH2132中頻電極電渣重熔

（1）渣料提純 目的是使渣料中氧化物如SiO2、MnO、FeO等的總量小于1%，其中SiO2≤0.2%。

Fe-Al電極中頻感應(yīng)熔煉：切頭400kg，鋁錠35kg，在造好還原渣情況下加入，最終使Fe-Al電極中wAl在8%左右。

渣料電渣提純：采用Fe-Al電極通過電渣提純?cè)?，螢石∶氧化鋁∶石灰=70%∶28%∶2%，總渣量80kg，螢石56kg，氧化鋁22.4kg，石灰1.6kg，分批化渣后加入φ320mm結(jié)晶器，采用55V電壓、3～4kA電流提純。

（2）GH2132電渣重熔 ①渣料。 由于此次采用φ420mm結(jié)晶器熔煉，渣料稱取35kg，其中提純?cè)?2.3kg、鈦白粉1.7kg，提純?cè)扑楹罅６冗m宜，并經(jīng)650℃×3h烘烤。160g工業(yè)鋁粉在熔煉過程分4次加入。②電流、電壓制度。正常熔煉電流控制在5.5～6.5kA，電壓采用55V檔，其余方式保持不變。

（3）質(zhì)量檢測(cè) 熔煉結(jié)束，觀察到電渣錠表面螺紋明顯減少。退火后取電渣錠頭尾樣分析（見表5），可以看出采用提純?cè)蹮扜H2132，可將Ti元素的燒損控制在10%以內(nèi)。

表4 中頻電極成品樣及電渣錠頭尾樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 中頻電極成品樣及電渣錠頭尾樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

四、結(jié)語

GH2132高溫合金通過多次的中頻感應(yīng)熔煉及電渣二次重熔，可以得出以下結(jié)論：

（1）含Ti的高溫合金若采用中頻感應(yīng)熔煉，只適合采用不氧化法進(jìn)行，且隨熔煉時(shí)間延長，Ti元素?zé)龘p更嚴(yán)重。

（2）Al是比Ti更容易與氧結(jié)合的元素，在中頻感應(yīng)熔煉含Ti的高溫合金時(shí)，當(dāng)Al含量達(dá)到一定程度時(shí)， 將對(duì)Ti的燒損起保護(hù)作用，為提高Ti元素的綜合收得率，有必要將鋼中wAl控制在0.5%～0.7%。

（3）在電渣重熔過程中，為控制Ti元素?zé)龘p，所采用的渣料需經(jīng)過提純，目的在于降低渣中氧化物總量，避免Ti元素在電渣重熔過程中被嚴(yán)重氧化。

（4）中頻感應(yīng)熔煉+電渣二次重熔工藝路線的不足：合金液中夾雜物總量無法進(jìn)一步降低；在熔煉過程中容易吸氣，使合金錠中氣體含量無法控制在較低水平；在中頻感應(yīng)熔煉+電渣重熔過程中，若操作不當(dāng)，容易導(dǎo)致Ti、Al元素的燒損較大；存在因熔化速度變化而產(chǎn)生的點(diǎn)狀偏析和枝晶偏析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭建亭. 高溫合金材料學(xué)（中冊(cè)）制備工藝[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.