《Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓開(kāi)裂分析》

【摘要】:文章從Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓過(guò)程特點(diǎn)入手，對(duì)熱擠壓過(guò)程中的開(kāi)裂情況進(jìn)行分析，并對(duì)溫度和擠壓速率兩個(gè)熱擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行研究，分析了其對(duì)該型鋼管擠壓開(kāi)裂的影響，結(jié)果表明溫度均勻，擠壓速度慢可以有效減少裂紋的產(chǎn)生。

Inconel718是一種加入鈮、鉬的鎳鐵鋯基合金，屬于沉淀硬化耐熱型。

    1950年前后美國(guó)通用公司對(duì)其進(jìn)行了研究和應(yīng)用，最開(kāi)始設(shè)計(jì)目的是用于渦輪的加工，這種渦輪用于航空領(lǐng)域中。因航空航天設(shè)備所需要的渦輪盤(pán)要在長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高壓和大載荷下持續(xù)運(yùn)行，因此高溫的工作環(huán)境需要其具有優(yōu)良的耐熱性，渦輪葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力矩使得渦輪盤(pán)應(yīng)有較高的抗拉強(qiáng)度，低周的持續(xù)運(yùn)動(dòng)要求渦輪盤(pán)具有抗蠕變能力，還需要承受瞬間載荷過(guò)大，因此需要該材料具有較高的斷裂強(qiáng)度。經(jīng)多年的實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐得知，這種材料具有在高低溫中的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性能較好，現(xiàn)在在擠壓工模具中經(jīng)常見(jiàn)到這種合金的身影。

一、Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓過(guò)程特點(diǎn)

    熱擠壓變形是一種在高溫條件下向材料施加擠壓力的變形方式，熱擠壓變形使被擠壓材料承受高溫高壓的處理?xiàng)l件，另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是在一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)變量大，因此這種處理工藝也使材料具有較大的應(yīng)變速率。文章所研究的無(wú)縫鋼管通常在熱擠壓之后所獲得的產(chǎn)品都具有較低的擠壓質(zhì)量比，鎳鐵鋯沉淀耐熱型合金形成合金較為完全，熱量在沉淀耐熱型合金中擴(kuò)散的慢，毛坯的尺寸也對(duì)鎳鐵鋯沉淀耐熱型合金的熱傳導(dǎo)起到了較大的影響，熱傳導(dǎo)速度慢會(huì)造成加熱源附近和毛坯輪廓處溫度傳遞延遲，體現(xiàn)為離加熱源越近，溫度越高，離加熱源越遠(yuǎn)，溫度越低，溫度不均勻。

    還有一個(gè)原因是鎳鐵鋯沉淀耐熱型合金材料的無(wú)縫鋼管熱擠壓變形的條件比較苛刻，在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)該無(wú)縫鋼管才能進(jìn)行擠壓變形。在其他溫度條件都無(wú)法通過(guò)擠壓使其發(fā)生形變。在該無(wú)縫鋼管的變形溫區(qū)內(nèi)，還需要以高應(yīng)變速率的條件對(duì)其進(jìn)行擠壓，但這種高應(yīng)變速率的擠壓就會(huì)使材料出現(xiàn)較多的不均勻的缺陷，而普通的擠壓模具因?yàn)槌惺懿涣嗽摕o(wú)縫鋼管熱擠壓所需要的載荷而被損壞，其載荷承受能力達(dá)不到高硬度無(wú)縫鋼管所產(chǎn)生的抗力，因此這種無(wú)縫鋼管的擠壓需要模具具有極高的硬度。裂紋的產(chǎn)生是在金屬熱擠壓過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷形式，因此材料的生產(chǎn)對(duì)熱處理工藝和熱加工工藝提出了很高的要求，在熱擠壓實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)熱擠壓參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以幫助生產(chǎn)實(shí)踐摸索最優(yōu)參數(shù)配置，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)熱擠壓工藝參數(shù)的選取也關(guān)乎人力物力的利用效率，更影響無(wú)縫鋼管企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

二、Inconel718無(wú)縫鋼管擠壓過(guò)程開(kāi)裂情況

    對(duì)鋼管進(jìn)行低倍率的電鏡圖片研究分析可知無(wú)縫鋼管在擠壓過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂紋，長(zhǎng)度達(dá)1~3cm，厚度約為2mm，無(wú)縫鋼管裂紋走向?yàn)闄M向。無(wú)縫鋼管的高倍率顯微鏡圖片表明在無(wú)縫鋼管的擠壓過(guò)程之后，主要裂紋和次生裂紋共存其中，主裂紋尺寸超過(guò)200μm。從裂紋的擴(kuò)展方式來(lái)講，沿晶裂紋占主要部分，穿晶裂紋占次要部分，這表明該無(wú)縫鋼管的晶體裂紋生長(zhǎng)方式以沿晶為主，穿晶為輔。研究學(xué)者對(duì)該無(wú)縫鋼管的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行了原位研究，表明伴隨著熱擠壓的進(jìn)行，再結(jié)晶的物理過(guò)程也在同步的進(jìn)行，晶粒的大小也因該過(guò)程的進(jìn)行而不斷的減小，每個(gè)晶粒的尺寸也變得均等，表現(xiàn)為晶粒均勻細(xì)化。

三、Inconel718無(wú)縫鋼管擠壓過(guò)程開(kāi)裂原因分析

    對(duì)裂紋周?chē)M(jìn)行研究可以得到一些關(guān)鍵的信息，裂紋周?chē)鶠槌煞志鶆虻暮辖鹣?，缺陷少，碳化鈮和laves相少，這表明對(duì)該無(wú)縫鋼管進(jìn)行熱擠壓變形時(shí)元素的分布較為均勻，產(chǎn)品的形成過(guò)程沒(méi)有有害相的析出，大部分都是有用的相成分，研究表明毛坯的好壞對(duì)擠壓熱變形而形成裂紋的影響不大。

    在該無(wú)縫鋼管進(jìn)行擠壓熱變形時(shí)，該無(wú)縫鋼化會(huì)持續(xù)發(fā)生再結(jié)晶，晶體再結(jié)晶而產(chǎn)生的晶粒，這種晶粒的尺寸大小受到溫度的影響較為直接，溫度越高晶粒生長(zhǎng)越快，晶粒平均尺寸越大。而上文所述毛坯溫度隨距離加熱源的遠(yuǎn)近變化而變化，因此晶粒尺寸沿遠(yuǎn)離加熱源的方向逐漸變小，也就是該熱擠壓工藝形成的無(wú)縫鋼管徑向的晶粒尺寸不均勻。溫度的差異也影響了金屬流動(dòng)難易程度的不同，溫度高分子運(yùn)動(dòng)快，溫度低分子運(yùn)動(dòng)慢。外表面溫度比內(nèi)表面高所帶來(lái)的工藝結(jié)果是外表面金屬快速流動(dòng)，而內(nèi)表面金屬相對(duì)于外表面金屬來(lái)說(shuō)低速流動(dòng)，應(yīng)力狀態(tài)的改變使得裂紋產(chǎn)生。

    擠壓時(shí)溫度這一項(xiàng)參數(shù)對(duì)該無(wú)縫鋼管的晶粒尺寸影響非常大，這也間接導(dǎo)致尺寸大的晶粒晶界與晶界之間的結(jié)合力較小，而晶粒尺寸恰恰是一個(gè)對(duì)溫度極為敏感的參數(shù)，受到擠壓溫度的較大影響。粗大晶粒因其結(jié)合力變?nèi)跻蚕拗屏似鋽D壓速度，因此要想得到裂紋較少的該型無(wú)縫合金鋼管，需要進(jìn)行兩方面的工藝完善和控制工作。首先需要控制毛坯的外表面溫度上限，其次是考慮擠壓溫度一定的前提下擠壓速率不同對(duì)該無(wú)縫鋼管裂紋產(chǎn)生的影響。外表面溫度提升上限高時(shí)和熱擠壓速度快時(shí)，都會(huì)引起發(fā)生變形的該型無(wú)縫鋼管熱塑性變差，該型鋼管的熱擠壓過(guò)程后產(chǎn)品性能不如從前，因此產(chǎn)生裂紋。

四、熱擠壓變形產(chǎn)生裂紋的預(yù)防措施

    Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓開(kāi)裂的預(yù)防措施有以下幾點(diǎn):

    (1)Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓之前應(yīng)該仔細(xì)檢查毛坯材料的質(zhì)量，因原材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而出現(xiàn)熱擠壓變形的事件屢見(jiàn)不鮮，原材料的組織和成分不合格會(huì)對(duì)熱擠壓過(guò)程造成較大的影響，因此在熱擠壓之前對(duì)無(wú)縫鋼管制造毛坯材料進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)可以顯著減少裂紋的產(chǎn)生。

    (2)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度控制必須要精確，生產(chǎn)過(guò)程中溫度對(duì)無(wú)縫鋼管熱擠壓裂紋的控制起到重要的作用，控制溫度的變化量上下不能超過(guò)2度，這需要

對(duì)溫度控制設(shè)備和儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，減少影響溫控精確度的因素。

    (3)有著廠家對(duì)于不同的毛坯材料采用同樣的溫度工藝，這樣導(dǎo)致不同的毛坯材料對(duì)控制工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)匹配，因此應(yīng)該對(duì)不同的無(wú)縫鋼管進(jìn)行有針對(duì)性的熱擠壓工藝參數(shù)制定，可以有效的減少裂紋的產(chǎn)生。

    (4)無(wú)縫鋼管的塑性變形是否均勻嚴(yán)重影響了裂紋的產(chǎn)生，因此對(duì)于文章所研究的無(wú)縫鋼管應(yīng)該進(jìn)行特定的應(yīng)變速率和應(yīng)變量的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出最合適的應(yīng)變速率和應(yīng)變量，使得熱擠壓的過(guò)程變得更加均勻，可以顯著改善Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓開(kāi)裂的現(xiàn)象。

    綜上所述，影響Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓變形而導(dǎo)致形成裂紋的主要原因是熱加工溫度和熱擠壓速率。溫度方面是外表面和內(nèi)表面溫度差別大，減少內(nèi)外表面的溫度差異有利于提高Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓開(kāi)裂抗性，在不考慮擠壓溫度的情況下還可以適當(dāng)?shù)臏p小擠壓的速度，對(duì)于減少I(mǎi)nconel718無(wú)縫鋼管的擠壓裂紋產(chǎn)生起到重要的作用。主要從溫度的控制、熱擠壓過(guò)程中塑性變形量和應(yīng)變速率方面的控制來(lái)降低Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓過(guò)程所產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)之前仔細(xì)對(duì)原材料進(jìn)行組織分析和成分分析，去除組織不均勻或者含有害相較多的無(wú)縫鋼管原材料可以顯著減少裂紋的產(chǎn)生。      對(duì)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)所用的溫度控制設(shè)備和溫度檢測(cè)儀表進(jìn)行檢查和檢驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱擠壓過(guò)程溫度的精確測(cè)量和控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究和摸索可以得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，從而降低裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。最后，對(duì)Inconel718無(wú)縫鋼管熱擠壓的應(yīng)變速率和變形量進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)摸索可以控制塑性變形和應(yīng)變速率更加均勻，合適的應(yīng)變量可以控制裂紋的寬度，合適的應(yīng)變速率可以使無(wú)縫鋼管的制造過(guò)程中變形更加均勻，減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。