Inconel600的熔炼中的脱氧与脱硫

马利国，丁五洲，李 林

(宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

Inconel600的熔炼中的脱氧与脱硫

马利国，丁五洲，李 林

(宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)

通过对高温合金Inconel600熔炼工艺的研究探讨，并对真空熔炼 (VIM)、感应炉熔炼 (IM)和电渣重熔 (ESR)过程中除气、除杂的原理及方法具体分析，特别是对O、S以及低熔点杂质元素控制进行深入的探讨，研制合适的熔炼工艺.

Inconel600;真空熔炼;感应炉熔炼;电渣重熔

Inconel600合金属于Ni－Cr－Fe型镍基高温合金.它具有优良的耐蚀性能和抗氧化能力，广泛应用于化工、航空、核工业等部门.可应用于航天航空发动机，各种工业燃气轮机，以及火箭发动机用的各种高温零部件，比如，发动机的涡轮盘、轴、喷管等.此外，还应用于石油化工，冶金工业，交通运输等方面，比如输油管道，化工用管［1］.

Inconel600合金是一种稳定的奥氏体固熔合金，组织基体为γ奥氏体，对于该合金来说，影响合金的热加工塑性最重要的因素是O、S以及低熔点杂质元素.

氧在高温合金Inconel600中存在形态为固溶态及氧化物夹杂，这些氧化物夹杂通常是疲劳裂纹的萌生及扩展通道，从而影响Inconel600的蠕变断裂性能与瞬间拉伸和冲击性能以及持久强度等性能.如Al、Ti等活泼金属均与O有很强的亲和力，生成Al2O3、TiO2等夹杂物，这不仅减弱了强化元素Al、Ti等的强化作用，而且成堆成串的夹杂物使合金低倍组织上出现带状和发纹等缺陷，纵向高倍出现细晶带状，影响合格率，当含量较高时，严重降低合金的蠕变断裂性能［2］.

硫在高温合金Inconel600中偏析到晶界或相界，并使晶界和相界弱化，当硫的质量分数较高时，易于生成Y相.Y相是一种硫碳化物，化学表达式为M2SC，是一种有害相，降低合金的韧性裂纹沿Y相边缘产生和扩展.随着S质量分数的增加，Y相析出温度升高，数量增多，危害性增大.硫主要偏析到枝晶间，促进Nb的偏析，使枝晶轴中的Nb更多的向枝晶间扩散并在Laves相相富集.Laves相也是一种有害相，降低强度，它本身又是一种脆性相，相界也是裂纹升核和扩展的源泉.S阻碍合金凝固，影响凝固过程，促进元素偏析和有害相析出.当硫的质量分数达到2×10－5时，在400～1 050℃的温度范围内，其塑性急剧下降，在800～1 000℃之间达到最低值，出现所谓的“硫脆”现象［3］.

由于Inconel600在国内研制工艺并不成熟，成品率较低.而熔炼又是研制工艺的基础，熔炼的好坏直接影响到成品的性能，以及后续的塑性加工.因此，对高温合金Inconel600的熔炼进行研究具有非常重要的意义，合适的熔炼工艺不仅为后续的塑性加工省去麻烦，更带来可观的经济效益.Inconel600合金成分(ASTM B168)见表1.

表1 Inconel600的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compostion of Inconel600(mass fraction) %

1 真空熔炼

攀长钢在1991年就采用真空感应熔炼，研制出 Inconel600，而且锻造塑性良好［1］，因此真空感应熔炼仍然是Inconel600的主要熔炼工艺之一.一般真空感应熔炼炉的坩埚采用电熔镁砂和硼酸筑成，中科院金属研究所最新研究表明，采用CaO坩埚对镍基高温合金除硫和除氧具有很好的效果［4］，但是坩埚的使用寿命也并不乐观，目前不太适合大规模工业生产.

真空感应炉在高真空下，可以有很好的脱气效果，其脱氧途径有去除氧化膜脱氧、沉淀脱氧和真空下碳脱氧.沉淀脱氧就是向金属中加入对氧亲合力比铁大的元素(脱氧剂，比如C、Al、Si－Ca等)，使之与金属中溶解的氧结合成不溶于金属的氧化物或复合氧化物而析出.而在低压的情况下，C的脱氧效果是常压下脱氧的100多倍.这是由于碳氧反应生成的CO气体，随着真空泵的不断工作，被不断抽出炉外，使化学反应不断朝着生成 CO 方向进行［5］.

式中，pCO为CO的分压，fC和fO为C和O的活度因子.

此外，在碳氧反应时，由于沸腾的作用，还可以起到脱氮的作用.当碳氧达到相对平衡后，加入一定的Al块可以进一步脱氧.

真空脱氧主要发生在熔化期，对镍基合金熔清时脱［O］率可以达到40% ～70%［5］.精炼是十分重要的一个过程，不仅可以使成分均匀化，还是继续除杂质、除气的重要过程.精炼温度高和保温时间长可以加速碳氧反应的进行及微量有害杂质的挥发.但温度过高或时间过长会加剧坩埚供氧反应，使金属中的氧质量分数反而上升.所以应根据合金的要求控制精炼期的温度，时间和真空度.

真空感应熔炼没有加入炉渣，因此不能采用扩散脱硫的方式进行脱硫，一般可以采用一些与硫亲和力比较大，而且能够生成高熔点，低密度，与inconel600熔体界面张力大、且易于上浮的硫化物或者产物为高度弥散的硫化物的脱硫剂［5］，常用的有Si－Ca或脱硫剂(Ca、La)进行脱硫

其中Ca的加入一般都是在最后才加入，其终产物为CaS和氧硫化钙或钙酸盐的复合物，在合金液中极易上浮而被除去，即使有少量残留，也由于它们在变形过程中始终保持球形，不仅不会对合金性能造成不利影响，有时还消除合金的各向异性性能［4］.

2 非真空熔炼

Inconel600合金在非真空状态下进行熔炼，最大的弱点就是气体和有害杂质元素不能像高真空状态下那样得到挥发和去除，必须采用各种手段使用各种添加剂才能有效地控制气体和有害杂质元素.

对于在非真空下脱氧，一般采用沉淀脱氧和扩散脱氧.脱氧剂一般为Ca－Si粉和铝石灰粉.所谓扩散脱氧是指当合金和渣为两个互不相溶的液相时，合金液中的氧活度大于与渣平衡的数值时，合金中的氧就会不断向渣中扩散.因此在精炼过程中，应不断向渣中加入铝粉或萤石粉以便降低渣中氧的活度，使合金液中的氧不断向渣中扩散.而对于沉淀脱氧一般采用较强的脱氧剂.比如Al块、Ni－Mg、Si－Ca或稀土元素等.沉淀脱氧是利用与氧亲和力比Inconel600合金大的元素把合金中的氧夺取过来.其脱氧反应为［5］

而生成的这些反应产物，几乎都不溶于合金液.而且它们的相对密度小，因此从合金液上浮而被除去.

3 电渣重熔

一般的电渣重熔都是在大气中进行的，因此，电渣重熔中的除气相对也是比较困难的，选择合适的渣系是Inconel600消除有害杂质元素的关键.

目前，对于Inconel600所选用的渣系一般为二元渣或四元渣.一种是采用 CaF2、Al2O3、CaO、MgO四元渣系，加铝粉脱氧保护电渣重熔;另外一种采用CaF2、Al2O3二元渣系，加铝粉和Ca－Si粉综合脱氧保护电渣重熔.

电渣重熔中脱硫的方式一般有两种［5］:一种就是靠熔渣的高碱度进行脱硫，碱度越高，其脱硫效果越好，而Inconel600主要靠 CaF2－Al2O3渣系的气化脱硫.现在有一种电化学的方法也可进行脱硫，就是以直流正接电源(电极为正极)，而且脱硫效果也比较好.

电渣重熔满足脱硫的3个条件:高碱性渣、高反应温度、反应界面大(150 300 m2/t)［5］.此外，脱硫的产物是气体、能及时脱离反应区，从而保证了反应总是向脱硫反应进行.

另外，渣中大量的CaF2还能产生SF6气体.SF6能及时进入气相逸出，渣池中不发生硫化物富集，渣池始终保持较高的脱硫能力.

对于去除氧和氧化物夹杂，在电极末端金属熔滴形成阶段和熔滴通过渣层过渡阶段，由于渣和金属充分接触，使夹杂物被熔渣吸收而被除去.为了进一步减少氧的质量分数，出现了保护气体电渣重熔和真空电渣重熔技术.

值得一提的是在电渣重熔中的渣系中容易出现不稳定氧化物，如SiO2等，其对塑性加工影响比较大，特别是电渣重熔初期，渣中的SiO2被还原，使锭底部的Si质量分数高，即电渣锭的大头，导致锻造塑性特别差，甚至出现直接裂断现象.例如表2所示.

由表 2可以看出，Si的质量分数对Inconel600的锻造塑性有很大的影响，因为像Si这种夹杂会使电渣锭的晶界和晶内都会有片状σ相形成，成为裂纹产生和扩展的通道.

表2 电渣锭锻造情况与Inconel600合金成分质量分数的关系Table 2 Relationship between the forging condition of ESR ingots and content of the element Inconel600%

4 结语

(1)感应熔炼(VIM)中，添加C进行碳脱氧，然后加入Al进行脱硫和进一步脱氧.

(2)在非真空感应熔炼(IM)中，主要靠Ca－Si粉和铝石灰粉以及 Al块、Ni－Mg、Si－Ca或稀土元素进行扩散脱氧和沉淀脱氧.

(3)电渣重熔(ESR)中，通过高碱性渣、高反应温度、反应界面大的渣系将S、O进一步去除，并将氧化物夹杂均匀地分散在熔锭中.

应该根据其合金的要求选择合适的熔炼工艺，以便得到符合要求的Inconel600合金.

Inconel600合金的熔炼工艺主要为非真空感应熔炼(IM)+电渣重熔(ESR)或真空感应熔炼(VIM)+电渣重熔(ESR)，为了满足更高要求的Inconel600，又出现了三联非真空感应熔炼(IM)+真空感应熔炼(VIM)+电渣重熔(ESR)，但其除气和除杂原理也不相同.

［1］陈开忠.GH600 合金试制研讨［J］.特钢技术，2004，9(38):3－6.

［2］王建明.镍基高温合金真空感应熔炼脱氧［J］.材料与冶金学报，2003，2(3):177 －180.

［3］李守军.GH690镍基高温合金的脱硫［J］.钢铁研究学报，2003，15(7):317 －322.

［4］牛建平.镍基高温合金的脱硫与脱氧［J］.新技术新工艺，2002，2:32 －33.

［5］郭建亭.高温合金材料学［M］.北京:科学出版社，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.

马利国 (1986—)，男，山东金乡人，大学本科，E－mail:ma.liguo.sd@gmail.com.