不同成形厚度對奧氏體不銹鋼封頭組織和性能的影響

簡添福,李暉榕,郭志賢

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院,漳州 363000)

標準橢圓形冷沖壓封頭具有加工工藝簡單、產品精度高、表面質量好、承載能力強等優點,被廣泛用于制造容器[1-2]。在封頭成形的過程中,鋼板中心至邊緣不同區域所受應力不同,經歷的變形過程也各不相同,封頭的壁厚、組織及性能存在著規律性變化[3]。

S30408等亞穩態奧氏體不銹鋼封頭成形后,在發生塑性變形時,極易產生形變并誘發馬氏體相變,材料的強度、硬度異常升高,塑性、韌性明顯下降[4],且易出現磁性、開裂等問題[5-6],不利于壓力容器的安全使用。盡管相關文獻對單種規格不銹鋼封頭的成形工藝及其對性能的影響有較廣泛研究[7],但不銹鋼封頭不同成形厚度對其組織、性能影響方面的研究較少。因此,筆者研究了不同成形厚度對成形后奧氏體不銹鋼封頭的壁厚、組織變化及性能的影響,以在冷沖壓不銹鋼封頭的質量控制與使用安全性方面提供理論指導。

1 橢圓形封頭的化學成分分析和成型工藝

采用奧氏體不銹鋼(S30408)鋼板為原材料,冷沖壓成形工藝為:材料復驗→剪切下料→模具落料→模具壓型→切邊→修磨去毛刺→尺寸測量→組織性能檢測。

1.1 化學成分分析

為保證試驗用不銹鋼鋼板材料符合標準要求,采用全定量直讀光譜儀對試驗用的厚度分別為4.0,6.0,8.0 mm 的原材料鋼板進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:3種規格鋼板材料的化學成分符合GB/T 24511—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》的要求。

表1 3種不同規格原材料鋼板的化學成分分析結果 %

1.2 成形工藝

規格為500 mm×4.0 mm(內徑×壁厚,下同)和500 mm×6.0 mm 的封頭為一次壓制成形,規格為500 mm×8.0 mm 的封頭為二次壓制成形。成形后封頭實物及剖面如圖1所示。

圖1 冷沖壓成形封頭實物圖及剖面示意

2 不同成形厚度對封頭壁厚的影響

橢圓形封頭的冷沖壓工藝是拉延與壓縮的過程,中心至直邊段各區域所受的應力應變不同,成形過程伴隨著壁厚的減薄與增厚,成形后封頭各區域壁厚出現部分減薄或增厚。壁厚變化量的公式為:增厚量=成形后實測厚度-封頭材料厚度,采用超聲波測厚儀對3種不同成形厚度封頭進行測厚。封頭各區域壁厚的減薄或增厚量變化如圖2所示。

圖2 3種不同成形厚度封頭各區域壁厚減薄或增厚量變化

由圖2可知,對于3種不同成形厚度的封頭,沿頂部中心點至直邊段的壁厚均表現出先減薄后增厚的現象,變化趨勢基本一致,壁厚變化由減薄轉變為增厚的拐點均出現在過渡段距中心點240 mm 的位置。板料的沖壓成形屬于拉伸過程,是彈性變形向塑性變形轉變的過程,各部位的受力情況為:板料中心部位受拉伸應力;圓弧過渡部位受徑向拉伸應力、切向壓縮應力及彎曲應力;邊緣部位因沖頭向下的壓力,承受徑向拉伸應力,且與徑向拉伸應力垂直作用的方向上產生切向壓應力,在厚度方向上受壓應力。在上述應力的作用下,板料金屬在成形過程中呈向直邊段流動的趨勢,結果表現為壁厚在封頭中心至過渡段減薄、直邊段增厚。

對于不同的成形厚度,其壁厚增厚量又有差別,由中心點[圖1b)中A點位置]至過渡段距中心點240 mm 的位置[圖1b)中的B點位置],8.0 mm 厚封頭的壁厚減薄量小于4.0 mm 和6.0 mm 厚封頭,相對應的直邊段壁厚增厚量(0.11 mm)也小于另外兩種規格(兩者增厚量均為0.2 mm)。分析認為,8.0 mm厚封頭因兩次壓制成形,在一次成形與二次成形之間,存在一定的應力釋放過程,壓制過程中產生的上模沖頭的拉伸應力及徑向拉伸應力相對較小,相應的壁厚減薄量也較小,流動至直邊段的板料金屬隨之減少。因此,8.0 mm 厚封頭的壁厚由中心至直邊段的減薄或增厚量也相對減小,而4.0 mm 和6.0 mm厚封頭屬于一次成形,中心部位和小曲率部位所受拉伸應力較大,金屬流動量較大,壁厚減薄較為嚴重,對應的直邊段壁厚增厚量則相應增大[8]。

為驗證上述結果,對3組封頭試件不同區域的組織及性能進行試驗分析。

3 不同成形厚度對組織的影響

根據成形后封頭壁厚變化量的試驗結果,僅選取4個具有代表意義的位置點研究厚度對組織的影響,具體為封頭頂部中心點(A點)、壁厚變化出現的拐點(B點)、小曲率部位(C點)和直邊段(D點)。

3.1 馬氏體相變量

α′相馬氏體相變量采用鐵素體數(FN)進行表征,通過鐵素體測定儀測量FN 的具體數值。采用鐵素體測定儀測量奧氏體不銹鋼封頭成形后外表面的FN,進而表征外表面馬氏體相變量的大小。表2為不同成形厚度對應4個位置的馬氏體相變量。

表2 不同成形厚度對應4個位置的馬氏體相變量

由表2可知:3組試件的馬氏體相變量中心點至直邊段出現增加的趨勢,在小曲率部位出現較大幅度增加,至直邊段區域急劇增加至最大值;在直邊段區域的馬氏體相變量卻呈現出一定的差異,8.0 mm 厚封頭直邊段的馬氏體相變量為27.3,小于4.0 mm 和6.0 mm 厚封頭的馬氏體相變量51.0和32.2。

3.2 金相檢驗

根據FN的測量結果,得出奧氏體不銹鋼封頭冷沖壓成形后有馬氏體存在,特別是封頭直邊段最為顯著。利用光學顯微鏡分別對3組不同成形厚度的不銹鋼封頭直邊段及原材料鋼板進行金相檢驗,侵蝕劑選用硝酸+鹽酸+甘油混合液(體積配比為1∶4∶3),侵蝕時間為30 s～5 min,結果如圖3所示。

圖3 不同成形厚度不銹鋼封頭直邊段厚度截面的顯微組織形貌

由圖3可知,原材料鋼板顯微組織形貌為典型的等軸奧氏體+孿晶。3種不同成形厚度封頭的FN最大直邊段均發生了不同程度的馬氏體相變,均為奧氏體+形變誘發相變形成的板條狀馬氏體組織。但相變馬氏體含量存在一定差異,4.0 mm 厚封頭相變的板條狀馬氏體含量最多,8.0 mm 厚封頭仍存在完整的奧氏體,相變形成的板條狀馬氏體也相對最少。8.0 mm 厚封頭采用的是二次成形工藝,由中心向邊緣的金屬流動量較少,直邊段切向上的金屬壓縮變形、擠壓量減少,產生的切向和厚度方向上的壓應力較小,最終其形變誘發相變的馬氏體相對減少。結果表明,不同成形厚度的不銹鋼封頭成形后,由中心至邊緣區域的組織變化規律與壁厚基本一致,冷沖壓成形對8.0 mm 厚封頭的組織影響最小。

4 不同成形厚度對硬度的影響

亞穩態奧氏體不銹鋼冷沖壓成形后將誘發馬氏體相變,組織中形變誘發相變馬氏體相含量多少影響著材料內應力的大小。因此,馬氏體相變量是分析冷沖壓封頭是否存在開裂隱患的主要依據,而馬氏體相變的多少可通過宏觀硬度進行表征。同樣選取原材料平板、成形后封頭頂部中心點(A點)、壁厚變化出現的拐點部位(B點)、小曲率部位(C點)和直邊段(D點)進行硬度測試,為排除外表面劃傷、凹坑、污垢等其他因素的干擾,硬度測試部位選取距外表面0.5 mm處厚度截面。采用維氏硬度試驗機進行試驗,試驗力為10 kgf(1 kgf=9.806 65 N),保壓時間為13 s,測試結果如圖4所示。

圖4 3種不同成形厚度封頭4個不同部位的平均硬度

由圖4可知:相比于原材料,3種不同成形厚度封頭的硬度由中心至過渡段(B點)較為平穩,未有大幅度增加,但從過渡段B點至小曲率半徑C點處硬度出現較為明顯的增加,至直邊段達到最大值;且8.0 mm 厚封頭整體的硬度相對最小,6.0 mm 厚封頭次之,4.0 mm 厚封頭硬度最大。硬度測試結果與FN值一致,從宏觀性能上表明直邊段的馬氏體相變最嚴重,馬氏體組織含量最多,存在的相變內應力最大。

綜上所述,8.0 mm 厚封頭因兩次沖壓成形工藝的不同,在一、二次成形過程中存在一定的應力釋放,沖壓產生的拉伸應力、切向壓應力及厚度方向上的壓應力減小,金屬材料由中心、過渡段流動至直邊段的量減少,導致封頭在中心部位至過渡段的壁厚減薄量與直邊段壁厚增厚量相對較小,組織中形變誘發形成的馬氏體組織相變量較少,性能上體現為整體硬度較低。在冷沖壓成形后不進行消應力熱處理(含固溶處理)的前提下,8.0 mm 厚不銹鋼封頭直邊段的開裂概率相對較低。

5 結論

(1)不同成形厚度的奧氏體不銹鋼封頭壁厚增厚量存在差異,8.0 mm 厚封頭由頂部中心至直邊段各區域的壁厚減薄或增厚量均相對較小。

(2)不同成形厚度封頭的馬氏體組織相變量與壁厚增厚量成正比例關系,8.0 mm 厚封頭馬氏體相變量較少,組織內應力也較小。

(3)馬氏體相變量的多少,在性能上體現為整體硬度的差異,4.0 mm 厚封頭硬度最大,8.0 mm厚封頭硬度相對最小。

(4)8.0 mm 厚封頭的壁厚變化量較小,馬氏體組織相變量較小,硬度較小,冷沖壓成形后封頭直邊段開裂概率較低。