支架用冷軋2205 不銹鋼板成形性能及機理分析★

蘇超杰

（河南工業貿易職業學院汽車工程學院，河南 鄭州 450052）

0 引言

由于碳鋼經常受到液壓油的腐蝕，而不銹鋼在抗腐蝕方面具有很好的優勢，因此被經常用于液壓支架部件上。按照組織穩定性差異，可以將固溶處理得到的不銹鋼組織類型分成亞穩定型與穩定型兩種，其中，2205（06Cr19Ni10）與301（12Cr17Ni7）屬于亞穩型[1]。當溫度或壓力條件改變時，亞穩型組織將會逐漸轉變為馬氏體結構（A→M）[2]，上述過程可以通過低溫環境或以室溫變形的方式來實現。根據前期文獻報道可知，在以上兩種轉換條件下，第二種條件將會促使A 相更容易轉變為M相，由此生成應變誘發馬氏體。

近些年，隨著越來越多學者對應變誘發馬氏體組織結構性能及其轉變機制進行了深入研究，在理論分析方面也取得了一定成果[3-4]。例如，一些國內外學者針對各類鋼材加工與生產環節進行了全面分析，例如將需要折疊使用的2205L 不銹鋼進行力學特性與動力學參數研究，并構建了相應的仿真模型[5]，還有學者研究了薄層2205 不銹鋼板在雙向脹形轉變階段發生的雙軸變形過程以及基體組織發生馬氏體轉變的作用機理[6]。還有文獻報道了將2205L 板坯置于-196 ℃的超低溫環境中進行80%（變形率）軋制來實現馬氏體組織轉變的效果，并綜合運用SEM與XRD等檢測方法測試了上述試樣的精細結構特性，由此達到完全轉變為馬氏體的效果[7]，這為實現在超低溫環境中加工不銹鋼材料創造了有利條件。對于非不銹鋼材料加工過程，還有學者通過分析塑性變形階段亞穩態殘余奧氏體轉變為馬氏體的機理，開發出了相變誘發塑性鋼（TRIP）等更先進的支架用鋼用品，可以達到30 GPa·%以上的強塑積（抗拉強度×斷后延伸率）參數，具有優異的韌性與抗沖擊能力，表現出了廣闊應用前景與技術發展潛力[8]。

根據工程應用領域的合金原料統計結果可知，不銹鋼已成為第二大數量的板料產品。沖壓成型屬于一種金屬冷變形處理技術，會形成不均勻分布的局部應變狀態。對于不銹鋼薄板受到沖壓作用時發生馬氏體轉變的程度還需開展深入研究，并且對于A→M轉變過程的具體特征也沒有形成深入認識。此外還需研究馬氏體相變階段的效應機制及冷軋成形引起的制品力學性能與內部組織形態變化情況。以上內容在學術研究與工程應用領域都發揮了重要作用。

1 試驗方法

本次試驗選擇氬氧脫碳（AOD）與爐外精煉方法制備的2205（06Cr19Ni10）不銹鋼作為測試材料，將冷軋板升溫至1 050 ℃以上，并實施固溶處理得到厚度為1.28 mm 的試樣。采用同一產線生產的鐵素體不銹鋼冷軋板料與熱軋板作為對比材料。

軋制產品類型為CQ（普通碳素結構鋼）、寬1000 mm，初始厚度為2.50 mm，加工為成品后的厚度為0.60 mm，第四機架入口部位的厚度為0.871 mm，出口厚0.61 mm，設定9.1 MN 的軋制載荷，設定輥徑均值570 mm，電機保持額定轉速280r/min。控制軋輥目標轉速vx=28rad/s，初始參數x0=（0，0，0）。

根據GB/T 228—2002 標準條件對程控測試機開展拉伸測試，測試溫度為室溫。

2 試驗結果

2.1 硬度分析

圖1 顯示采用磁針方法測定2205 不銹鋼發生應變過程中硬度（HRB）參數分布。當拉伸變形程度在30%以內時，硬度呈現線性增加，但幅度不大；當變形程度超過35%后，硬度增加變得很明顯，這可能和冷軋過程中馬氏體的增加有關。

圖1 不同變形量下冷軋2205 不銹鋼硬度分布

2.2 力學性能分析

不同不銹鋼鋼號的擴孔率和杯突值結果如表1、表2 所示。對表1、表2 進行分析可以發現，2205 不銹鋼可以滿足優異擴孔與杯突的性能要求，并且杯突值（IE 值）與擴孔率λ 值相較于各類鐵素體不銹鋼都有顯著的提高。雖然本次采用的2205 板達到了最小厚度（根據不銹鋼板性能測試結果可知，IE 值與λ 值都會引起一定程度的板厚效應，隨著板厚度的減小，成形過程將會受到更不利的影響，特別是此時擴孔率λ會發生明顯降低的現象），但相對6 種常規鐵素體不銹鋼板，2205 板在進行沖壓測試時達到了更平穩的狀態，經過成形加工得到的擴孔試件與杯突試件的外形、尺寸達到試驗標準條件；對2205 板進行擴孔時沒有引起底裂的情況，430、4108 與409L 則依次形成了45%、91%與32%的底裂。這主要是由于2205 板具備優異的塑性及易于成形的特點。

表1 不同不銹鋼鋼號的擴孔率λ 結果

表2 不同不銹鋼鋼號的杯突值IE 結果

為了更準確地進行對比與考察，本次選擇國內其他5 家廠家生產的2205 等冷軋板進行樣品測試，結果發現應變誘發馬氏體、λ 值與IE 值跟本文測試結果相近。

3 分析討論

受奧氏體組織的面心立方結構影響，2205 鋼材λ 值只達到1.0，在擴孔與杯突階段，發生A→M 的相變過程，促使2205 鋼加工硬化指數n 達到極高值。受馬氏體應變誘發以及n 值增加的共同作用，在成形區中各部位形成了更均勻的變形狀態，同時延遲了危險區域的“縮頸”時間，并且2205 具備優異塑性（本次選擇的板料延伸率δu等于50.4%，根據近些年某鋼廠實際生產統計數可知，如果設置精細化工藝管控方案，還可以實現δu的顯著增大），最終確保2205 冷軋板實現優異成形結構。

本文重點分析了杯突值IE、擴孔值λ 和不銹鋼板力學特性之間的相互作用關系，圖2 與圖3 給出了6 個廠家的14 種鋼材對應的λ-n 與IE-n 曲線，各數據點分別對應1 個廠家特定鋼號試驗爐的結果均值。經對比可知，不銹鋼板的擴孔率、杯突值均與加工硬化指數形成了明顯正相關性，且2205 鋼都表現出了明顯優勢。

圖2 λ-n 關系圖

圖3 IE-n 關系圖

2205 鋼屬于當前各領域應用最廣的不銹鋼材料，可以滿足無磁、低溫等多種環境要求的設備制造條件。原先呈現無磁狀態的不銹鋼經過沖壓變形處理后將會誘發生成馬氏體，從而產生一定鐵磁性，因此對于非磁等場所的不銹鋼沖壓構件的使用需重點探討。

4 結論

1）相對6 種常規鐵素體不銹鋼板，2205 板在進行沖壓測試時達到了更平穩的狀態，具備優異的塑性及易于成形的特點。

2）2205 不銹鋼可以滿足優異擴孔與杯突的性能要求，并且其IE 值與λ 值相較于各類鐵素體不銹鋼都有顯著提高。