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【摘 要】GH1040合金丝中的夹杂物主要产生于中频感应熔炼和浇注过程。其内生夹杂物主要为Al203和TiN。夹杂物在材料的横纵截面分布不均匀，黑色点絮状的夹杂物为Al203，尺寸较小，约2um以下。单个金黄色TiN夹杂物呈外形规则、具有棱角的块状，尺寸在2um以下。方形夹杂物TiN在样品的横截面上有的与黑色夹杂物Al203复合在一起，有的是多个方形夹杂物TiN聚集在一起形成尺寸更大的夹杂物。尺寸很大，在纵截面上可看出方形夹杂物TiN经过压力加工后发生碎裂，聚集成链状。结合熔炼工艺作者提出了如何减少夹杂物产生的具体措施。
【关键词】GH1040 夹杂物 Al203 TiN
GH1040合金为固溶强化型铁基高温合金。主要用于800℃以下的燃烧室、和700℃以下的涡轮盘，轴和紧固件[1，2]。GH1040合金熔炼通常采用中频感应熔炼。非金属夹杂物主要来源于合金的冶炼和浇注过程，按其形成原因可分为两大类：内生夹杂物和外来夹杂物。目前无论何种冶炼方法炼出的合金，总存在或多或少的夹杂物，不可能完全消除。合金中夹杂物的绝大部分属于内生夹杂物。文献资料表明[3，4，5]非金属夹杂物的数量和类型对合金的强度、塑性及断裂韧性等都有极大影响。随着对合金质量要求的日趋严格，进一步降低合金熔液中夹杂物含量已成为当前冶炼的主要目的之一。本文采用光学金相显微镜、电子探针等手段分析了GH1040合金中存在的非金属夹杂物，分析了其夹杂物来源，并提出结合熔炼工艺来减少此类夹杂物的建议。
1 实验方法与材料
GH1040合金丝经中频感应熔炼-锻造-轧制-拉拔工艺试制。熔炼和浇注过程是产生夹杂物的主要来源，新坩埚熔炼前用同种材料或纯铁进行洗炉，辅助小料（渣料和铝石灰）在使用前要进行烘烤。熔炼前可在炉底先铺适量渣料，大功率送电熔化，见钢液及时盖渣。加强精炼温度期间的脱氧，脱氧剂加入后，待渣与脱氧剂反应一定时间后再轻轻点渣，坚持少量、多批、轻点的原则。渣白后加入中间合金，白渣保持时间在8min左右，炉中取样进行化学成分分析，成分合格后控制好出钢温度，采用下注法浇注成铸锭，因为下注法浇注更有利于渣的上浮。铸锭经锻造成方坯，方坯经修磨处理后转入轧制工序轧制成盘条，盘条经拉丝退火等工艺制成Φ4.0mm成品。
2 实验结果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品GH1040进行化学成分分析，分析结果如表1所示。合金的化学成分满足国标要求。
2.2 夹杂物分析
取Φ4.0mm成品GH1040分别进行横纵截面夹杂物分析，分析结果如图1、图2所示。在未经腐蚀的产品表面，横纵截面发现有大量分布不均匀的非金属夹杂物，夹杂物大致可以分为两类：一种是黑色的絮状和点状的夹杂物，另一种是方形夹杂物。黑色夹杂物在合金丝横截面上为弥散分布的颗粒，特点是：尺寸大，数量多，个别大尺寸的夹杂物周围还分布着絮状的小夹杂物，尺寸大约在几个微米到几十个微米，在纵截面上为沿加工方向分布的短棒或颗粒串状。
电子探针分析结果如图3所示。方形夹杂物TiN在样品的横截面上有的与黑色夹杂物Al203复合在一起，有的是多个方形夹杂物TiN聚集在一起形成尺寸更大的夹杂物。方形夹杂物TiN在样品的纵截面上大多数都聚集成链状，只有少数为弥散分布，整体分布不是很均匀，在明场反光条件下，成金黄色。可以从图4的GH1040合金横纵截面金相组织中得以证实。图4（a）为该合金横截面金相组织，金黄色TiN夹杂物呈外形规则、具有棱角的块状，其尺寸为几个微米，在横截面上为随机分布的块状。图4（b）为该合金纵截面金相组织，在纵截面上可看到经过压力加工后这些块已经碎裂，聚集成链状。
3 结果讨论
GH1040合金丝中的Al203夹杂物来源于熔炼过程中选用的铝石灰作为脱氧剂。Al会在脱氧初期与合金熔液中的氧结合生成Al2O3，同时新制坩埚用耐火材料及原材料中含有少量的铝，而铝的脱氧系数又小（10-14），大都会生成Al2O3夹杂，因其密度较小大多数能够从合金中上浮而分离出来。从脱氧工艺来看，这类夹杂物的形成是由于出钢前使用钛进行强脱氧的脱氧产物；同时由于出钢时没有气氛保护，大气中的氮会大量卷入而与合金溶液中的钛反应生成氮化钛，并不断地聚集长大，由于浇注前钢包镇静时间过短而未能使这类夹杂充分上浮残留在合金中。因此在熔炼过程中通过铝石灰来进行脱氧时，要坚持少量、多批、轻点的原则。出钢前可以选择通氩气的保护方式来进行浇注，出钢前保证钢包的镇静时间。
TiN是一种高硬度的脆性夹杂[6，7]，在轧制过程中，这种夹杂物发生碎裂。碎裂TiN中的微裂纹本身就是裂纹源，由于其规则的高硬度的棱角容易产生应力集中，因而也是GH1040合金盘条裂纹产生的主要因素。文献[6]表明在相同的平均尺寸条件下，TiN的危害性比相应的B类氧化物更大。对于脆性氧化物夹杂产生的危害可以通过氧化物夹杂形态控制技术加以解决，但对于钛夹杂的性质却无法通过工艺技术手段加以改变。在GH1040合金中可以采用去钛的脱氧方式，可靠率选择硅钙粉进行脱氧。或者利用真空感应熔炼来保证空气中N元素的较少含量来限制TiN的产生。
参考文献
[1]柳学胜，蔡芳，方炜.电渣母材用GH1040合金的VOD精炼[J].钢铁，2002，37（6）：12-14.
[2]佟健，郑志，宁礼奎等.生产GH1040合金丝时的断丝原因[J].机械工程材料，2009，33（5）：71.
[3]李代锺.钢中的非金属夹杂物.北京：科学出版社，1983，331-339.
[4]孙茂才.金属力学性能.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.
[5]长谷川正义， 竹下一彦.日本金属学会会报，1976，15（7）：46-52.
[6]蒋跃东，薛正良，吴杰，等.82A钢凝固过程中TiN夹杂物析出热力学和动力学[J].武汉科技大学学报，2010，33（4）：359.
[7]高伟，繆新德，成国光，等.轴承钢中TiN夹杂物控制工艺及理论研究[J].安徽工业大学学报，2005，22（4）：686.
【关键词】GH1040 夹杂物 Al203 TiN
GH1040合金为固溶强化型铁基高温合金。主要用于800℃以下的燃烧室、和700℃以下的涡轮盘，轴和紧固件[1，2]。GH1040合金熔炼通常采用中频感应熔炼。非金属夹杂物主要来源于合金的冶炼和浇注过程，按其形成原因可分为两大类：内生夹杂物和外来夹杂物。目前无论何种冶炼方法炼出的合金，总存在或多或少的夹杂物，不可能完全消除。合金中夹杂物的绝大部分属于内生夹杂物。文献资料表明[3，4，5]非金属夹杂物的数量和类型对合金的强度、塑性及断裂韧性等都有极大影响。随着对合金质量要求的日趋严格，进一步降低合金熔液中夹杂物含量已成为当前冶炼的主要目的之一。本文采用光学金相显微镜、电子探针等手段分析了GH1040合金中存在的非金属夹杂物，分析了其夹杂物来源，并提出结合熔炼工艺来减少此类夹杂物的建议。
1 实验方法与材料
GH1040合金丝经中频感应熔炼-锻造-轧制-拉拔工艺试制。熔炼和浇注过程是产生夹杂物的主要来源，新坩埚熔炼前用同种材料或纯铁进行洗炉，辅助小料（渣料和铝石灰）在使用前要进行烘烤。熔炼前可在炉底先铺适量渣料，大功率送电熔化，见钢液及时盖渣。加强精炼温度期间的脱氧，脱氧剂加入后，待渣与脱氧剂反应一定时间后再轻轻点渣，坚持少量、多批、轻点的原则。渣白后加入中间合金，白渣保持时间在8min左右，炉中取样进行化学成分分析，成分合格后控制好出钢温度，采用下注法浇注成铸锭，因为下注法浇注更有利于渣的上浮。铸锭经锻造成方坯，方坯经修磨处理后转入轧制工序轧制成盘条，盘条经拉丝退火等工艺制成Φ4.0mm成品。
2 实验结果
2.1 成分分析
取Φ4.0mm成品GH1040进行化学成分分析，分析结果如表1所示。合金的化学成分满足国标要求。
2.2 夹杂物分析
取Φ4.0mm成品GH1040分别进行横纵截面夹杂物分析，分析结果如图1、图2所示。在未经腐蚀的产品表面，横纵截面发现有大量分布不均匀的非金属夹杂物，夹杂物大致可以分为两类：一种是黑色的絮状和点状的夹杂物，另一种是方形夹杂物。黑色夹杂物在合金丝横截面上为弥散分布的颗粒，特点是：尺寸大，数量多，个别大尺寸的夹杂物周围还分布着絮状的小夹杂物，尺寸大约在几个微米到几十个微米，在纵截面上为沿加工方向分布的短棒或颗粒串状。
电子探针分析结果如图3所示。方形夹杂物TiN在样品的横截面上有的与黑色夹杂物Al203复合在一起，有的是多个方形夹杂物TiN聚集在一起形成尺寸更大的夹杂物。方形夹杂物TiN在样品的纵截面上大多数都聚集成链状，只有少数为弥散分布，整体分布不是很均匀，在明场反光条件下，成金黄色。可以从图4的GH1040合金横纵截面金相组织中得以证实。图4（a）为该合金横截面金相组织，金黄色TiN夹杂物呈外形规则、具有棱角的块状，其尺寸为几个微米，在横截面上为随机分布的块状。图4（b）为该合金纵截面金相组织，在纵截面上可看到经过压力加工后这些块已经碎裂，聚集成链状。
3 结果讨论
GH1040合金丝中的Al203夹杂物来源于熔炼过程中选用的铝石灰作为脱氧剂。Al会在脱氧初期与合金熔液中的氧结合生成Al2O3，同时新制坩埚用耐火材料及原材料中含有少量的铝，而铝的脱氧系数又小（10-14），大都会生成Al2O3夹杂，因其密度较小大多数能够从合金中上浮而分离出来。从脱氧工艺来看，这类夹杂物的形成是由于出钢前使用钛进行强脱氧的脱氧产物；同时由于出钢时没有气氛保护，大气中的氮会大量卷入而与合金溶液中的钛反应生成氮化钛，并不断地聚集长大，由于浇注前钢包镇静时间过短而未能使这类夹杂充分上浮残留在合金中。因此在熔炼过程中通过铝石灰来进行脱氧时，要坚持少量、多批、轻点的原则。出钢前可以选择通氩气的保护方式来进行浇注，出钢前保证钢包的镇静时间。
TiN是一种高硬度的脆性夹杂[6，7]，在轧制过程中，这种夹杂物发生碎裂。碎裂TiN中的微裂纹本身就是裂纹源，由于其规则的高硬度的棱角容易产生应力集中，因而也是GH1040合金盘条裂纹产生的主要因素。文献[6]表明在相同的平均尺寸条件下，TiN的危害性比相应的B类氧化物更大。对于脆性氧化物夹杂产生的危害可以通过氧化物夹杂形态控制技术加以解决，但对于钛夹杂的性质却无法通过工艺技术手段加以改变。在GH1040合金中可以采用去钛的脱氧方式，可靠率选择硅钙粉进行脱氧。或者利用真空感应熔炼来保证空气中N元素的较少含量来限制TiN的产生。
参考文献
[1]柳学胜，蔡芳，方炜.电渣母材用GH1040合金的VOD精炼[J].钢铁，2002，37（6）：12-14.
[2]佟健，郑志，宁礼奎等.生产GH1040合金丝时的断丝原因[J].机械工程材料，2009，33（5）：71.
[3]李代锺.钢中的非金属夹杂物.北京：科学出版社，1983，331-339.
[4]孙茂才.金属力学性能.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.
[5]长谷川正义， 竹下一彦.日本金属学会会报，1976，15（7）：46-52.
[6]蒋跃东，薛正良，吴杰，等.82A钢凝固过程中TiN夹杂物析出热力学和动力学[J].武汉科技大学学报，2010，33（4）：359.
[7]高伟，繆新德，成国光，等.轴承钢中TiN夹杂物控制工艺及理论研究[J].安徽工业大学学报，2005，22（4）：686.