《Inconel718無縫鋼管熱擠壓開裂分析》

【摘要】:文章從Inconel718無縫鋼管熱擠壓過程特點入手，對熱擠壓過程中的開裂情況進行分析，并對溫度和擠壓速率兩個熱擠壓工藝參數進行研究，分析了其對該型鋼管擠壓開裂的影響，結果表明溫度均勻，擠壓速度慢可以有效減少裂紋的產生。

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年前后美國通用公司對其進行了研究和應用，最開始設計目的是用于渦輪的加工，這種渦輪用于航空領域中。因航空航天設備所需要的渦輪盤要在長時間的高溫、高壓和大載荷下持續運行，因此高溫的工作環境需要其具有優良的耐熱性，渦輪葉片高速轉動時產生的力矩使得渦輪盤應有較高的抗拉強度，低周的持續運動要求渦輪盤具有抗蠕變能力，還需要承受瞬間載荷過大，因此需要該材料具有較高的斷裂強度。經多年的實驗研究和生產實踐得知，這種材料具有在高低溫中的化學穩定性，耐腐蝕性能較好，現在在擠壓工模具中經常見到這種合金的身影。

一、Inconel718無縫鋼管熱擠壓過程特點

    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條件，另外一個顯著特點是在一定時間內應變量大，因此這種處理工藝也使材料具有較大的應變速率。文章所研究的無縫鋼管通常在熱擠壓之后所獲得的產品都具有較低的擠壓質量比，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散的慢，毛坯的尺寸也對鎳鐵鋯沉淀耐熱型合金的熱傳導起到了較大的影響，熱傳導速度慢會造成加熱源附近和毛坯輪廓處溫度傳遞延遲，體現為離加熱源越近，溫度越高，離加熱源越遠，溫度越低，溫度不均勻。

    還有一個原因是鎳鐵鋯沉淀耐熱型合金材料的無縫鋼管熱擠壓變形的條件比較苛刻，在一個很小的溫度范圍內該無縫鋼管才能進行擠壓變形。在其他溫度條件都無法通過擠壓使其發生形變。在該無縫鋼管的變形溫區內，還需要以高應變速率的條件對其進行擠壓，但這種高應變速率的擠壓就會使材料出現較多的不均勻的缺陷，而普通的擠壓模具因為承受不了該無縫鋼管熱擠壓所需要的載荷而被損壞，其載荷承受能力達不到高硬度無縫鋼管所產生的抗力，因此這種無縫鋼管的擠壓需要模具具有極高的硬度。裂紋的產生是在金屬熱擠壓過程中常見的缺陷形式，因此材料的生產對熱處理工藝和熱加工工藝提出了很高的要求，在熱擠壓實驗時對熱擠壓參數進行合理的設計可以幫助生產實踐摸索最優參數配置，工業生產時熱擠壓工藝參數的選取也關乎人力物力的利用效率，更影響無縫鋼管企業的經濟效益。

二、Inconel718無縫鋼管擠壓過程開裂情況

    對鋼管進行低倍率的電鏡圖片研究分析可知無縫鋼管在擠壓過程中會出現裂紋，長度達1~3cm，厚度約為2mm，無縫鋼管裂紋走向為橫向。無縫鋼管的高倍率顯微鏡圖片表明在無縫鋼管的擠壓過程之后，主要裂紋和次生裂紋共存其中，主裂紋尺寸超過200μm。從裂紋的擴展方式來講，沿晶裂紋占主要部分，穿晶裂紋占次要部分，這表明該無縫鋼管的晶體裂紋生長方式以沿晶為主，穿晶為輔。研究學者對該無縫鋼管的熱擠壓過程進行了原位研究，表明伴隨著熱擠壓的進行，再結晶的物理過程也在同步的進行，晶粒的大小也因該過程的進行而不斷的減小，每個晶粒的尺寸也變得均等，表現為晶粒均勻細化。

三、Inconel718無縫鋼管擠壓過程開裂原因分析

    對裂紋周圍進行研究可以得到一些關鍵的信息，裂紋周圍均為成分均勻的合金相，缺陷少，碳化鈮和laves相少，這表明對該無縫鋼管進行熱擠壓變形時元素的分布較為均勻，產品的形成過程沒有有害相的析出，大部分都是有用的相成分，研究表明毛坯的好壞對擠壓熱變形而形成裂紋的影響不大。

    在該無縫鋼管進行擠壓熱變形時，該無縫鋼化會持續發生再結晶，晶體再結晶而產生的晶粒，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近變化而變化，因此晶粒尺寸沿遠離加熱源的方向逐漸變小，也就是該熱擠壓工藝形成的無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難易程度的不同，溫度高分子運動快，溫度低分子運動慢。外表面溫度比內表面高所帶來的工藝結果是外表面金屬快速流動，而內表面金屬相對于外表面金屬來說低速流動，應力狀態的改變使得裂紋產生。

    擠壓時溫度這一項參數對該無縫鋼管的晶粒尺寸影響非常大，這也間接導致尺寸大的晶粒晶界與晶界之間的結合力較小，而晶粒尺寸恰恰是一個對溫度極為敏感的參數，受到擠壓溫度的較大影響。粗大晶粒因其結合力變弱也限制了其擠壓速度，因此要想得到裂紋較少的該型無縫合金鋼管，需要進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該無縫鋼管裂紋產生的影響。外表面溫度提升上限高時和熱擠壓速度快時，都會引起發生變形的該型無縫鋼管熱塑性變差，該型鋼管的熱擠壓過程后產品性能不如從前，因此產生裂紋。

四、熱擠壓變形產生裂紋的預防措施

    Inconel718無縫鋼管熱擠壓開裂的預防措施有以下幾點:

    (1)Inconel718無縫鋼管熱擠壓之前應該仔細檢查毛坯材料的質量，因原材料質量不達標而出現熱擠壓變形的事件屢見不鮮，原材料的組織和成分不合格會對熱擠壓過程造成較大的影響，因此在熱擠壓之前對無縫鋼管制造毛坯材料進行質量檢驗可以顯著減少裂紋的產生。

    (2)生產過程中的溫度控制必須要精確，生產過程中溫度對無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2度，這需要

對溫度控制設備和儀表進行校準，減少影響溫控精確度的因素。

    (3)有著廠家對于不同的毛坯材料采用同樣的溫度工藝，這樣導致不同的毛坯材料對控制工藝無法實現匹配，因此應該對不同的無縫鋼管進行有針對性的熱擠壓工藝參數制定，可以有效的減少裂紋的產生。

    (4)無縫鋼管的塑性變形是否均勻嚴重影響了裂紋的產生，因此對于文章所研究的無縫鋼管應該進行特定的應變速率和應變量的設計，通過實驗找出最合適的應變速率和應變量，使得熱擠壓的過程變得更加均勻，可以顯著改善Inconel718無縫鋼管熱擠壓開裂的現象。

    綜上所述，影響Inconel718無縫鋼管熱擠壓變形而導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表面溫度差別大，減少內外表面的溫度差異有利于提高Inconel718無縫鋼管熱擠壓開裂抗性，在不考慮擠壓溫度的情況下還可以適當的減小擠壓的速度，對于減少Inconel718無縫鋼管的擠壓裂紋產生起到重要的作用。主要從溫度的控制、熱擠壓過程中塑性變形量和應變速率方面的控制來降低Inconel718無縫鋼管熱擠壓過程所產生的開裂現象。實驗和生產之前仔細對原材料進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縫鋼管原材料可以顯著減少裂紋的產生。      對實驗和生產所用的溫度控制設備和溫度檢測儀表進行檢查和檢驗可以實現對熱擠壓過程溫度的精確測量和控制。通過實驗來對生產工藝進行研究和摸索可以得到最優的工藝參數，從而降低裂紋的產生和擴展。最后，對Inconel718無縫鋼管熱擠壓的應變速率和變形量進行設計和實驗摸索可以控制塑性變形和應變速率更加均勻，合適的應變量可以控制裂紋的寬度，合適的應變速率可以使無縫鋼管的制造過程中變形更加均勻，減少裂紋的產生和擴展。