文/盧忠敏·陜西雁塔封頭管業(yè)有限公司

實(shí)踐中再談不銹鋼封頭的冷成形開裂

文/盧忠敏·陜西雁塔封頭管業(yè)有限公司

盧忠敏曾在2011年第一期《鍛造與沖壓》發(fā)表了《為什么不銹鋼封頭會(huì)開裂》一文。此文雖然為行業(yè)內(nèi)解決冷成形奧氏體不銹鋼封頭成形中的開裂及成形后的延遲開裂提供了一定的借鑒，但對(duì)奧氏體材料金相組織中有微量鐵素體及微量碳化物的問題沒有涉及。因此，根據(jù)近期冷旋壓封頭交付后發(fā)生直邊部位縱向開裂的情況，有必要從奧氏體板材中鐵素體及碳化物對(duì)奧氏體板材冷成形的影響進(jìn)行分析。

不銹鋼封頭發(fā)生垂直于端部開裂案例

陜西雁塔封頭管業(yè)受委托加工S30408、直徑2000mm、厚度10mm壓力容器封頭，委托方為了節(jié)約原材料，采用旋壓工藝，將兩塊板料拼焊制作坯料。加工委托單僅告知板材材質(zhì)為S30408，未提供原始材質(zhì)書復(fù)印件或材料力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告。

委托方為壓力容器制造單位，有國(guó)家質(zhì)檢總局頒發(fā)的壓力容器制造資質(zhì)，故認(rèn)為材料應(yīng)該符合GB/T24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼板及鋼帶》中的材料交貨狀態(tài)，即經(jīng)過固溶處理且化學(xué)成分和機(jī)械性能在合格范圍內(nèi)。于是按照正常的旋壓工藝進(jìn)行了壓鼓和翻邊。在翻邊過程中，發(fā)生了焊縫端部開裂，未引起操作工重視。補(bǔ)焊后繼續(xù)翻邊，直到旋壓工序結(jié)束，沒有發(fā)生母材表面裂紋及開裂。對(duì)封頭完成常規(guī)檢測(cè)后交給委托方，兩天以后，母材發(fā)生10多處垂直于端部的穿透性開裂，裂縫長(zhǎng)度20～50mm不等，斷口很齊，無延長(zhǎng)性撕裂現(xiàn)象。收到委托方情況反饋，根據(jù)以往304不銹鋼封頭出現(xiàn)冷成形過程中或交付后發(fā)生的母材多處垂直于端部穿透性開裂的情況，初步認(rèn)為是材料原因造成。但是，委托方和材料供應(yīng)商認(rèn)為是旋壓成形工藝不當(dāng)造成的。根據(jù)S304不銹鋼板在冷成形過程中開裂或冷成形后放置一段時(shí)間母材延遲開裂的現(xiàn)象，經(jīng)過認(rèn)真的分析原因，根據(jù)材料的金相組織分析，排除了沖壓工藝方面的因素。

鑒于委托方有不同看法，為了驗(yàn)證旋壓工藝的合理性，也為了確保其設(shè)備交貨工期，與委托方協(xié)商：由委托方另行購(gòu)置材料，陜西雁塔封頭管業(yè)按原工藝旋壓，既可以不影響設(shè)備交貨期，又可以驗(yàn)證工藝的合理性。同時(shí)從制作封頭的原材料邊角料及發(fā)生開裂的封頭上取樣送有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)作檢測(cè)，委托方在原材料邊角料上也取樣送另外一家有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)作檢測(cè)。

封頭延遲開裂原因分析及確定

更換材料，按照原工藝，壓鼓和翻邊過程仍由原操作工執(zhí)行。在旋壓過程中焊縫、母材均未開裂，交付使用，焊接到設(shè)備上未出現(xiàn)問題，可以排除工藝不當(dāng)及操作工不同操作習(xí)慣對(duì)成形質(zhì)量的影響。由于奧氏體不銹鋼具有較好的力學(xué)性能，韌性高、塑性好且無磁性，便于進(jìn)行機(jī)械加工、沖壓和焊接，所以，合格的不銹鋼板冷成形過程中及成形以后，不應(yīng)該發(fā)生焊縫、母材的表面裂紋及開裂。

表1 受托方及委托方化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 （ω，%）

根據(jù)《為什么不銹鋼封頭會(huì)開裂》一文介紹，這類材料只做化學(xué)成分和機(jī)械性能鑒定，主要指標(biāo)可能還能滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。要說明問題，只能看材料金相組織中除奧氏體組織外是否含有其他的組織，故做了化學(xué)成分、金相組織定量分析及表面硬度試驗(yàn)，委托方做了化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織定性分析。

我公司委托做的試驗(yàn)結(jié)論是化學(xué)成分（見表1）符合材料標(biāo)準(zhǔn)，金相組織分析結(jié)論是奧氏體＋少量鐵素體，鐵素體含量按GB/T13305-2008標(biāo)準(zhǔn)4.1.1評(píng)級(jí)為1級(jí)（鐵素體相含量約5%），硬度215HV。委托方除硬度未做試驗(yàn)外，化學(xué)成分（見表1），其他機(jī)械性能指標(biāo)（見表2），金相組織分析結(jié)論是試樣組織為奧氏體和少量碳化物。

根據(jù)上述金相組織分析及硬度試驗(yàn)值，我公司認(rèn)為，固溶處理狀態(tài)交貨的奧氏體鋼板，常溫狀態(tài)下應(yīng)是奧氏體單相組織，不允許有鐵素體和碳化物出現(xiàn)，雙方的金相組織分析報(bào)告結(jié)論已經(jīng)可以證明材料不合格。同時(shí)，我公司委托檢測(cè)機(jī)構(gòu)在材料表面檢測(cè)的硬度值為215HV，大于GB/T24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中硬度指標(biāo)小于等于210HV的要求，也可以證明材料不合格。

通過表1中的△值對(duì)比可以看出，雖然材料常溫狀態(tài)下的奧氏體組織都是不穩(wěn)定的奧氏體組織，但第一次的材料常溫狀態(tài)下的奧氏體組織沒有第二次的穩(wěn)定，所以第一次旋壓成形，容易使材料發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，極有可能在冷成形加工中或交付后發(fā)生延遲開裂現(xiàn)象。其原因是經(jīng)過冷成形后，由于不穩(wěn)定奧氏體發(fā)生相變，與原來材料中的其他雜相一起加大了材料的延遲裂紋傾向或直接產(chǎn)生馬氏體相變而導(dǎo)致開裂。根據(jù)文獻(xiàn)，S304鋼板的Ms點(diǎn)大約在－17℃，Md點(diǎn)大約在180℃左右。其Md比常溫高，則在常溫下冷加工就會(huì)使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體。所以，在常溫下冷旋壓的封頭內(nèi)部有部分鐵素體或者馬氏體是比較正常的。但馬氏體的出現(xiàn)使旋壓封頭機(jī)械性能迅速惡化，在多次應(yīng)變的作用下使馬氏體產(chǎn)生數(shù)量增多，強(qiáng)度、硬度增加，塑性降低。由于馬氏體與奧氏體組織共存，延伸率不同，極易導(dǎo)致局部形成顯微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致最終的開裂。

從不銹鋼的基本知識(shí)對(duì)比化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織也可以證明是材料原因造成交付后的延遲開裂。該批材料為卷板狀態(tài)下交貨，經(jīng)過材料供應(yīng)商開平加工以后，出廠的固溶狀態(tài)已經(jīng)被破壞，表面上看是固溶處理不當(dāng)，實(shí)際上是由于常溫下的冷開平加工對(duì)固溶處理的破壞使不穩(wěn)定的奧氏體發(fā)生相變所造成的。兩次委托加工封頭的材料均為卷板固溶處理狀態(tài)交貨，經(jīng)冷開平后按規(guī)格板出售給委托方，隨著固溶處理后的狀態(tài)破壞，機(jī)械性能也發(fā)生了變化，具體數(shù)值見表2。

從表2可以看出：經(jīng)過開平以后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均有所增加（材料經(jīng)銷商所測(cè)得硬度值降低了約11.3HV先不考慮），雖符合材料強(qiáng)度特性，但復(fù)驗(yàn)值與原材質(zhì)書的各項(xiàng)指標(biāo)出入較大，說明鋼廠出廠狀態(tài)的材料質(zhì)量證明書已經(jīng)不能完全代表委托加工的材料性能指標(biāo)。同時(shí)，硬度指標(biāo)已經(jīng)超過了材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，應(yīng)該認(rèn)定為不合格材料。

表2 第一次旋壓和第二次旋壓材料的機(jī)械性能及委托方、材料經(jīng)銷商復(fù)驗(yàn)的機(jī)械性能

采用旋壓工藝成形的奧氏體封頭在交付后發(fā)生的垂直于端部的多處開裂，原因不在成形工藝，而是原材料的固溶處理在開平加工后遭到破壞，強(qiáng)度及硬度增加且超標(biāo)所造成。

開平操作對(duì)奧氏體不銹鋼板的影響

針對(duì)奧氏體不銹鋼開平板力學(xué)性能的變化，新修訂的GB150.4-2011《壓力容器制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》5.5.2條規(guī)定：奧氏體不銹鋼開平板應(yīng)按批號(hào)復(fù)驗(yàn)力學(xué)性能（整卷使用者，應(yīng)在開平操作后分別在板卷的頭部、中部和尾部所對(duì)應(yīng)的開平板處各截取一組復(fù)驗(yàn)試樣；非整卷使用者，應(yīng)在開平板的端部處截取一組復(fù)驗(yàn)試樣）。近年來使用奧氏體不銹鋼開平板與軋制板相比，開平板成形后開裂明顯增多。

根據(jù)S30408(0Cr18Ni9)、304、316L、Q235B、Q345R（16MnR）等5種材料，24卷，重量512t材料的試驗(yàn)結(jié)果，開平操作對(duì)碳素鋼、低合金鋼卷板力學(xué)性能影響不大，但會(huì)使奧氏體不銹鋼斷后延伸率降低，開裂與此有關(guān)（見表3）。

根據(jù)《熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)》中鋼鐵硬度及強(qiáng)度換算表，可以換算出，S30408硬度標(biāo)準(zhǔn)值為210HV時(shí)，抗拉強(qiáng)度約700MPa。也就是說，當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過700MPa時(shí)，硬度指標(biāo)就將超過標(biāo)準(zhǔn)。所以，在分析機(jī)械性能指標(biāo)時(shí)，要結(jié)合強(qiáng)度、硬度指標(biāo)綜合考慮。在對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，沒有對(duì)材料經(jīng)銷商所做的硬度復(fù)驗(yàn)值進(jìn)行分析，是因?yàn)檫@個(gè)硬度值不符合《熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)》中鋼鐵硬度及強(qiáng)度換算表中的硬度、強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系，依此硬度值對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值僅為562MPa，比原材質(zhì)書中抗拉強(qiáng)度值還小，對(duì)于開平的奧氏體鋼板是不可能的。可能是由強(qiáng)度試驗(yàn)和硬度測(cè)試取樣不在同一部位所造成。以原材質(zhì)書的抗拉強(qiáng)度值為對(duì)比基準(zhǔn)，按手冊(cè)對(duì)比其硬度值為196HV（187.6HB）；以其硬度值為對(duì)比基準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度值應(yīng)為626MPa。硬度值為196HV的奧氏體不銹鋼，經(jīng)開平后，按平均硬度增加15.65%，硬度值為226.67HV，大于我公司復(fù)驗(yàn)所測(cè)得硬度值215HV，說明我公司委托的檢測(cè)值是正確的。

封頭加工企業(yè)應(yīng)注意的問題

針對(duì)目前市場(chǎng)上不銹鋼板銷售的混亂狀況，作為封頭加工的委托單位，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)問題：⑴要從采購(gòu)的源頭把住材料的質(zhì)量關(guān)，確保材質(zhì)書與所購(gòu)鋼板的一致性，對(duì)購(gòu)買規(guī)格板提供整卷材料的材質(zhì)證書時(shí)，應(yīng)對(duì)材料的力學(xué)性能提出質(zhì)疑，要求材料經(jīng)銷商復(fù)驗(yàn)或自己進(jìn)行性能復(fù)驗(yàn)。同時(shí)固溶處理后材料的硬度一般在135HB左右，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度約513MPa。當(dāng)材質(zhì)書上的抗拉強(qiáng)度超過600MPa，硬度超過170HV時(shí)，采取冷加工成形時(shí)最好計(jì)算奧氏體不銹鋼的奧氏體穩(wěn)定系數(shù)△，△值小于－3.5時(shí)易發(fā)生冷加工裂紋或延遲裂紋，甚至造成開裂。316、316L的△值分別為＋1.00、＋4.72時(shí)非常穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生裂紋；⑵當(dāng)用開平板壓制封頭時(shí)，一定要向受委托的封頭加工單位說明是開平板，提醒封頭壓制單位采用適當(dāng)?shù)墓に嚰跋鄳?yīng)的防護(hù)措施；⑶如果設(shè)計(jì)允許，盡可能采用高檔次的材料，如316、316L委托進(jìn)行冷成形加工封頭；⑷在與材料經(jīng)銷商溝通過程中一定要明確自己的用途。經(jīng)過與某大型不銹鋼板制造公司的溝通，對(duì)用于制造封頭的奧氏體不銹鋼板最好在訂貨時(shí)向鋼廠提出要求，鋼廠將按照專門的冶煉、軋制處理工藝進(jìn)行制造，以滿足封頭成形的性能要求。

表3 開平操作對(duì)奧氏體不銹鋼材料的性能影響

結(jié)束語(yǔ)

建議封頭制造單位要建立相應(yīng)的材料檢測(cè)控制環(huán)節(jié)，對(duì)要加工的奧氏體不銹鋼進(jìn)行表面硬度檢測(cè)，硬度超過175HV的奧氏體不銹鋼板料盡量不要采取冷成形。同時(shí)對(duì)于使用開平板毛坯，要采取相應(yīng)預(yù)防措施，如采取溫旋壓工藝。對(duì)冷成形的奧氏體不銹鋼開平板制造的封頭要及時(shí)進(jìn)行固溶處理，提高材料的抗晶間腐蝕能力，以防止延遲裂紋或開裂的發(fā)生。