核电用钴基高温合金SG6冷拔材研制

摘 要：本文研究的钴基高温合金SG6冷拔材用于核反应堆控制棒驱动机构钩爪及圆柱销，通过不同固溶制度、不同冷拔减面率进行拔制，充分试验后，积累大量试验数据，摸索出合理可行的生产工艺，进行批量生产，经双方共检：各项指标（包括表面、尺寸、组织、性能）完全满足技术标准要求，取得了成功，为以后生产打下坚实基础。

关键词：SG6；固溶；冷拔；减面率；性能

1 前言

SG6合金是Co-Cr-Ni基固溶强化型变形高温合金，类似于国内牌号GH605，具有优良的抗热疲劳、抗氧化性能，具有满意的成型和焊接性能。通过冷加工硬化进一步提高强度，用来制作高强度，高温紧固件。本文研究不同固溶制度及不同冷拔减面率对SG6合金组织和性能影响，摸索出最佳工艺，满足用于核反应堆控制棒驱动机构钩爪及圆柱销各项技术指标要求，积累数据，为以后大量生产提供依据。

2 试验过程

试验材料采用真空感应+电渣重熔的Φ360mm锭，经锻锤开坯，轧钢开坯，轧制Φ14+0.3坯料，坯料经矫直、滚光、磨光，最终磨至Φ13.50冷拔坯料，超声波探伤合格，其化学成分见表1。

表1 SG6合金化学成分

坯料标准要求固溶后晶粒度细于4级，然后经草化，皂化，在抚钢冷拔分厂20t双链式冷拔机上进行冷拔，标准要求最后一道冷拔的减面率必须控制在15%以内，最终冷拔后成品尺寸：412.0±0.6，冷拔后不进行任何热处理，冷拔后室温性能指标见表2。

表2 SG6合金室温性能指标

取1支料，作为试验料，在其上切取多段试样进行固溶处理，处理后按GB/T 6394方法检测 晶粒度，并在横截面1/2半径处测试洛氏硬度HRC，见表3。

表3 SG6合金坯料各固溶制度晶粒度变化

根据表3的试验结果，为确保后续冷拔性能，综合考虑，最终坯料选用1180℃*40min，空冷进行固溶处理，取两支长料进行草化、皂化，然后在两支长料切取多段长度为400mm冷拔坯料在抚钢冷拔分厂20t双链式冷拔机上按不同减面率将试验料冷拔成材，本次试验共采用了8种不同变形工艺，具体变形工艺和室温拉伸性能检验结果见表4，其中代号3经过两次连续冷拔，中间未经过固溶处理，代号5、代号8经过两次冷拔，中间进行一次固溶处理。

所有拉伸性能试样采用标距为25 mm，工作部分直径为6mm，夹持端为M12带螺纹的规定比例试样。在GWS-100型拉伸试验机上进行，拉伸速率在弹性范围内设定3mm/min，冷拔后棒材取横向硬度试样，经砂轮磨光、砂纸抛光后，在试样横截面1/2半径处用TH-300型洛氏硬度计测试横向硬度，每组测试3个试样，所得数据取平均值，试验结果见表4。

表4 SG6合金冷拉棒材各变形工艺和室温性能

3 试验结果与讨论

3.1 不同工艺固溶后试样晶粒度及硬度变化

表3显示不同工艺固溶后SG6合金坯料晶粒度及硬度变化情况，可以看出，随着固溶温度提高，晶粒急剧长大，硬度下降，软化效果明显提高，固溶时间变化对晶粒度及硬度变化影响不是很明显，坯料要求固溶后晶粒度细于4级，只有表3中代号1、代号2固溶处理，即固溶温度为1180℃，保温时间分别为30min、40min，冷却方式为空冷的满足标准要求，固溶后晶粒度情况见图1，存在大量孪晶。

3.2 不同冷拔减面率对合金室温性能的影响

合金在冷塑性变形过程中，随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，塑性、韧性下降，产生加工硬化，尤其是合金在冷拔过程中，加工硬化比较显著，这是由于冷拔塑性变形使合金内部产生大量的位错和空位，并使原子在晶格中偏离其平衡位置，使晶格发生畸变和紊乱，有些晶粒被破碎成许多小晶粒，给进一步变形带来困难，需要加大外力，表现为合金的强度提高和变形阻力增加。

为进一步分析冷拔减面率与冷拔工艺对合金试样室温性能的影响，对表4中试验样品进行分组，代号0代表试样是经过固溶软化处理的冷拔坯料，其余8组试样的试验结果分成三类进行比较分析，设第一类为代号1、代号2、代号4和代号6都经过一次冷拔，但冷拔减面率是逐步增加的；第二类为代号3，经过两次连续冷拔，中间未经过热处理，代号8也是经过两次连续冷拔，但中间经过1次固溶软化处理，冷拔减面率是逐步增加的；第三类为代号7、代号5分别代表经过1次冷拔，2次冷拔，但具有同的减面率。

对于第一类试样，从图2可以看出，随着冷拔减面率的增加，SG6合金强度提高，屈强比Rp0.2/Rm值也随之增加，硬度也随之升高，塑性下降，即冷拔塑性变形过程中产生了加工硬化，这是金属冷塑性变形重要特征之一。同时也发现SG6合金增大冷拔减面率，冷拔后性能潜力很大，但冷拔减面率为11.6%，屈强比Rp0.2/Rm为0.83值已超出0.5-0.7范围，洛氏硬度HRC值为38.8，也已超出HRC= 31-38范围，因此，冷拔减面率不易过大。

对于第二类试样，其相应的抗拉强度(Rm).屈服强度(Rp0.2)、塑性指标(伸长率A和面缩Z)试验数据见表4，从试验结果看出：虽然都经过两次连续冷拔，但是中间经过1次固溶软化处理，再继续冷拔，强度远远低于中间未经过固溶软化处理而连续冷拔的，并且塑性提高。这是由于金属经过冷塑性变形后，产生加工硬化，使金属处于一种热力学不稳定的亚稳状态，并有自发向稳定状态转变的趋势。如果中间增加1次固溶软化处理，使得冷变形后金属内部原子获得足够能量，以克服亚稳状态与稳定状态之间的能垒，这时金属向稳定状态转变，即发生静态回复和静态再结晶而产生软化，后续随着冷变形减面率的增大，合金的回复和再结晶驱动力增大。

对于第三类试样，从表4可以看出，代号5与代号7虽然具有相同的冷拔减面率，但是代号5经过两次冷拔，中间经过1次固溶软化处理，相比代号7经过1次冷拔，中间未经过固溶软化处理，对比发现伸长率随着冷拔次数的增多而提高，况且中间经过一次固溶软化处理，以使第一次冷拔形成的变形晶粒完成回复与再结晶，另外，在冷拔过程中，在总的减面率相同的情况下，适当增加冷拔变形次数，减少每次冷拔变形减面率，可使变形过程中拉长晶粒沿轴向得到恢复，可以促进合金从外到内各部位均匀变形，减小在拉伸过程中产生应力集中而造成裂纹的倾向，促进塑性的改善。因此，SG6合金最终成品采用代号5变形工艺，经过两次两次冷拔，中间增加1次固溶软化处理，满足冷拉减面率不超过15%要求，并且性能完全满足标准要求。

4 结论

(1)SG6合金坯料用1180℃*40min，AC进行固溶处理，塑性良好，硬度较低，且晶粒度满足标准要求。

(2)SG6合金冷拔后性能潜力很大，并且随着冷拔减面率的增加，SG6合金强度提高，屈强比及Pp0.2/Rm值也随之增加，硬度也随之升高，塑性下降，为确保性能，冷拔减面率不易过大。

(3)拔制两次成型，中间增加1次固溶软化处理，满足冷拔减面率不超过15%要求，相比两次连续冷拔及1次冷拔成型，可使强度下降，塑性得到改善，经双方共检，各项指标（包括表面、尺寸、组织、性能）完全满足技术标准要求。