Inconel600的熔煉中的脫氧與脫硫

馬利國，丁五洲，李 林

(寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

Inconel600的熔煉中的脫氧與脫硫

馬利國，丁五洲，李 林

(寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

通過對高溫合金Inconel600熔煉工藝的研究探討，并對真空熔煉 (VIM)、感應爐熔煉 (IM)和電渣重熔 (ESR)過程中除氣、除雜的原理及方法具體分析，特別是對O、S以及低熔點雜質元素控制進行深入的探討，研制合適的熔煉工藝.

Inconel600;真空熔煉;感應爐熔煉;電渣重熔

Inconel600合金屬于Ni－Cr－Fe型鎳基高溫合金.它具有優良的耐蝕性能和抗氧化能力，廣泛應用于化工、航空、核工業等部門.可應用于航天航空發動機，各種工業燃氣輪機，以及火箭發動機用的各種高溫零部件，比如，發動機的渦輪盤、軸、噴管等.此外，還應用于石油化工，冶金工業，交通運輸等方面，比如輸油管道，化工用管［1］.

Inconel600合金是一種穩定的奧氏體固熔合金，組織基體為γ奧氏體，對于該合金來說，影響合金的熱加工塑性最重要的因素是O、S以及低熔點雜質元素.

氧在高溫合金Inconel600中存在形態為固溶態及氧化物夾雜，這些氧化物夾雜通常是疲勞裂紋的萌生及擴展通道，從而影響Inconel600的蠕變斷裂性能與瞬間拉伸和沖擊性能以及持久強度等性能.如Al、Ti等活潑金屬均與O有很強的親和力，生成Al2O3、TiO2等夾雜物，這不僅減弱了強化元素Al、Ti等的強化作用，而且成堆成串的夾雜物使合金低倍組織上出現帶狀和發紋等缺陷，縱向高倍出現細晶帶狀，影響合格率，當含量較高時，嚴重降低合金的蠕變斷裂性能［2］.

硫在高溫合金Inconel600中偏析到晶界或相界，并使晶界和相界弱化，當硫的質量分數較高時，易于生成Y相.Y相是一種硫碳化物，化學表達式為M2SC，是一種有害相，降低合金的韌性裂紋沿Y相邊緣產生和擴展.隨著S質量分數的增加，Y相析出溫度升高，數量增多，危害性增大.硫主要偏析到枝晶間，促進Nb的偏析，使枝晶軸中的Nb更多的向枝晶間擴散并在Laves相相富集.Laves相也是一種有害相，降低強度，它本身又是一種脆性相，相界也是裂紋升核和擴展的源泉.S阻礙合金凝固，影響凝固過程，促進元素偏析和有害相析出.當硫的質量分數達到2×10－5時，在400～1 050℃的溫度范圍內，其塑性急劇下降，在800～1 000℃之間達到最低值，出現所謂的“硫脆”現象［3］.

由于Inconel600在國內研制工藝并不成熟，成品率較低.而熔煉又是研制工藝的基礎，熔煉的好壞直接影響到成品的性能，以及后續的塑性加工.因此，對高溫合金Inconel600的熔煉進行研究具有非常重要的意義，合適的熔煉工藝不僅為后續的塑性加工省去麻煩，更帶來可觀的經濟效益.Inconel600合金成分(ASTM B168)見表1.

表1 Inconel600的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compostion of Inconel600(mass fraction) %

1 真空熔煉

攀長鋼在1991年就采用真空感應熔煉，研制出 Inconel600，而且鍛造塑性良好［1］，因此真空感應熔煉仍然是Inconel600的主要熔煉工藝之一.一般真空感應熔煉爐的坩堝采用電熔鎂砂和硼酸筑成，中科院金屬研究所最新研究表明，采用CaO坩堝對鎳基高溫合金除硫和除氧具有很好的效果［4］，但是坩堝的使用壽命也并不樂觀，目前不太適合大規模工業生產.

真空感應爐在高真空下，可以有很好的脫氣效果，其脫氧途徑有去除氧化膜脫氧、沉淀脫氧和真空下碳脫氧.沉淀脫氧就是向金屬中加入對氧親合力比鐵大的元素(脫氧劑，比如C、Al、Si－Ca等)，使之與金屬中溶解的氧結合成不溶于金屬的氧化物或復合氧化物而析出.而在低壓的情況下，C的脫氧效果是常壓下脫氧的100多倍.這是由于碳氧反應生成的CO氣體，隨著真空泵的不斷工作，被不斷抽出爐外，使化學反應不斷朝著生成 CO 方向進行［5］.

式中，pCO為CO的分壓，fC和fO為C和O的活度因子.

此外，在碳氧反應時，由于沸騰的作用，還可以起到脫氮的作用.當碳氧達到相對平衡后，加入一定的Al塊可以進一步脫氧.

真空脫氧主要發生在熔化期，對鎳基合金熔清時脫［O］率可以達到40% ～70%［5］.精煉是十分重要的一個過程，不僅可以使成分均勻化，還是繼續除雜質、除氣的重要過程.精煉溫度高和保溫時間長可以加速碳氧反應的進行及微量有害雜質的揮發.但溫度過高或時間過長會加劇坩堝供氧反應，使金屬中的氧質量分數反而上升.所以應根據合金的要求控制精煉期的溫度，時間和真空度.

真空感應熔煉沒有加入爐渣，因此不能采用擴散脫硫的方式進行脫硫，一般可以采用一些與硫親和力比較大，而且能夠生成高熔點，低密度，與inconel600熔體界面張力大、且易于上浮的硫化物或者產物為高度彌散的硫化物的脫硫劑［5］，常用的有Si－Ca或脫硫劑(Ca、La)進行脫硫

其中Ca的加入一般都是在最后才加入，其終產物為CaS和氧硫化鈣或鈣酸鹽的復合物，在合金液中極易上浮而被除去，即使有少量殘留，也由于它們在變形過程中始終保持球形，不僅不會對合金性能造成不利影響，有時還消除合金的各向異性性能［4］.

2 非真空熔煉

Inconel600合金在非真空狀態下進行熔煉，最大的弱點就是氣體和有害雜質元素不能像高真空狀態下那樣得到揮發和去除，必須采用各種手段使用各種添加劑才能有效地控制氣體和有害雜質元素.

對于在非真空下脫氧，一般采用沉淀脫氧和擴散脫氧.脫氧劑一般為Ca－Si粉和鋁石灰粉.所謂擴散脫氧是指當合金和渣為兩個互不相溶的液相時，合金液中的氧活度大于與渣平衡的數值時，合金中的氧就會不斷向渣中擴散.因此在精煉過程中，應不斷向渣中加入鋁粉或螢石粉以便降低渣中氧的活度，使合金液中的氧不斷向渣中擴散.而對于沉淀脫氧一般采用較強的脫氧劑.比如Al塊、Ni－Mg、Si－Ca或稀土元素等.沉淀脫氧是利用與氧親和力比Inconel600合金大的元素把合金中的氧奪取過來.其脫氧反應為［5］

而生成的這些反應產物，幾乎都不溶于合金液.而且它們的相對密度小，因此從合金液上浮而被除去.

3 電渣重熔

一般的電渣重熔都是在大氣中進行的，因此，電渣重熔中的除氣相對也是比較困難的，選擇合適的渣系是Inconel600消除有害雜質元素的關鍵.

目前，對于Inconel600所選用的渣系一般為二元渣或四元渣.一種是采用 CaF2、Al2O3、CaO、MgO四元渣系，加鋁粉脫氧保護電渣重熔;另外一種采用CaF2、Al2O3二元渣系，加鋁粉和Ca－Si粉綜合脫氧保護電渣重熔.

電渣重熔中脫硫的方式一般有兩種［5］:一種就是靠熔渣的高堿度進行脫硫，堿度越高，其脫硫效果越好，而Inconel600主要靠 CaF2－Al2O3渣系的氣化脫硫.現在有一種電化學的方法也可進行脫硫，就是以直流正接電源(電極為正極)，而且脫硫效果也比較好.

電渣重熔滿足脫硫的3個條件:高堿性渣、高反應溫度、反應界面大(150 300 m2/t)［5］.此外，脫硫的產物是氣體、能及時脫離反應區，從而保證了反應總是向脫硫反應進行.

另外，渣中大量的CaF2還能產生SF6氣體.SF6能及時進入氣相逸出，渣池中不發生硫化物富集，渣池始終保持較高的脫硫能力.

對于去除氧和氧化物夾雜，在電極末端金屬熔滴形成階段和熔滴通過渣層過渡階段，由于渣和金屬充分接觸，使夾雜物被熔渣吸收而被除去.為了進一步減少氧的質量分數，出現了保護氣體電渣重熔和真空電渣重熔技術.

值得一提的是在電渣重熔中的渣系中容易出現不穩定氧化物，如SiO2等，其對塑性加工影響比較大，特別是電渣重熔初期，渣中的SiO2被還原，使錠底部的Si質量分數高，即電渣錠的大頭，導致鍛造塑性特別差，甚至出現直接裂斷現象.例如表2所示.

由表 2可以看出，Si的質量分數對Inconel600的鍛造塑性有很大的影響，因為像Si這種夾雜會使電渣錠的晶界和晶內都會有片狀σ相形成，成為裂紋產生和擴展的通道.

表2 電渣錠鍛造情況與Inconel600合金成分質量分數的關系Table 2 Relationship between the forging condition of ESR ingots and content of the element Inconel600%

4 結語

(1)感應熔煉(VIM)中，添加C進行碳脫氧，然后加入Al進行脫硫和進一步脫氧.

(2)在非真空感應熔煉(IM)中，主要靠Ca－Si粉和鋁石灰粉以及 Al塊、Ni－Mg、Si－Ca或稀土元素進行擴散脫氧和沉淀脫氧.

(3)電渣重熔(ESR)中，通過高堿性渣、高反應溫度、反應界面大的渣系將S、O進一步去除，并將氧化物夾雜均勻地分散在熔錠中.

應該根據其合金的要求選擇合適的熔煉工藝，以便得到符合要求的Inconel600合金.

Inconel600合金的熔煉工藝主要為非真空感應熔煉(IM)+電渣重熔(ESR)或真空感應熔煉(VIM)+電渣重熔(ESR)，為了滿足更高要求的Inconel600，又出現了三聯非真空感應熔煉(IM)+真空感應熔煉(VIM)+電渣重熔(ESR)，但其除氣和除雜原理也不相同.

［1］陳開忠.GH600 合金試制研討［J］.特鋼技術，2004，9(38):3－6.

［2］王建明.鎳基高溫合金真空感應熔煉脫氧［J］.材料與冶金學報，2003，2(3):177 －180.

［3］李守軍.GH690鎳基高溫合金的脫硫［J］.鋼鐵研究學報，2003，15(7):317 －322.

［4］牛建平.鎳基高溫合金的脫硫與脫氧［J］.新技術新工藝，2002，2:32 －33.

［5］郭建亭.高溫合金材料學［M］.北京:科學出版社，2008.4.

Deoxidation and desulphurization in the Inconel600 melting

MA Li-guo，DING Wu-zhou，LI Lin

(BaoTi Group Co.，Ltd.，Baoji 721014，China)

ThrouInconel the melting temperature alloy Inconel600 study process，and vacuum melting(VIM)，induction melting(IM)and electroslag remelting(ESR)process，in addition to gas，cleaning concrete analysis of the principles and methods，in particular，is O ，S and the low melting point impurities depth of control，development of appropriate melting process.

Inconel600;VIM;IM;ESR

TG 337.1

A

1671-6620(2011)S1-0061-03

2010-10-15.

馬利國 (1986—)，男，山東金鄉人，大學本科，E－mail:ma.liguo.sd@gmail.com.