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        Inconel 600中厚板材生產(chǎn)工藝

        2020-06-05 05:13:40供稿楊晗楊哲程偉丁五洲許松
        金屬世界 2020年3期
        關(guān)鍵詞:工藝

        供稿|楊晗,楊哲,程偉,丁五洲,許松 /

        內(nèi)容導(dǎo)讀

        Inconel 600鎳基合金具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能以及優(yōu)良的冷熱加工和焊接性能,在700 ℃以下具有熱強(qiáng)性和高塑性。Inconel 600中厚板材作為一種優(yōu)質(zhì)耐蝕合金廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航天、電子、核電等領(lǐng)域。本文對(duì)大規(guī)格Inconel 600中厚板材的熔煉、鍛造、軋制工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:A2工藝路線(真空感應(yīng)+電渣重熔+鍛造+軋制)生產(chǎn)的合金化學(xué)成分、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、腐蝕速率均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,有效解決了鎳基合金板材表面質(zhì)量差和一次鑄錠成品率低的問題。

        Inconel 600中厚板材廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航天、電子、核電等領(lǐng)域,是一類用量較大的優(yōu)質(zhì)耐蝕合金[1]。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T2054對(duì)N06600化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求與美標(biāo)ASTM B168相似,只是對(duì)雜質(zhì)元素含量的規(guī)定略有不同。本研究結(jié)合美標(biāo)及國標(biāo)的要求,將合金元素控制在更窄的目標(biāo)范圍內(nèi)(表1),尤其是對(duì)H、O、N三種有害氣體元素含量進(jìn)行嚴(yán)格控制,通過采用合理的鍛造、軋制、熱處理工藝,生產(chǎn)出化學(xué)成分、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、腐蝕性能均能滿足要求的Inconel 600鎳基合金中厚板材。

        工藝方案

        本研究制定5種工藝方案,根據(jù)最終檢測(cè)結(jié)果選出適合大規(guī)格Inconel 600鎳基合金中厚板材的生產(chǎn)工藝路線,見表2。

        5種工藝方案中,A1與A2方案相比較,A1采用純金屬加入,A2對(duì)易揮發(fā)元素錳以中間合金形式加入,其余控制參數(shù)如真空度、加熱方式、精煉時(shí)間、冷卻時(shí)間等均一致;B方案與A2方案相比較,將電渣熔煉改變?yōu)檎婵兆院娜蹮挘籆方案三種熔煉方法均進(jìn)行,其中真空感應(yīng)熔煉參數(shù)與A2、B方案一致,電渣重熔工藝參數(shù)與A2方案一致,真空自耗工藝參數(shù)與B方案一致;D方案為普通生產(chǎn)工藝,只進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉。

        加工工藝:鍛造使用4500 t水壓機(jī),加熱溫度為1150 ℃,鍛造板坯橫截面為200 mm×950 mm。熱軋加熱溫度1160~1180 ℃,保溫時(shí)間為5 h,用3300 mm熱軋機(jī)軋制得到厚度規(guī)格30 mm的板材。最終熱處理采用固溶處理(1020 ℃,WC)。對(duì)5種工藝方案生產(chǎn)的板材進(jìn)行性能和金相檢測(cè)分析得出最佳工藝方案。

        表1 高品質(zhì)Inconel 600鎳基合金美標(biāo)及國標(biāo)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 熔煉實(shí)驗(yàn)方案

        結(jié)果與分析

        兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制

        兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制為典型的鎳基合金雙聯(lián)法生產(chǎn)工藝。真空感應(yīng)熔煉可準(zhǔn)確調(diào)配合金化學(xué)成分,具有良好的去氣條件,既可明顯降低H、O、N元素含量,又能除去低熔點(diǎn)易揮發(fā)性雜質(zhì)。電渣熔煉所得金屬純凈度高、鑄態(tài)組織好、脫硫效果好,不易形成點(diǎn)狀及年輪狀偏析[2]。

        兩步熔煉(VIM+ESR)+鍛造+軋制工藝方法分為A1和A2兩種方案,其中A1方案中Mn采用單金屬加入,A2方案采用Ni-Mn中間合金加入,采用相同的配比進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉來獲得成分均勻的一次鑄錠。方案A1與方案A2真空感應(yīng)熔煉后成分如表3和表4所示。

        表3 A1方案真空感應(yīng)熔煉生產(chǎn)的Inconel 600合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表4 A2方案真空感應(yīng)熔煉生產(chǎn)的Inconel 600合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        從表3和表4可以明顯看出,兩種方案生產(chǎn)的Inconel 600板材雖化學(xué)成分均在可控范圍內(nèi),但A2方案(中間合金添加)得到的真空感應(yīng)鑄錠的錳元素?fù)p失量遠(yuǎn)低于單質(zhì)錳加入的A1方案。因此,在相同條件下,真空感應(yīng)熔煉添加錳元素時(shí)以中間合金狀態(tài)加入為宜。

        方案A2經(jīng)過電渣重熔后,得到規(guī)格為φ550 mm×2000 mm,鑄錠單重大于4 t的Inconel 600電渣錠,化學(xué)成分如表5所示。

        表5數(shù)據(jù)表明A2方案生產(chǎn)的電渣錠主成分及雜質(zhì)成分均在控制目標(biāo)范圍之內(nèi),Mn含量與真空感應(yīng)無明顯差異,氣體元素含量也在控制目標(biāo)范圍之內(nèi)。鑄錠表面質(zhì)量好、縮孔淺,鍛造前只需將鑄錠頭部、底部切除即可,無需扒皮,一次鑄錠成品率可達(dá)90%以上。

        因電渣錠無需扒皮,其表面細(xì)晶組織未被破壞,鍛造后因其表面無裂紋,扒皮量少;頭尾表面質(zhì)量好,切頭率??;鍛造成品率可達(dá)98%。

        表5 經(jīng)電渣重熔后Inconel 600電渣錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        軋制成形性好,開坯很少出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況,成品率提高,內(nèi)部質(zhì)量好,經(jīng)過探傷未見內(nèi)部有明顯的非金屬夾雜。

        兩步熔煉(VIM+VAR)+鍛造+軋制

        兩步熔煉(VIM+VAR)+鍛造+軋制為另一種常見的鎳基合金雙聯(lián)法生產(chǎn)工藝,真空感應(yīng)+真空自耗熔煉可準(zhǔn)確調(diào)配合金化學(xué)成分,具有良好的去氣條件,可明顯降低H、O、N元素含量,能除去低熔點(diǎn)易揮發(fā)性雜質(zhì),但不能有效除硫及夾雜物。

        雙真空熔煉生產(chǎn)的鑄錠扒皮量大,成品率不高;大量的扒皮去除了鑄錠表面的細(xì)晶組織,使得柱狀晶暴露;鑄錠鍛造時(shí),如果工藝控制不當(dāng)則容易出現(xiàn)頭部開裂、表面裂紋的情況,因此鍛造溫度需要提高,鍛造工藝、操作方法要求高,需要謹(jǐn)慎操作。

        B方案采用真空感應(yīng)+真空自耗熔煉,所得Inconel 600合金產(chǎn)品成分分析如表6所示。

        表6 經(jīng)雙真空熔煉后所得Inconel 600合金產(chǎn)品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        由表6成分分析可知,鑄錠各主成分元素含量在目標(biāo)控制范圍之內(nèi),Si含量相較電渣重熔較高,由于真空度較高,H、O未像電渣重熔一樣發(fā)生反彈,但所生產(chǎn)鑄錠由于生成皮下氣孔,導(dǎo)致需后續(xù)加工和扒皮處理,而且鑄錠鍛后易產(chǎn)生裂紋。

        由于皮下氣孔的存在,鑄錠表面需進(jìn)行扒皮處理;縮孔較深,鍛造前需將鑄錠頭部、底部大量切除;一次鑄錠成品率低于A2法。

        因真空自耗錠進(jìn)行了扒皮處理,其表面細(xì)晶組織已破壞,鍛造后表面易出現(xiàn)大量裂紋,后續(xù)扒皮量大,頭尾切頭量大。

        軋制板形較好,開坯時(shí)易出現(xiàn)端部、邊部開裂的情況,道次表面修磨量大,相較電渣錠其內(nèi)部存在非金屬夾雜。

        三步熔煉(VIM+ESR+VAR)+鍛造+軋制

        在鎳基合金生產(chǎn)過程中對(duì)于中等合金化可采取雙聯(lián)工藝,如果錠型特大則采用三聯(lián)工藝;真空感應(yīng)熔煉的鎳基合金經(jīng)電渣重熔,可進(jìn)一步脫硫和降低夾雜物含量,改善結(jié)晶組織,提供致密無缺陷的電極。再進(jìn)行真空自耗重熔,可以保證重熔過程中不會(huì)由于真空感應(yīng)爐熔煉電極中的縮孔和裂紋等缺陷造成的不穩(wěn)定性導(dǎo)致融化速率變化而增加宏觀偏析傾向。真空感應(yīng)可獲得化學(xué)成分均勻,雜質(zhì)含量低的合金;電渣重熔可解決真空感應(yīng)中帶來的夾雜物含量高、縮孔深、表面質(zhì)量差、內(nèi)部疏松等缺陷;真空自耗可解決因電渣重熔帶來氣體含量反彈;所生產(chǎn)的合金鑄錠成分均勻、氣體含量、雜質(zhì)含量、非金屬夾雜含量低。但是,C方案采用三聯(lián)法生產(chǎn)工藝,即真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔+真空自耗熔煉,工序冗長,對(duì)普通合金來說生產(chǎn)成本高;自耗后鑄錠需進(jìn)行扒皮,且鍛造后修磨量、切頭量較大,一次成品率相較A2 方案低。經(jīng)過成分分析得到三聯(lián)法生產(chǎn)高品質(zhì)Inconel 600產(chǎn)品的成分如表7所示。

        將方案C與方案A1、A2、B進(jìn)行對(duì)比可得出,三聯(lián)法可有效改善合金的純潔度,并且對(duì)O、H、N等元素具有較好的控制,很好地解決了雙聯(lián)法帶來的H、O、N元素的反彈問題,且能更好的控制C、S、P等元素,最大限度的減少其在合金中的含量。鑄錠經(jīng)過扒皮后,采用與B方法相同的鍛造、軋制工藝進(jìn)行加工,加工時(shí)出現(xiàn)的情況與B方法類似,成品率低于A2方法,但板材表面質(zhì)量、內(nèi)部非金屬夾雜有明顯的改善。

        真空感應(yīng)熔煉+鍛造+軋制

        通過真空感應(yīng)熔煉進(jìn)行脫氧、脫氮、雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)、控制熔體與坩堝作用等物理、化學(xué)反應(yīng),熔煉出化學(xué)成分準(zhǔn)確且純潔度高的鑄錠[3]。D方案能準(zhǔn)確控制高溫合金的化學(xué)成分,工序短、成本低。但是,經(jīng)過金相和非金屬夾雜物檢測(cè),鑄錠中非金屬夾雜不能有效的去除,而且晶粒粗大、不均勻,同時(shí)鑄錠縮孔大,凝固偏析嚴(yán)重。在切除冒口、縮孔后,鑄錠一次成品率低于80%。鍛造后鑄錠表面質(zhì)量差,頭尾切除量大,刨銑量大。軋制時(shí)易起皮,修磨量大,且探傷后有非金屬夾雜大量裹入。

        表7 經(jīng)三聯(lián)法生產(chǎn)Inconel 600產(chǎn)品成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        不同方案生產(chǎn)板材性能對(duì)比

        對(duì)使用A2、B、C、D方案生產(chǎn)的相同規(guī)格板材進(jìn)行固溶處理,取樣進(jìn)行力學(xué)性能、腐蝕性能檢測(cè)。腐蝕性能檢測(cè)采用ASTM G28 方法A:H2SO4-FeSO4。各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見表8。從表中數(shù)據(jù)可見,4種生產(chǎn)工藝所軋制板材性能實(shí)測(cè)值均符合ASTM B168標(biāo)準(zhǔn)要求,A2方案和C方案綜合性能優(yōu)于其他方案。

        不同方案生產(chǎn)的板材金相組織照片見圖1。從圖中可以看出,A2方案和C方案經(jīng)過電渣重熔有效去除了非金屬夾雜物,晶內(nèi)組織純凈均勻,少見夾雜物殘留。B方案雙真空熔煉有限去除了夾雜物,晶內(nèi)組織仍然可見有殘留。D方案真空感應(yīng)熔煉不能有效除去非金屬夾雜物,而且容易裹渣帶入,金相照片顯示晶內(nèi)組織有較多夾雜物。

        表8 不同工藝方案生產(chǎn)的Inconel 600板材性能

        圖1 不同工藝方案生產(chǎn)的Inconel 600板材金相組織:(a) A2方案;(b) B方案;(c) C方案;(d) D方案

        結(jié)束語

        通過對(duì)不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的Inconel 600板材進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),A2方案即真空感應(yīng)加電渣重熔雙聯(lián)工藝相較D方案能有效解決一次成品率低、表面起皮、加工性能差、非金屬夾雜多的問題;相較B方案能解決表面易開裂、非金屬夾雜多、S元素含量高的問題;相較C方案工序短,生產(chǎn)成本低。因而從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等方面進(jìn)行綜合考慮,A2方案為適宜的生產(chǎn)高品質(zhì)、大批量Inconel 600合金板材的工藝方法。

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