趙建剛

（中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安710077）

管子組件擴(kuò)口裂紋原因分析

趙建剛

（中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安710077）

在管子組件裝配過程中，不銹鋼管與襯套的安裝多采用擠壓擴(kuò)口工藝，利用光學(xué)顯微鏡對擴(kuò)口裂紋的產(chǎn)生及其與材料性能的關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明:在產(chǎn)生擴(kuò)口裂紋的不銹鋼管中均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形。奧氏體不銹鋼微觀組織中鐵素體含量超過20%（體積分?jǐn)?shù)），材料的塑性指標(biāo)急劇下降，低塑性是裂紋的產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。通過試驗驗證，不銹鋼管選用退火狀態(tài)可以有效避免擴(kuò)口裂紋且滿足產(chǎn)品使用要求。

管子組件；擴(kuò)口；裂紋；擴(kuò)口力

0　引言

管子組件是產(chǎn)品中的一個重要組成部分，為了保證薄壁導(dǎo)管的密封和剛性連接，將管端加工為如圖1所示的喇叭口。喇叭口的制造工藝稱為擴(kuò)口。擠壓擴(kuò)口是利用剛性凸模將管口直徑向外擴(kuò)張的一種成形工藝，屬于管材深加工技術(shù)的范疇，作為管材擴(kuò)口加工的主要方法之一，由于其生產(chǎn)效率高，加工成本低及操作方便等優(yōu)點，目前在管件加工中得到了廣泛應(yīng)用。在管材擴(kuò)口過程中，擴(kuò)口直徑越大，造成裂紋的可能性越大［1］，本產(chǎn)品要求擴(kuò)到φ5.1 mm，擴(kuò)口尺寸較大，常常出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，使該零件的批生產(chǎn)不能順利進(jìn)行。本研究利用光學(xué)顯微鏡對擴(kuò)口裂紋的產(chǎn)生及其與材料性能的關(guān)系進(jìn)行分析，掌握該工藝的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素，對防止管子組件擴(kuò)口裂紋具有重要意義。

1　試驗過程與結(jié)果

1.1裂紋宏觀檢查

圖1　管子擴(kuò)口尺寸要求Fig.1　Dimension specification of the flared tubes

沿開裂管子擴(kuò)口一周測量各處的厚度，均布設(shè)10個檢測點，測量結(jié)果如表1所示。測量結(jié)果顯示，擴(kuò)口后壁厚平均值為0.42 mm（擴(kuò)口前0.5 mm），各處厚度基本維持在該數(shù)據(jù)附近，厚度變化范圍為±0.02 mm，說明開裂管子組件厚度減薄現(xiàn)象并不明顯。

對開裂處進(jìn)行宏觀形貌檢查，可見附近塑性變形不明顯，斷口平齊，表面開裂呈不規(guī)則鋸齒狀和魚鱗狀，色澤為亮灰色，斷面干凈，有波紋花樣擴(kuò)展而成的無特征平滑區(qū)［2-3］（圖2）。裂紋打開后斷口形貌如圖3，斷口較粗糙，晶粒較粗，有沿晶斷裂的特征（圖3）。

表1　擴(kuò)口端部測厚結(jié)果Table 1　Measured thickness of the flaring end in the failure state　mm

圖2　擴(kuò)口裂紋形貌Fig.2　Macroscopical photograph of the crack

圖3　擴(kuò)口斷口形貌Fig.3　Appearance of the fracture surface

1.2裂紋組織分析

在斷裂部位附近進(jìn)行顯微組織檢查可見，晶粒比較粗大，奧氏體分布不均勻［4-5］，鐵素體含量大于20%（體積分?jǐn)?shù)，下同）（圖4）。1Cr18Ni9Ti不銹鋼屬于奧氏體-鐵素體兩相型［6］。奧氏體和鐵素體具有不同的變形抗力、屈服極限、再結(jié)晶速率，性質(zhì)不同的兩相組織一起變形時，將導(dǎo)致金屬內(nèi)部流動不均勻并出現(xiàn)較高的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)奧氏體不銹鋼中鐵素體含量超過15%［7］，材料的塑性指標(biāo)急劇下降，因此，擴(kuò)口裂紋是由于奧氏體不銹鋼中鐵素體含量過高引起。

圖4　擴(kuò)口組織微觀形貌Fig.4　Microstructure of the flaring

2　改進(jìn)與驗證

2.1材料狀態(tài)分析

通過以上分析可知，擴(kuò)口裂紋是由于奧氏體不銹鋼中鐵素體含量過高引起，因此，針對擴(kuò)口工序中塑性變形大，δ-鐵素體含量應(yīng)要求更嚴(yán)格一些。

選擇退火狀態(tài)材質(zhì)進(jìn)行顯微組織檢查如圖5，晶粒比較細(xì)小，奧氏體分布均勻，鐵素體含量9%［8］。

2.2管端壁厚的理論計算

擴(kuò)口后，喇叭口端部的壁厚 t可按下式計算［9-10］:

式中:D為擴(kuò)口前管子外徑；d為擴(kuò)口前管子內(nèi)徑；D1為擴(kuò)口端頭直徑。將數(shù)值代入，計算得知t=0.283 mm。

擴(kuò)口部分壁厚由里向外呈線性變化（圖6），管壁變薄與變形程度有關(guān)。

圖5　退火狀態(tài)管子擴(kuò)口微觀形貌Fig.5　Microstructure of the annealed tube

2.3退火狀態(tài)不銹鋼管擴(kuò)口試驗

對擴(kuò)口處的宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖7所示，擴(kuò)口處光潔平整，無裂紋，擴(kuò)口效果良好，滿足產(chǎn)品使用要求。

沿擴(kuò)口一周測量各處的厚度，均布設(shè)檢測點，共10個點，測后結(jié)果如表2所示。

圖6　變薄率與擴(kuò)口系數(shù)關(guān)系圖Fig.6　Diagram showing the relation between the thinning rate and the flaring coefficient

圖7　退火狀態(tài)管子擴(kuò)口宏觀形貌Fig.7　Macroscopical photograph of the annealed tube

表2　退火狀態(tài)管子擴(kuò)口端部測厚結(jié)果Table 2　Measured thickness of the flaring end under the annealed state　mm

測量結(jié)果顯示，擴(kuò)口后壁厚平均值為0.290 mm（擴(kuò)口前0.500 mm），各處厚度基本維持在該數(shù)據(jù)附近，厚度變化范圍為±0.010 mm，與2.2節(jié)中理論計算所得0.283 mm基本一致。

3　結(jié)論

1）1Cr18Ni9Ti不銹鋼管擴(kuò)口出現(xiàn)開裂，主要是因為奧氏體不銹鋼中鐵素體含量超過20%，材料的塑性指標(biāo)急劇下降。

2）將1Cr18Ni9Ti不銹鋼管改為退火狀態(tài)，δ-鐵素體體積分?jǐn)?shù)為9%，材料塑性大大提高，擴(kuò)口效果良好。

［1］王新云.金屬精密塑性加工工藝與設(shè)備［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2012:4-8.

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Analysis on Flaring Cracks in Stainless Steel Tubes

ZHAO Jian-gang
（AVIC Qingan Group Co.，Ltd.，Xi'an 710077，China）

In the assembly process of tube components，the installation of stainless steel tube and bushing often experiences extrusion flaring process.The relationship between material performance and flaring cracks were analyzed by optical microscopy. The results show that the stainless steel tube with flaring cracks had no obvious plastic deformation.If ferrite accounts for more than 20%（volume fraction），the plasticity of austenitic stainless steel will dramatically decline.The poor plasticity of the material is main cause for cracking.It has been proved that the tubes under annealed state can effectively avoid flaring cracks.

stainless steel tubes；flaring；crack；flaring force

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.005

1673-6214（2016）02-0088-03

2016年1月8日

2016年3月15日

趙建剛（1962年-），男，高級工程師，主要從事金屬成型等方面的研究。