HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其技巧

文／湯首峰·朝陽天翼國基新材料有限公司

HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其技巧

文／湯首峰·朝陽天翼國基新材料有限公司

湯首峰，哈爾濱工業大學金屬材料系鍛壓工藝及設備專業畢業。從事鍛壓工作近20年。主要研究內容為：大曲面成形工藝和模具設計；曲軸和連桿等發動機零部件鍛造成形工藝；耐蝕合金、電熱合金、哈氏合金、高溫合金等鎳基合金冶煉和冷熱成形等方面工作。

本文以HastelloyC-276鎳基合金為例, 探討了鎳基合金的鍛造工藝難點及其主要影響因素，提出了解決方案，并通過試驗驗證，有效地解決了鎳基合金鍛坯鍛造時表面開裂和邊角開裂的技術難題。

純鎳具有高的塑韌性和耐蝕性，強度較低，因此，在工業領域一般采用鎳基合金，以滿足實際使用環境對高強度、高硬度、耐腐蝕及良好熱強性等綜合性能的要求。鎳基合金在獲得高強度的同時，在制造加工工藝方面則帶來了一些困難，如變形抗力大、鍛造溫度區間窄、鍛造開裂敏感性大等，亦即鎳基合金的熱加工工藝性能往往較差，使得鎳基合金材料及其制件的鍛造成形較為困難。HastelloyC-276是難變形鎳基合金的典型代表，其錠坯在鍛造時邊角裂紋和表面開裂傾向尤為突出，影響了該合金的應用。本文提出了一種工業化生產條件下HastelloyC-276鎳基合金最佳鍛造工藝方案，并對工藝方案進行了試驗驗證。

合金成分高純化控制

HastelloyC（0Cr16Ni60Mo16W4）合金在焊接和熱成形時具有顯著的晶間腐蝕敏感性和脆性，為了降低晶間腐蝕敏感性和脆性，可以采用提高合金純度的途徑，如將碳含量控制在≤0.02%，硅含量控制在≤0.08%。降低碳含量可以減少碳化物（M6C、M2C、M23C6）的析出數量，降低硅含量可以抑制金屬間化合物相（α、μ、P等）的沉淀析出，從而改善合金的耐晶間腐蝕性能。與此同時，提高合金純度，在一定程度上可以改善合金的韌性、塑性和鍛造成形性能。為此推出了低碳低硅的高純HastelloyC-276（00Cr16Ni60Mo16W4）合金，并采用爐外AOD、VOD精煉工藝（AOD精煉法是氬氧脫碳法的簡稱，VOD精煉法是真空吹氧脫碳法的簡稱）成功冶煉高純HastelloyC-276合金。HastelloyC和HastelloyC-276的化學成分見表1。HastelloyC-276可制成板材、棒材、帶材、絲材、焊管和鑄件。由于其高溫變形抗力大，一般無法生產無縫管材。

HastelloyC-276合金在各種氯化物以及含各種氧化性鹽的硫酸、亞硫酸、磷酸，各種有機酸、高溫氟化氫等介質中具有良好的耐腐蝕性能，因此可制作耐這些腐蝕介質的各種容器、管道、閥門、塔、槽等。合金成分高純化控制后，降低了鍛造變形的難度，為實現大規模工業化生產提供了有力保障。

表1 HastelloyC和HastelloyC-276合金的化學成分 （單位：%）

HastelloyC-276合金鍛造工藝特點

HastelloyC-276合金具有如下主要特性：

⑴塑性低。

HastelloyC-276合金由于合金化程度高，組織多相且相成分復雜，因此鍛造工藝塑性低。由于鍛造工藝塑性對于變形速度和應力狀態較為敏感，HastelloyC-276合金鑄錠和中間坯料應采用低應變速率進行變形，盡可能采用包套鐓粗或包套軋制，甚至采用包套擠壓成形。

⑵變形抗力大。

HastelloyC-276合金成分復雜，再結晶溫度高，再結晶速度慢，在鍛造溫度（1000～1200℃）下具有較高的變形抗力和硬化傾向，其變形抗力是普通結構鋼的4～7倍。

⑶鍛造溫度范圍窄。

與鋼相比，HastelloyC-276合金熔點低，尤其初熔溫度低（雜質元素C、O、N、S、P含量在200ppm以內，否則更低）。加熱溫度過高容易產生過熱和過燒；終鍛溫度過低，則工藝塑性低、變形抗力大，鍛件內部容易出現混晶與粗晶組織。為獲得理想的鍛件或鍛坯組織與性能，HastelloyC-276合金的鍛造溫度區間通常應控制在100～150℃范圍內。

⑷導熱性差。

HastelloyC-276合金主要由面心立方結構（FCC）的γ相組成，1000℃以下時，其熱導率為29.3W/ (m·K），較碳鋼小很多，因此，一般在700～800℃以下需要緩慢預熱，加熱過快會使鍛坯內溫度梯度過大，導致熱應力過大，使得坯料內部容易產生裂紋。

HastelloyC-276合金鍛造工藝性能的影響因素

制定HastelloyC-276合金鍛造工藝需要考慮的因素很多，在現場操作時的參數控制決定著鍛造過程的成敗。筆者在多年的工作中，結合理論分析與試驗驗證，梳理了影響HastelloyC-276合金鍛造工藝性能的幾個主要因素：

⑴工藝塑性。

HastelloyC-276合金由于合金化程度高，提高熱強性的同時損失了鍛造工藝塑性。另外，高合金化也使得鑄錠容易產生偏析，生成粗大的柱狀晶。在初生枝晶晶界薄弱環節處，容易沿晶界處產生裂紋。同時由于存在枝晶偏析導致合金的可鍛性降低，所以在制定鍛造工藝前測定合金的工藝塑性非常必要。

⑵鍛造溫度。

確定鍛造溫度時，除了保證良好的工藝塑性以滿足成形要求外，還必須獲得良好的組織和性能。鍛造溫度原則上必須低于初熔溫度，終鍛溫度應接近或略高于第二相質點溶入固溶體的溫度和再結晶溫度。

坯料加熱分預熱和加熱兩個階段進行。加熱設備最好采用電阻爐，其優點是升溫快，爐溫易于控制，勞動條件好，便于實現機械化和自動化；缺點是對毛坯尺寸形狀變化的適應性不夠強，運行費用高，設備結構相對復雜，投資費用較大。值得注意的是，如果用火焰加熱，燃料中硫含量過高，當其滲入毛坯表面后，會形成Ni-Ni3S2低熔點的共晶體，熔點僅為650℃左右，會使合金產生熱脆性并降低塑性。

在對鍛坯進行多火次鍛造時，鍛造加熱溫度應隨兩火之間的間隔時間延長而降低，從而避免已發生靜態再結晶的晶粒持續長大，同時，中間火次的加熱溫度也應隨著愈接近鍛件成品、變形量愈小而愈低，避免小變形量與高加熱溫度同時出現。

⑶變形量。

在確定了變形溫度后，控制變形量就非常重要了。在給定的鍛造溫度下，每一加熱火次的變形量應大于臨界變形量并小于晶粒異常長大相應的變形量。在滿足工藝塑性和工序安排要求的前提下，每一次變形應深透和均勻，盡量避免不均勻變形，否則易產生混晶與粗晶組織。避免產生粗晶組織的主要途徑是控制變形條件，包括合適的變形溫度、較大的變形量和良好的潤滑條件等。另外，通過后續的鍛后熱處理，也可以抑制粗晶組織的產生。

此合金的鍛造工藝特性給傳統鍛造工藝帶來了難題，采用包套鍛造工藝會較好地解決鍛造變形難題，有效避免出現鍛造裂紋缺陷。

HastelloyC-276合金包套鍛造工藝及其效果

HastelloyC-276合金的鍛造工藝對組織和性能影響很大。由于HastelloyC-276合金在低溫時的熱導率較小，如果裝爐溫度過高或升溫速度過快，會因坯料內熱應力過大引起開裂。鍛造時既要控制變形均勻，又要控制變形量大于形成粗晶組織的臨界變形量。所有這些問題，在制定鍛造工藝及操作規程時都應加以關注。

在實際鍛造過程中，鍛坯表面和邊角處熱量散失較快，導致工藝塑性急劇下降，因此在鍛造時鍛坯表面和邊角處往往容易產生開裂，裂紋較深時甚至直接導致產品報廢，無包套鍛造產品實物見圖1。

圖1 無包套鍛造得到的鍛坯

為了減少HastelloyC-276合金鍛造過程鍛坯表面的開裂，用塑性較好的金屬材料包覆鍛坯，可以避免表面熱量散失過快，同時外側的包套材料參與變形，可以有效緩解鍛坯在受力變形時的局部應力不均勻，有效改善鍛坯的成形?？紤]到HastelloyC-276合金無包套鍛造時工藝塑性差，報廢率高的情況，在改進HastelloyC-276合金鍛造工藝時采用了包套鍛造方案。結合現場工作經驗，提出了HastelloyC-276合金及其半成品制造相應的鍛造規范，并在實際生產中獲得了驗證。采用包套鍛造效果十分明顯，包套鍛造的產品鍛坯見圖2。

開始鍛造前對工裝、模具、錘頭以及砧座進行預熱，可有效減少邊角裂紋的出現，同時能明顯提高工裝與模具的使用壽命。用溫度達到350～450℃的鐵塊預熱30min以上，可有效減少邊角裂紋的出現。HastelloyC-276合金鍛坯加熱時應采用低溫裝爐和較慢的升溫速度，保溫時間適當延長，以避免由于熱應力過大導致鍛坯加熱時開裂。鍛造拔長時最好采用型砧(半圓或V 型） ，有利于減少鍛坯變形的不均勻性。拔長時不宜采用方坯翻轉90°錘擊的方法，這樣的變形方式過于劇烈，容易引起端部十字裂紋，采用“圓→四方→八方→圓”的拔長方案更為合理，采用圓棒螺旋進給也是避免鍛造缺陷的有效手段。開坯鍛造時將鍛坯勤翻面和勤倒角，可有效減緩邊角開裂和表面開裂現象，嚴格控制在再結晶溫度以上的變形，同時控制好錘擊的頻率，使鍛坯有充裕的時間完成動態再結晶。鍛造過程中合理分配每火次與每次錘擊時的變形量，始鍛階段要輕擊，待輕微變形后再重擊以實現大變形量鍛造，同時要嚴格控制最后一火的變形量。試驗證明，由鑄錠到鍛坯經過三火次變形能達到理想的變形效果。

本文重點研究了HastelloyC-276合金包套鍛造的過程和效果，為此，列舉了兩組（錠型不同）包套工藝方案進行對比分析：

第一組工藝試驗共使用了4個鑄錠，錠型φ270 /φ240mm×1400mm，變形溫度為1000～ 1200℃。

圖2 采用包套鍛造得到的鍛坯

①包套用材為4mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ120mm×3000mm；

②包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ120mm×3000mm；

③包套用材為4mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯70mm×270mm×2000mm；

④包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯70mm×270mm×2000mm。

第二組工藝試驗共使用了4個鑄錠，錠型為φ505 /φ475mm×1400mm，變形溫度為1000～1200℃。

①包套用材為2mm厚的不銹鋼鋼板，鍛造坯料為圓棒φ210mm×3000mm；

②包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為圓棒φ210mm×3000mm；

③包套用材為2mm厚的不銹鋼鋼板，鍛造坯料為板坯80mm×850mm×2000mm；

④包套用材為6mm厚的低碳鋼板，鍛造坯料為板坯80mm×850mm×2000mm。

為了比較幾種包套工藝對鍛件表面質量的影響，均采用HastelloyC-276同一生產批次的電渣錠，并采用相同的鍛造工藝和熱處理工藝。兩組采用了包套鍛造工藝的8個合金錠的鍛造質量明顯優于不采用包套直接鍛造的，表面邊裂和角裂問題得到了有效解決。在高溫鍛造時，不銹鋼板能有效保持良好的外觀完整性及包裹能力，不銹鋼包套效果令人滿意。經不同厚度包套鍛造結果對比，厚包套效果明顯優于薄包套，4mm厚的低碳鋼板經兩火次鍛造后基本就沒有包裹能力了，尤其是開坯階段，反復鐓拔鍛造時較薄的包套過早失效，在后續的鍛造過程中無法提供有效保護。綜上所述，2mm厚的不銹鋼鋼板和6mm厚的低碳鋼板做包套能夠完全滿足實際生產需要。

采用包套鍛造很好地解決了鍛造變形難題，有效避免了鍛造裂紋缺陷，節約了打磨處理的人工成本；有效保障工期，同時提高材料的成材率。節約的成本減去包套的費用，每噸產生的經濟效益在一千元以上，此包套鍛造工藝可以推廣到可鍛溫度比較窄和難變形的多種金屬及合金。

結論

綜上所述，可得出以下結論：

⑴開始鍛造前對工裝、模具、錘頭以及砧座進行預熱，可有效減少邊角裂紋的出現，同時能明顯提高工裝與模具的使用壽命。

⑵HastelloyC-276合金鍛坯加熱時應采用低溫裝爐和較慢的升溫速度，保溫時間適當延長，以避免由于熱應力過大導致鍛坯加熱時開裂。

⑶合理分配每火次與每次錘擊時變形量，始鍛階段要輕擊，待輕微變形后再重擊以實現大變形量鍛造，同時要嚴格控制最后一火的變形量。

⑷鍛坯拔長變形時采用型砧（半圓或V型）是合理的。

⑸開坯鍛造時將鍛坯勤翻面和勤倒角，可有效減緩邊角開裂和表面開裂現象，嚴格控制在再結晶溫度以上變形，同時控制好錘擊的頻率，使鍛坯有充裕的時間完成動態再結晶。

⑹HastelloyC-276合金采用包套鍛造可獲得良好的保溫、潤滑效果，結合上述工藝及技巧等措施，可以減少鍛坯開裂傾向。