隨著(zhù)現代工業(yè)和尖端技術(shù)的發(fā)展,人們越來(lái)越需要使用具有更高合金化程度和更高使用性能的鐵基、鎳基、鉬基、鈷基等高合金鋼和合金,以及各種稀有金屬和難熔合金等特殊材料的產(chǎn)品。而這類(lèi)特種材料通常都具有熱加工塑性低的特點(diǎn)。由于材料在熱擠壓過(guò)程中具有最佳的壓力加工應力狀態(tài),因此熱擠壓成為加工各種低塑性難變形特殊材料產(chǎn)品的首選方法。


對低塑性難變形材料進(jìn)行熱擠壓,首先要研究的是各種材料的特性,包括材料的組織結構特點(diǎn)、熱力學(xué)特性以及塑性變形特點(diǎn)和冷卻過(guò)程對材料性能的影響;并且根據擠壓過(guò)程的工藝特點(diǎn),選擇試驗方法,確定材料加工的最佳溫度范圍、材料允許的塑性變形程度,以及獲得最佳產(chǎn)品質(zhì)量的變形速度范圍和合理的冷卻制度;以便編制合理的熱擠壓工藝。


一、高鎳合金材料的特性


部分高鎳合金材料的化學(xué)成分與強化相見(jiàn)表5-1.


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  CrNi60MoWTiAl合金用于在750~900℃短時(shí)工作的焊接接頭,其特點(diǎn)是金屬間相含量較少(約為14%),主要以總含量平均達33%的鉻、鉬和鎢的固溶體合金化方法來(lái)進(jìn)行強化。


 CrNi55WMoTiCoAl合金是以熱處理時(shí)析出36%~38%的金屬間γ相來(lái)強化。


 CrNi60CoMoWAINb合金可在溫度為850℃時(shí)工作。


 CrNi56WMoCoAl和CrNi51WMoTiAICoVB合金的合金元素和強化相實(shí)際上是相同的,但析出的金屬間相按其合金的化學(xué)成分不同而有些差異。


 CrNi56WMoCoAl合金不含鈦,以Ni3Al金屬間相強化;從高溫冷卻時(shí),強化相從固溶體中高速析出,這對熱壓力加工工藝有著(zhù)重要影響。


 CrNi51WMoTiAlCoVB是高強度合金,含有45%的Ni3(Ti,Al)型強化相,可在900~950℃工作。



二、潤滑劑對高鎳合金表面質(zhì)量的影響


  鎳基耐熱合金一般對涂覆和制墊的玻璃潤滑劑的性能表現出高度的敏感性。當玻璃潤滑劑的黏度不足時(shí),潤滑劑從變形區被擠出,變形金屬直接接觸工模具表面,摩擦條件惡化,金屬的表層受到滯,溫度喪失;在拉應力作用下,金屬表面的連續性遭到破壞。而當玻璃潤滑劑的黏度過(guò)高時(shí),潤滑劑來(lái)不及軟熔而成為磨料,非但起不到潤滑的作用,反而磨損制品表面。


 潤滑劑黏度對CrNi51WMoTiAlCoVB耐熱合金擠壓棒材表面質(zhì)量的影響如圖5-6所示。


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 圖5-6 潤滑劑的黏度對 CrNi51WMoTiAlCoVB耐熱合金擠壓棒材表面質(zhì)量的影響實(shí)踐證明,擠壓鎳基合金材料時(shí),若玻璃潤滑劑用于涂覆,其黏度不小于1000Pa·s較好;若制玻璃墊用,其黏度不小于300Pa·s較好。


  推薦的玻璃潤滑劑成分和制造穿孔機和擠壓機工模具的材料分別參見(jiàn)表4-14和表7-13。




三、高鎳合金的擠壓溫度--速度關(guān)系曲線(xiàn)


 對低塑性材料變形時(shí)的動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件的研究是制定合理的高鎳合金材料熱擠壓制度的基礎。


 在加熱溫度為T(mén)h,金屬從??字辛鞒龅乃俣?。υλncλυnp時(shí),部分高鎳合金的擠壓溫度-速度關(guān)系曲線(xiàn)如圖5-7所示。


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  圖5-7中,ABCDE包圍所定的區域1為CrNi60MoWTiAl和CrNi60CoMoWAINb 合金無(wú)破壞擠壓區域,A,B1C1D1和A1B2C2D2分別為 CrNi56WMoCoAl、CrNi55WMoTiCoAl和CrNi51WMoTiAlCoVB合金無(wú)破壞擠壓條件的區域。高鎳耐熱合金的塑性越好,其變形溫度-速度的范圍越寬。隨著(zhù)加熱溫度的升高,金屬從??字辛鞒龅乃俣葀應相應降低。圖5-7中的區域2、3和4處于限定的區域范圍之外;位于虛線(xiàn)DE以外的區域2可以看成是區域1的延伸,因為其包括在合金CrNi60MoWTiAl和CrNi60CoMoWAINb無(wú)破壞擠壓的溫度一速度條件之內。但是,由于擠壓機在金屬的變形抗力極大的條件下不能發(fā)揮出高速擠壓,所以合金動(dòng)力學(xué)特性很難實(shí)現在此區域內的變形。


 CrNi56WMoCoAl和CrNi51WMoTiAlCoVB合金的擠壓溫度-速度范圍縮小,原因是其合金化的特殊性,即影響金屬塑性的強化相的析出數量和析出速度。應該指出的是,含鎳耐熱合金擠壓溫度一速度條件是在入口錐角2am=120°的錐形模擠壓時(shí)得到的。在采用組合模的情況下,金屬的加熱溫度可提高20~40℃,而擠壓速度則增加30%~40%。


 根據所得到的擠壓溫度-速度極限條件,可將合金分為三大類(lèi):


 1. 較高塑性的鎳合金耐熱材料,如CrNi60MoWTiAI和CrNi60CoMoWAINb合金,其擠壓允許溫度[Th]=1040~1180℃,擠壓允許的金屬流出速度[%]=80~860mm/s,,延伸系數μ=15~16。


  2. 中等塑性的鎳合金耐熱材料,如CrNi55WMoTiCoAl合金。其擠壓允許溫度[TH]=1060~1160℃,擠壓允許的金屬流出速度[vmc]=120~55mm/s,,延伸系數μmax=7~9。


 3. 低塑性鎳合金耐熱材料,如CrNi56WMoCoAl和CrNi51WMoTiAlCoVB合金。其擠壓允許溫度[T1]=1060~1140℃,擠壓允許的金屬流出速度[onc]=150~440mm/s,延伸系數μmax=7~9.


對于已經(jīng)由耐熱合金的無(wú)破壞變形條件確定的擠壓溫度一速度區域,還有必要從保證擠壓金屬組織和性能方面做出更明確的規定和限制。



四、加熱溫度對高鎳合金性能的影響


  根據上述情況,對擠壓產(chǎn)品的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察后發(fā)現,將坯料加熱到1040~1140℃,擠壓后的棒材在按照各種合金所采用的制度經(jīng)過(guò)熱處理后,棒材仍有殘余的鑄態(tài)組織,即存在于從棒材表面到中心區的柱狀結晶的方向性和枝晶偏析。當鑄坯加熱到1160~1200℃時(shí),枝晶的不均勻性消除,在后續變形中可得到均勻的細晶組織;加熱溫度為1160℃,延伸系數為4~9時(shí),擠壓出的CrNi60MoWTiAl 合金棒材的晶粒度為5~6級。由于CrNi60MoWTiAl合金主要用于焊接制品,因此要求其原始組織是細晶組織;當該合金及其他合金以延伸系數不大于9擠壓時(shí),坯料的加熱溫度必須限制在1160℃。


 CrNi60MoWTiA1鎳基耐熱合金擠壓棒材經(jīng)熱處理后的顯微組織如圖5-8所示。鑄坯的加熱溫度越低,枝晶組織出現的程度越大,在擠壓時(shí)會(huì )形成粗帶狀組織。隨著(zhù)加熱溫度降低至1120℃.


 擠壓后組織中的偏析量增加;而在1040℃和1080℃擠壓時(shí),縱向試片的帶狀占有很大面積(圖5-8(a)~圖5-8(c)),碳化物偏析區的存在引起晶粒度不均勻(圖5-8(d)~圖5-8(f)),顯然為經(jīng)熱處理后的組織。


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  加熱溫度越高,擠壓時(shí)金屬的變形程度對晶粒大小的影響就越小,CrNi60MoWTiA1合金在擠壓溫度為1120℃,延伸系數分別為4、6和9的擠壓條件下,擠壓出的金屬的晶粒度相同,但組織中偏析帶的數量和尺寸有本質(zhì)不同(圖5-8(g)~圖5-8(i))。


  熱處理溫度低于1150℃時(shí)(如CrNi60MoWTiAl合金在1130℃淬火),不能充分地消除組織中的偏析帶(圖5-8(d)~圖5-8(f));在低溫(1040~1080℃淬火)或延伸系數不大(μ<3)的情況下對金屬進(jìn)行擠壓,將得到不均勻組織,導致擠壓產(chǎn)品的力學(xué)性能不穩定。


 CrNi55WMoTiCoAl和CrNi51WMoTiAlCoVB合金的擠壓棒材性能測試結果見(jiàn)表5-2.


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 由表5-2可知,CrNi55WMoTiCoAl和CrNi51WMoTiAlCoVB合金的擠壓棒材的性能基本滿(mǎn)足標準要求,但在溫度為1060℃時(shí),CrNi51WMoTiAlCoVB合金的部分擠壓試樣的塑性指標未能滿(mǎn)足標準要求。


 必須指出的是,在較低溫度(1060~1080℃)下擠壓出的棒材比在1120~1160℃擠壓的棒材具有更低的抗持久負荷的能力,其試驗結果也更分散。這就是以上所指出的組織不完善的結果。


  因此,在一定溫度范圍內,耐熱合金擠壓時(shí)不會(huì )發(fā)生破壞,其擠壓制品的力學(xué)性能高、組織均勻,而這個(gè)適合的溫度范圍比無(wú)破壞條件確定的溫度范圍小很多。金屬在擠壓溫度-速度關(guān)系曲線(xiàn)區域內擠壓(圖5-7中斜線(xiàn)包圍區域),既能保證金屬的無(wú)破壞變形,又能得到較高力學(xué)性能的擠壓制品。


 但圖5-7僅適合鑄態(tài)金屬的擠壓。當初次擠壓后的鑄坯經(jīng)再次擠壓時(shí),鑄坯的鑄態(tài)組織變?yōu)樽冃谓M織,使得坯料具有較高的塑性,此時(shí)合金合適的擠壓溫度一速度變形范圍將會(huì )明顯擴大。