一种哈氏合金B3弯头成型工艺的研究

董健

摘要：对哈氏合金B3的材料特性进行了简要介绍，对哈式合金B3弯头采用压制成形及推制成形材料用量进行对比，采用薄壁焊管进行推制成形工艺进行试验。结果表明采用薄壁焊管推制弯头的成型方式，弯头的成形质量完全满足标准要求，加工工艺简单且材料使用更节约。望以此作为薄壁焊管推制弯头成形的有效参考。

关键词：哈氏合金B3;弯头;焊管;推制成形

0  引言

哈氏合金为美国哈氏公司研制的系列合金超材料。哈氏合金中下分的子种类众多，其中较为常用的是B2、B3、C276、C22等。哈氏合金的对盐酸、醋酸、硫酸等还原性介质或氧化性介质，均具有十分显著的抗腐蚀能力。因此，哈氏合金在化学工业、纸浆和造纸、烟气脱硫、海水环境、垃圾处理、电子行业等领域，都得到了广泛的应用。近年来哈氏公司新研制出的B3合金，是在哈氏合金B2的基础上改进的新材料，提高了材料的热稳定性，从而提高了耐蚀性能，改善了热成形与冷成形性能，相比B2合金又有了一个大的超越。目前B3合金材料还在专利保护期，只有哈氏公司可以生产，价格更为昂贵，因此在设计时管道、管件壁厚较薄，也对弯头的成型工艺提出了更高的要求。

本文对哈氏合金B3弯头的不同的成型工艺进行对比、研究分析，并进行试验，找出了一种既节约材料又可靠的哈氏合金B3弯头加工工艺成形方法。

1  材料性能

哈氏合金 B3（UNS No.N10675）是一种以镍、钼、钴等元素组成的镍基高温合金，含镍量大于65 %，镍钼总含量为94%-98%，主要力学性能见表1[1]。

哈氏合金B3的成形加工特性主要有[2]：

（1）哈氏合金B3的常温延伸率为40%，这一数据说明其塑性较好，非常有利于冷加工。

（2）材料冷加工后才生硬化现象，最直观的体现是表面硬度升高，塑性降低，再次加工容易产生裂纹缺陷，说明其加工必须连续性，不可中断，若中断，必须对材料进行固溶退火处理，恢复其力学性能，才可以进行加工。

（3）哈氏合金B3在高温下对氧化性介质及硫、磷、铅及其他低熔点金属十分敏感。

（4）在600～800℃区间，长时间加热哈氏合金B3会产生脆性相，导致延伸率降低，而且在此温度区间外力或变形受到限制时，容易发生热裂纹。因此在热处理时或采用热成形时，避开此温度区间，应控制在900℃以上。

2、弯头压制成形工艺与推制成形工艺对比

对于1.5D标准弯头成形方式常规有两种，分别为管道推制成形和扇形片压制成形。根据对加工单位调查，对于公称直径不大于DN450的弯头，两种成形工艺加工费用相近。对于哈氏合金B3弯头，大于DN100的弯头都是采用板材压制成形工艺。压制工艺相对简单对厚度没有苛刻的要求，但是压制成形工艺有一个很大的缺点，就是材料利用率较低，材料利用率在80%左右，会产生较多的边料，只能作废料处理。而推制成形工艺是先卷制成管道，没有切割边料，材料利用率为100%。在采购材料重量上相对于压制成形工艺节约10%～30%的材料，对于哈氏合金B3这种昂贵的材料，成本会有很大程度地降低。另外，推制成形工艺的焊管一般采用等离子焊接，不需要填丝，节约焊接材料。

以弯头90EL DN250为例，哈氏合金B3材料厚度为4.78mm的弯头压制成形工艺与推制成形工艺用料重量进行对比，见表2。

3  弯头推制试验

根据在制合同的规格，选取δ4.78 的ASME SB333 N10675 的板材为弯头成形进行试验。弯头的规格为：90EL DN250-4.19，数量2件。

3.1 管道的成型

按照弯头的规格、数量，所需要的管道尺寸为φ273×4.78，长度1540mm，下料尺寸为δ4.78×844×1540mm，折制后管子外径为φ274-φ275mm，成形时使外模可以与管子贴得更紧，减小成形过程出现褶皱的风险。

3.2 成形前准备

（1）把管道切割成需要的形状及尺寸。哈氏合金B3很硬，采用锯床切割效率较低且锯条的损耗较大，因此采用等离子的切割方式进行切割，必须将切割的端口的氧化渣、毛刺等打磨去除干净，防止在外力作用下产生裂纹缺陷。由于管道的直径比磨具大，若焊缝余高过高会使此处产生凹陷缺陷，需要将焊缝余高打磨至母材齐平。

（2）切割后的管道进行固溶热处理。由于哈氏合金B3在高温下对氧化性介质及硫、磷、铅及其他低熔点金属十分敏感，所以在热处理前需要对管道进行酸洗处理，并且采用电加热炉进行固溶热处理。先空炉加热至1080℃，将工件快速进炉，再进行快速升温至1080℃，保温大于等于15分钟，出炉水冷，表面有一层很厚的氧化层辅以酸洗去除。

（3）管道表面涂润滑剂。成形过程管道与模具之间会有很大的摩擦，也会对管道表面划伤，为了减小摩擦，保护管道表面，就需要在管道表面涂润滑剂。将管道直接浸在装满润滑剂容器中，来回并摆动约30秒钟，取出后进行晾干处理。

3.3 推制成型

由于管材中空特点，推制成形过程中内外侧壁厚会发生变化，且易引起其横截面形状的改变，易出现推头皱褶、外侧端口开裂、内侧壁失稳起皱、截面变形等成形缺陷。需要采取相应的措施来避免产生以上的缺陷。

（1）根据管道的壁厚及工艺要求选取不同规格的芯棒。管子与芯棒之间的间隙大了，推制时内弧易产生褶皱，外弧则会出现凹陷缺陷，间隙小了加大了阻力，推导端承受的推力就越大，易发生皱褶。综合考虑，此次试验选取的芯棒直径比管道内径小3mm。

（2）控制推导端进给的速度。变形的过程也是晶格发生了位移，晶格在金属内部流动的过程，管道壁厚较薄，也是晶格流动的截面较小，为了保证晶格在金属内部流动的顺畅，就需要更长的时间，若速度过快，易产生褶皱、撕裂等缺陷。

（3）观察推头是否出现皱褶。成形过程中应时刻注意管道推导端的变形状态，非常重要，是推制成功与否的关键。每推进约1/8长度时，将上模具抬起，退出推杆，观察并用手触摸检测管道推头端是否出现皱褶。若出现皱褶应立即停止推制，卸下工件作一次固溶热处理，校形后进行二次推制成形。

（4）成品的检查。对弯制结束的弯头进行外观检查，大弧侧存在局部凸起是由于模具在推制过程存在位移造成，其余表面光洁，弧度光滑，无开裂、皱褶缺陷，局部凹陷等缺陷。再对弯头表面进行喷丸、酸洗处理，去除表面润滑剂，内外表面整体PT检测无任何缺陷。

4、结论：

（1）通过此次的推制試验，可以确认哈氏合金弯头可以采用固溶热处理后的焊管进行推制成形。

（2）哈氏合金B3材料的加工硬化现象，使推导端优先受到推力，在推力作用下，使此处的材料更加坚硬、不易变形，从而避免了在推制过程中出现褶皱缺陷。

（3）按照此工艺对哈氏合金B3材料，规格为90EL DN300-4.57，共17件弯头进行推制成形，成品未发现任何问题，相比压制成形方案节省约160Kg材料。

（4）对于此次B3弯头的推制成形成功的经验，对于其他形式B3管件成型提供了经验支撑，起到引导作用。

参考文献

[1] ASME BPVC 2019 SECTIONⅡ MATERIALS Part B：Nonferrous Material Specifications SB-333 Specification for Nickel -molybdenumAlloy Plate，Sheet，and Strip[S ]

[2] 卢广贤，夏崇华，刘 丰. 哈氏合金 B3 材料成形加工工艺方法[B]. 压力容器，2012（29）：48-51. DOI：10.3969/j.issn.1001-4837.2012.01.009.