CN1546246A - Gh4049合金的恒温韧性轧制方法 - Google Patents
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Abstract
GH4049合金的恒温韧性轧制方法，用于难变形高温合金的热加工，其特征是：第一步，轧制开坯时，(1)首先将尺寸匹配的无缝不锈钢管包套在铸锭上，减缓轧件的温降速度；按常规工艺加热；(2)在轧机上一火多道次直接轧制开坯成85mm方坯；(3)方坯冷却后去套、切头尾、表面修磨；(4)85mm方坯一火多道次直接轧制成45mm方坯；第二步，轧制成材时，(1)45mm方坯头尾焊接纯铁头子；(2)表面清理、加热后的45mm方坯，一火多道次直接轧制至φ30的成品棒材。本发明具有热加工工艺合理、生产组织方便、装备通用性强的特点，有效解决了GH4049合金热轧棒材大批量生产的技术难题，生产的成品表面裂纹少、合金质量高(一次合格率为100％。)，提高生产效益6倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业高温合金的热加工生产方法，尤其是指难变形GH4049合金的热加工成型方法。
背景技术
高温合金是现代航空发动机、火箭发动机所必需的重要金属材料。它能在高温(一般指600～900℃)、氧化气氛中和燃气腐蚀条件下承受较大应力下长期使用。高温合金的合金化程度都比较高，因此热加工开坯、成型也比较困难。目前，高温合金的热加工成型方法，一般有二种：锻压机锻造、热轧机轧制。
大家知道：合金元素及其含量可以初步确定高温合金的变形抗力和锻造加工塑性。一般而言，合金化程度相对较低的高温合金变形抗力也低，有良好的加工塑性比较容易变形；而合金化程度相对较高的高温合金，变形抗力大，热加工塑性就差，不易锻造开坯，不易锻造开坯的高温合金，一般定义为难变形高温合金。
GH4049合金是高温合金的一个品种名称代号，主要用于制造航空发动机的涡轮叶片。近年来随着航空事业的发展和涡轮叶片材料的更新，市场对GH4049合金热轧棒材的需求量越来越大(目前每年大约需要40～45吨)。涡轮叶片是涡轮发动机最关键的结构件，不但受力大且复杂(有离心力、冲压力等)，使用温度高(一般为700～900℃)，工作条件恶劣，因此对叶片材料要求很高：具有足够的热强性、良好的综合性能、尽可能高的高温抗氧化能力、良好的热加工性能。GH4049合金热轧棒材是与叶片性能要求最吻合的材料，是目前涡轮工作叶片使用温度最高的材料，它是制造涡轮工作叶片的重要材料之一，也是许多用于制造叶片的合金材料中最难进行热加工生产的难变形高温合金材料。
GH4049高温合金是一种复杂合金化的Ni-Cr-Co基高温合金，它的合金化程度较高，合金中有3.7～4.4％的Al、1.4～1.9％的Ti，两者含量之和大于6.0％(Al、Ti容易与合金中的Ni形成γ`强化相，一般来说，高温合金中的Al、Ti含量之和≤4％，Al、Ti含量越高强度越高，变形抗力越大。)，而且含有较高的W、Mo、Co(强化晶界，起固溶强化作用)等合金元素(见表2)，合金的抗力很高。它以γ`相强化基体，并以C、B、Ce强化晶界，因此，GH4049高温合金变形抗力很大、热加工塑性很差、可热加工温度范围窄(仅有80～90℃)，是公认的一种难变形高温合金，热加工开坯、成型困难，不能进行锻造开坯，故参与研制、试制的国内生产制造商(如抚顺钢厂)均采用小铸锭1直接进行轧制成材的热加工开坯、成型的工艺。
铸锭直接轧制成材工艺，就是将电渣炉重熔小铸锭(小铸锭重量约150～200kg，铸锭重量太大，合金成分偏析严重，铸锭重量太小，影响生产。)在轧机上直接进行热加工成材，其规格一般为φ28～φ34mm)。其缺点是：由于GH4049高温合金的热加工轧制的时间非常短(一方面，GH4049合金可热加工温度范围非常窄，铸锭加热温度规定为1180±10℃，若加热温度≥1180±10℃，则合金铸锭过烧，造成报废；终轧温度≥1050℃，若终轧温度＜1050℃，则合金表面裂纹严重；而铸锭从出炉到开轧，温降约40~50℃，可热加工的温度范围仅80～90℃。另一方面，铸锭在轧制过程轧件表面直接与大气接触，温降非常快，引起变形抗力随温度下降而不断增加，变形塑性下降很快。)、变形抗力较大(如图3，温度在1120℃时，其抗拉强度σb为10kg/mm2约100MPa±、δ为80％，其变形抗力不是很大，具有较高的热加工塑性，当温度低于1120℃时，拉伸强度σb快速增加而塑性大幅下降。)，因此一火轧制的变形量很小，仅有8～10％，为保证轧制温度，轧件不得不回炉再加热，进行多火次轧制(一般为15～16火)，才能将GH4049高温合金的小铸锭轧制成φ28～φ34的成品棒材，另外，由于多火轧制的棒材表面裂纹也较严重，成品棒材磨削量大。可见这种热加工开坯、成型工艺生产效率和效益都很低，每天12～13小时，只能生产5～6炉电渣锭，出500～600kg的材，无法进行批量生产，是一种“慢牛式”的生产方式，远远不能满足市场对GH4049合金棒材的需求。
发明内容
本发明开发GH4049合金的恒温韧性轧制方法，它是对传统热加工轧制工艺的改进，在热加工轧制开坯时，采用无缝不锈钢管包套技术代替铸锭表面与大气直接接触下的轧制过程；合金方坯4成材时，在坯料头尾焊接金属头子5，降低轧制咬入强度，保证一火轧制成材。避免了铸锭1在热加工轧制成材过程中，因轧制时间短、变形抗力大引起的多火次轧制的技术难题，提高了GH4049高温合金的生产效率和产品质量，满足市场需要。
本发明提供的GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征在于铸锭1热加工轧制开坯时，采用无缝不锈钢管2包套的“恒温”技术(就是说，将尺寸匹配的无缝不锈钢管2包套在合金小铸锭1上)，使合金铸锭1在热加工轧制过程中表面温度基本不变化，减缓轧件的温降速度，实现一火轧制开坯；合金方坯4热加工轧制成材前，在坯料头尾焊接金属头子5，降低轧机轧制时的咬入强度，实现合金方坯4的“韧性”轧制，保证合金方坯4的一火轧制成材：
第一步，热加工轧制开坯工艺：(1)首先将无缝不锈钢管2包套在电渣炉重熔的合金小铸锭1上，不锈钢管2内径尺寸与合金小铸锭1尺寸匹配；然后放入加热炉加热，加热温度及保温时间，按常规工艺要求；(2)出加热炉的外层包套无缝不锈钢管2的合金小铸锭1，在轧机上直接进行热加工开坯，一火多道次轧制开坯成70方～100方的方坯4(由于合金铸锭1用不锈钢管2包了套，在轧制过程中，轧件表面温度不容易向大气扩散，轧件处于一种恒定温度状态进行，这样可以增加每火的轧制道次和每火的变形量，轧件不与大气接触，表面不易产生裂纹，在整个轧制过程钢锭温度基本保持不变，延长了可热加工轧制的工作时间。)；(3)外层包套无缝不锈钢管2的70方～100方的合金方坯4，冷却后去套、切头尾、表面修磨；(4)70方～100方的方坯4再次按常规加热工艺要求进加热炉加热，加热后的70方～100方的方坯4，在轧机上直接进行热加工，一火多道次轧制至40方～50方的方坯4；
第二步，热加工轧制成材工艺：(1)40方～50方的合金方坯4，头尾焊接金属头子5(GH4049合金的合金化程度高，变形抗力随温度的降低而增大，轧制过程中合金方坯4的头、尾端部温降更快，变形抗力增大，造成轧机咬入相当困难，一旦无法咬入就必须回炉再加热；焊接在方坯4头尾的金属头子5后，利用金属头子5的韧性咬入作用，确保一火轧制成材，避免多火轧制，大大减少表面裂纹的产生。)；(2)表面研磨清理后的方坯4，按常规加热工艺要求进加热炉加热；(3)将加热后的合金方坯4在轧机上直接进行热加工成材，一火多道次轧制至成品棒材；40方～50方的方坯4轧制至φ20～φ40的成品棒材；(4)70方～100方的方坯4轧制至φ40～φ60的成品棒材。
热加工轧制开坯前，合金铸锭1用无缝不锈钢管2包套时，在铸锭1两端焊接纯铁3，纯铁3尺寸与合金铸锭1、无缝不锈钢管2内径匹配。
热加工轧制开坯时，在轧机上直接进行热加工开坯的无缝不锈钢管2包套，厚度5～10mm(厚度＜5mm，易出现套子破裂；厚度＞10mm，合金铸锭1的轧制变形不透，且浪费不锈钢管材料。)。
无缝不锈钢管2的材料是除马氏体不锈钢以外的不锈钢，最好是1Cr18Ni9Ti，主要是利用不锈钢的热加工温度范围宽、高温时抗氧化能力强、强度低、热加工塑性好的特点。
热加工轧制成型时，焊接在40方～50方的合金热加工坯头尾的金属头子5，材料是纯铁、不锈钢、合金化程度较低的高温合金等，最好是不锈钢，主要是利用这些材料的热加工温度范围宽，高温时抗氧化能力强、强度低、热加工塑性好的特点。
和现有技术相比，本发明具有下列优点：
1.热加工开坯成型工艺可操作性强；
2.装备通用性强；
3.合金表面裂纹少，研磨清理的工作量也减少；
4.一火多道次轧制，生产效率、合金质量高；
5.可大批量生产难变形高温合金热轧棒材。
附图说明
图1是热加工轧制开坯工艺下不锈钢管包套合金铸锭的示意图
图2是热加工轧制成材工艺下头尾焊接金属头子的合金方坯示意图
图3是GH4049合金热加工塑性图
具体实施方案
某钢铁公司实施本发明专利，将150多炉GH4049高温合金的电渣炉重熔铸锭1(铸锭1尺寸：φ165/φ185)在热轧机上直接进行热加工开坯、成型，生产GH4049合金热轧棒材(成品规格：φ18～φ60)。下面以φ22、φ28、φ32和φ36mm的GH4049合金热轧棒材生产为例：原材料准备→真空感应炉冶炼浇注φ125×1800mm电极→电极表面研磨清理→电渣炉重熔冶炼，铸锭1尺寸φ165/φ185→电渣锭均匀化处理→电渣锭用厚度5～10mm的1Cr18Ni9Ti无缝不锈钢管2包套→外层包套无缝不锈钢管2的电渣锭，按常规工艺要求进加热炉加热，加热温度1180±10℃，保温时间≥2～3小时，→在550轧机上直接进行热加工开坯，一火9道次热轧开坯至85方坯4→85方坯4去套、切头尾、表面修磨→在550轧机上直接进行热加工，将85方坯4一火7道次轧制至45方坯4→45方坯4表面研磨清理坯料分段→45方坯4头尾焊接纯铁材料的金属头子5→头尾焊接金属头子5的45方坯4进加热炉加热，加热温度1180±10℃，保温时间≥2.0小时→加热后的45方坯4，在300轧机上直接进行热加工，将45方坯4一火9道次轧制成型至φ30的成品棒材→棒材矫直、抛光、探伤→性能测试→交货。本发明具有热加工工艺合理、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，有效解决了GH4049合金热轧棒材大批量生产的技术难题，生产的GH4049合金热轧棒材表面裂纹少(研磨清理的工作量也减少)、合金质量高(交付航空410厂和420厂的150多炉棒材，用户入厂检验的各项性能指标一次合格率均为100％。)，生产效率达40～45炉/天，提高生产效益6倍以上(见表1)，经济效益和社会效益显著。
热加工生产效率比较表 表1
| 轧制规格mm | 轧制火次 | 每天生产量(同尺寸) | |
| 实施前 | Φ28 | 15～16火 | 5～6炉 |
| 实施后 | Φ28 | 3火 | 40～45炉 |
GH4049合金化学成份，％ 表2
| 元素 | C | Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | Fe | V | B | |||||
| 技术条件GB/T14993-94 | 0.04～0.10 | 9.5～11.0 | 14.0～16.0 | 5.0～6.0 | 4.50～5.50 | 3.70～4.40 | 1.40～1.90 | ≤1.5 | 0.20～0.50 | 0.015～0.025 | |||||
| 元素 | Ce | Ni | Mn | Si | P | S | Cu | ||||||||
| 技术条件GB/T14993-94 | ≤0.020 | 余 | ≤0.50 | ≤0.50 | ≤0.010 | ≤0.010 | ≤0.07 | ||||||||
Claims (5)
1、GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征在于铸锭(1)热加工轧制开坯时，采用无缝不锈钢管(2)包套的“恒温”技术，实现一火开坯轧制；合金方坯(4)热加工轧制成材前，在合金方坯(4)的头尾焊接金属头子(5)，实现合金方坯(4)的一火“韧性”轧制成材：
第一步，热加工轧制开坯工艺：(a)首先将无缝不锈钢管(2)包套在电渣炉重熔的合金小铸锭(1)上，不锈钢管(2)内径尺寸与合金小铸锭(1)尺寸匹配；然后放入加热炉加热，加热温度及保温时间，按常规工艺要求；(b)出加热炉的外层包套无缝不锈钢管(2)的合金小铸锭(1)，在轧机上直接进行热加工开坯，一火多道次轧制开坯成70方～100方的方坯(4)；(c)外层包套无缝不锈钢管(2)的70方～100方的合金方坯(4)，冷却后去套、切头尾、表面修磨；(4)70方～100方的方坯(4)再次按常规加热工艺要求进加热炉加热，加热后的70方～100方的方坯(4)，在轧机上直接进行热加工，一火多道次轧制至40方～50方的方坯(4)；
第二步，热加工轧制成材工艺：(a)40方～50方的合金方坯(4)，头尾焊接金属头子(5)；(b)表面研磨清理后的方坯(4)，按常规加热工艺要求进加热炉加热；(c)将加热后的合金方坯(4)在轧机上直接进行热加工成材，一火多道次轧制至成品棒材；40方～50方的方坯(4)轧制至φ20～φ40的成品棒材；(d)70方～100方的方坯(4)轧制至φ40～φ60的成品棒材。
2、根据权利要求1所述的GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征是：
热加工轧制开坯前，合金铸锭(1)用无缝不锈钢管(2)包套时，在铸锭(1)两端焊接纯铁(3)，纯铁(3)尺寸与无缝不锈钢管(2)内径、合金铸锭(1)匹配。
3、根据权利要求1或2所述的GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征是：热加工轧制开坯时，在轧机上直接进行热加工开坯的无缝不锈钢管(2)包套，厚度5～10mm。
4、根据权利要求1或2所述的GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征是：无缝不锈钢管(2)的材料是除马氏体不锈钢以外的不锈钢，最好是1Cr18Ni9Ti不锈钢。
5、根据权利要求1或2所述的GH4049合金的恒温韧性轧制方法，其特征是：热加工轧制成型时，焊接在合金方坯(4)头尾的金属头子(5)，材料是纯铁、不锈钢、合金化程度较低的高温合金等，最好是不锈钢。
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