热连轧工艺对GH4648镍基合金棒材组织与性能的影响
GH4648合金是一种时效强化型镍基高温合金,合金组织中主要由α-Cr相,y,y'和碳化物组成。该合金Cr的质量分数高达32%~35%,高铬提高了合金的抗氧化性和耐腐蚀性,也加剧了α-Cr相和Cr的碳化物(如M23C6,M7C3等)析出的倾向。GH4648合金在800~900℃时效时析出的w-Cr相,使合金在高温时具有足够的强度。
我国传统上GH4648合金热轧棒材一直采用横列式轧机生产,横列式轧机采用人工喂钢的办法,轧制节奏由于受操作者水平的影响导致合金在轧制过程中工艺参数波动较大,特别是终轧温度难以准确控制。采用横列式轧机生产的棒材经过检测发现,合金的组织和性能波动较大,尤其是α-Cr相的析出状态和形状差异较大。对于GH4648合金而言,α-Cr相组织控制的均匀性直接影响到产品的性能。如果采用连轧轧机轧制高温合金棒材,由于连轧机的自动化程度远高于落后的横列式轧机,生产过程中人为影响因素较少,工艺参数的执行稳定,对于获得最佳组织和性能的热轧棒材十分有利。遗憾的是国内关于高温合金连轧方面的工艺技术尚罕见报道,本文主要结合宝钢特钢事业部引进的高合金钢连轧生产线研究了采用连轧工艺对GH4648合金组织和性能的影响。
1连轧设备和实验用料
图1为高合金钢连轧生产线示意图,其工艺布置采用一架700粗轧机加16架CCR连轧机的半连续轧制方式,轧制规格为φ14~85mm圆钢、20~50mm方钢和(8~20)mmx(28~75)mm扁钢。根据品种和规格的不同,选用不同规格的坯料,经过粗轧机开坯成不同规格的中间坯。中间坯经隧道炉控温,根据产品种类、规格和组织要求选用适当的控温温度和保温时间,然后经CCR连轧机组轧制成品。CCR成品轧制过程中可选择不同的轧制线速度。
本研究所用的GH4648合金采用真空感应＋真空自耗冶炼,锻造开坯至110方后经高合金钢连轧生产线轧制成φ50mm棒材。合金化学成分列于表1。热轧采用同一炉号钢坯、同一加热制度、同一轧制孔型系统,通过改变终轧线速度,探讨其对合金组织和性能的影响规律。终轧线速度分别采用3.0、3.3、3.8、4.0和4.2m/s。棒材经标准热处理(1140℃x1hxAC+900Cx16h+AC)后,分别进行了室温拉伸性能、800℃高温拉伸性能﹑高温持久性能(800℃,176MPa)、晶粒度、冲击性能的测试分析。
2实验结果
2.1合金的终轧温度和终轧速度的关系
GH4648合金坯料经过粗轧开坯,在隧道炉中保温一段时间,中间坯的温度均匀烧透后直接出炉经连轧轧制成品棒材。生产数据统计发现,轧制速度直接影响了合金的轧制温度,而轧制温度受环境温度的影响可以忽略。图2为终轧速度和终轧温度的关系。在连轧的过程中,随着轧制速度的提高,合金棒材的温升也不断升高.当终轧速度由3.0m/s增加至4.2m/s,终轧温度由985℃升高至1130℃。从温升曲线看,随着轧制速度的不断提高,这种温升的幅度加剧。
2.2合金的力学性能和终轧速度的关系
由图3可见不同的终轧速度对合金室温拉伸性能的影响规律并不明显,而对800℃高温拉伸影响比较大。由图4可见,随着轧制速度由3.0m/s升至3.3m/s,800℃高温拉伸性能强度达到峰值,拉伸塑性(δ5、ψ)亦出现峰值。当轧制速度达4.0m/s时,高温拉伸强度有明显的下降趋势,高温拉伸塑性也略有下降。随着终轧速度的进一步增高,这种下降趋势更明显。
合金的持久寿命(800℃,176MPa)随着轧制速度的增加有明显下降趋势,特别是当终轧速度在3.8m/s时,持久寿命大幅度下降。合金的室温冲击性能也随着终轧速度的增高而下降(见图5)。
2.3合金的组织和终轧速度的关系
上述轧制参数的改变造成的性能的变化,应该取决于轧制参数对合金组织的影响。为此,首先对不同轧制参量下的组织进行了定量分析。由图6可以看出,由于连轧速度提高导致棒材的温升使合金棒材晶粒度差异较大,终轧速度控制在3.0~3.8m/s,可以获得5~6级的晶粒度,而当终轧速度进一步升高达到4.2m/s时,晶粒尺寸逐步变粗,达到了2级晶粒。
通过对合金的金相组织观察轧制速度在3.0~3.3m/s,合金的主要析出相是弥散分布短棒状以及颗粒状的α-Cr相(图7a,图7b)。随着轧制速度的不断增加,α-Cr相逐步以针状析出。当终轧速度为4.0m/s,α-Cr相完全以针状析出,并且呈带状不均匀分布(图7c,图7d)。
3讨论与分析
前期的研究表明，GH4648合金的Cr和C含量对合金的组织和性能影响比较大,主要通过对Cr和C两种元素的含量控制。来获得不同α-Cr相的析出量,从而影响合金的组织和性能。本研究选用了同一冶炼炉号、合金的成品锭采用氦气冷却的真空自耗炉冶炼,合金的结晶状态和成品偏析得到改善,合金的成分比较均匀,这样就避免了成分差异对合金性能的影响。另一方面,镍基高温合金的热加工温度对强化相y'影响较小，而y'相主要取决于合金的Al、Ti含量以及热处理制度。本研究由于采用同一炉号(成品棒材成分应一致)同一热处理制度进行处理(y'相的析出量基本相同),因此,y'相对实验材料组织和性能的影响可以忽略。再者,由于研究工作通过连轧设备的自动化控制,各项工艺参数得到准确地执行,使得本研究在轧制过程中所控制的单一变量即为轧制速度,由此,确保合金组织和性能数据变化与轧制速度相关联的唯一性和准确性。
如在前言中所述,α-Cr相的析出形貌和分布状态对GH4648合金的性能有较大影响，而一般认为合金的持久寿命将随着晶粒尺寸的增加而提高。综合图5、图6的研究结果,可以发现GH4648合金随着晶粒度的增大,合金的持久寿命反而有所下降,且这种下降的趋势比较明显。金相组织表明,随着终轧速度的不同,合金α-Cr相形态的变化比较明显。由此,不难推断出影响GH4648合金持久寿命的主要因素是α-Cr相。当合金经过标准热处理后能够获得弥散分部的短棒状和颗粒状的α-Cr相就能够获得良好的力学性能,而当合金α-Cr相以连续带状和针状集中析出,对合金的室温冲击性能、高温拉伸和高温持久性能不利。由图7可以看出,GH4648合金热轧棒生产过程中,轧制工艺对α-Cr相析出形态影响较大,当终轧温度在980~1020℃温度区间进行轧制时,合金棒材经标准热处理后主要以弥散分布的短棒状和颗粒状的α-Cr相析出,这种状态的α-Cr相对合金的性能十分有利。当终轧温度大于1040℃时,合金棒材经标准热处理后由弥散分布的短棒状和颗粒状的α-Cr相逐步向集中带状、针状的析出形态转变,不利于合金的性能。本研究采用的高合金钢连轧生产线,生产过程自动化控制,避免了横列式轧机人为因素的影响。坯料在连续炉高温加热经过粗轧开坯后进隧道炉,中间坯在隧道炉补偿加热使坯料的温度均匀,达到工艺要求温度,确保了每支坯料进入连轧入口温度一致,从而稳定合金的组织和性能。由于热连轧的特点,机架增加,轧制速度逐架提高。随着轧制速度的增加,坯料变形受到的轧制力不断增加。由于轧制速度快,坯料的温度不断升高,因此可以通过设定轧制速度来保证终轧温度成为控制GH4648合金组织与性能的关键。根据轧制过程数据统计、分析,在GH4648合金热轧棒材生产过程中,终轧速度变化对合金温度的改变幅度是稳定的,受外界环境温度影响很小。当GH4648合金终轧速度控制在3.3~3.8m/s能够保证合金棒材的终轧温度控制在980~1020℃温度区间,在此温度区间轧制的合金棒材能够获得良好的组织和性能。
4结论
(1)采用连轧生产GH4648合金热轧棒材时，棒材的终轧温度可以改变合金α-Cr相的析出形
貌,随着终轧温度的升高,α-Cr相以短棒状和颗粒状弥散分布的形态向针状、带状集中分布转变,从而降低合金的高温拉伸(800℃)、高温持久(800℃,176MPa)和室温冲击性能。
(2)GH4648合金热轧棒终轧温度控制在980~1020℃,经标准热处理后合金α-Cr相主要以以短棒状和颗粒状弥散析出,合金棒材有良好的综合力学性能。
(3)采用连轧技术生产GH4648合金棒材,能够实现合金的控制轧制,减少了传统横列式轧机的人为影响因素,从而稳定合金的组织和性能。
