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        TP2紫銅管彎制開裂原因分析

        2021-10-28 06:37:52張鴻雁易文思
        造船技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:方向性粒狀金相

        張鴻雁, 張 鵬, 易文思

        (武昌船舶重工集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430060)

        0 引 言

        純銅的新鮮表面呈淺玫瑰肉紅色,在大氣下常常覆蓋一層紫色氧化膜,俗稱紫銅。紫銅具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和較好的塑性及突出的冷作硬化效應(yīng),在大氣、淡水、蒸汽、海水中耐腐蝕,耐冷熱稀硫酸、冷濃硫酸的侵蝕,并具有抗磁干擾、可焊性等特性。TP2紫銅管為磷脫氧銅管,氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,被大量用于汽油、氣體供應(yīng)管及冷凝器、蒸發(fā)器、熱交換器等器件中。在鎳合金B(yǎng)10白銅管、直接熱軋制(Hot Direct Rolling,HDR)雙相不銹鋼管、鈦合金管應(yīng)用前,由于紫銅管具有上述優(yōu)良的特性及較好的生物腐蝕抗力,因此是用于海洋環(huán)境中的最佳材料之一,艦船防腐管系均采用TP2紫銅管。目前,除艦船上的一些重要部位外,TP2銅管依然被廣泛應(yīng)用[1]。在管路系統(tǒng)中,一方面銅管需要承受管內(nèi)氣體或液體的壓力,要求具有一定的強(qiáng)度;另一方面由于各種管路分布的復(fù)雜性,銅管經(jīng)常需要進(jìn)行彎制,因此其柔韌性是一個較為重要的特性。

        某產(chǎn)品需要加工不同批次的TP2銅管,對彎制區(qū)域先進(jìn)行火工,再進(jìn)行彎制。由于原材料銅管的熱處理狀態(tài)不明確,因此采用相同的工藝進(jìn)行彎制后,有的銅管彎曲狀態(tài)好,有的銅管開裂。銅管在生產(chǎn)過程中經(jīng)多道次拉拔產(chǎn)生加工硬化,塑性較差,不利于后續(xù)彎制成型工藝的進(jìn)行,需要進(jìn)行退火處理改善其微觀組織及性能。為解決銅管彎制開裂問題,進(jìn)行一系列的退火、力學(xué)性能和金相組織試驗(yàn)[2]。

        1 試驗(yàn)條件

        試驗(yàn)設(shè)備:熱處理爐為箱式電阻爐,型號為SX2-5-12,額定電壓為220 V,額定功率為5 kW,額定溫度為1 200 ℃。

        試驗(yàn)溫度區(qū)間:470~750 ℃。

        試驗(yàn)材料:外徑55.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格和外徑70.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格的TP2紫銅管。

        試驗(yàn)方法:兩組對比。同一批次銅管經(jīng)不同溫度熱處理的金相組織和性能對比;不同批次銅管經(jīng)相同溫度熱處理的金相組織和性能對比[3]。1號~6號試樣為同一批次;7號~9號試樣為另一批次。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        對2個批次TP2紫銅管進(jìn)行化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析,結(jié)果如表1所示。2個批次TP2紫銅管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))均符合GB/T 5231-2001的要求,因此開裂并非由化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不合格引起。

        表1 銅管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        TP2紫銅管在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷軋制和多道次的拉拔工序,每道工序均會使銅管發(fā)生一定量的塑性變形,使銅管的強(qiáng)度和硬度提高而塑性和韌性降低,并會使銅管內(nèi)部的殘余應(yīng)力升高、冷作硬化效應(yīng)明顯。銅管外表面不僅受到拉拔的外力,而且受到與模具之間的摩擦力,因此加工硬化比內(nèi)部嚴(yán)重得多。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管必定開裂[3]。為防止在進(jìn)行彎制時發(fā)生開裂,需要對銅管進(jìn)行退火處理,將其軟化,以達(dá)到良好的可塑性狀態(tài)。選擇470 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、750 ℃等溫度對銅管進(jìn)行退火試驗(yàn),以找到適合銅管彎制的退火溫度區(qū)間。

        2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        TP2紫銅管力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 TP2紫銅管不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

        2.3 金相組織試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        2.3.1 外徑55.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管的金相組織

        圖1為不同狀態(tài)下的外表面金相組織變化,圖片放大100倍。

        圖1(a):原始狀態(tài)下的外表面金相組織。銅管在交貨前經(jīng)多道次拉拔,冷作硬化較嚴(yán)重。該組織為滑移線較多且拉拔痕跡較明顯的層狀α固溶體(簡稱α相),晶粒被拉成剛直條狀,組織織構(gòu)程度較嚴(yán)重。

        圖1(b):470 ℃退火后的外表面金相組織。在退火后,金相組織得到明顯改善,但拉拔痕跡仍存在。該組織為少量層狀α相+無方向性塊狀細(xì)小α相,帶狀組織輕微,組織仍具有方向性[4]。

        圖1(c):550 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為無方向性細(xì)塊狀和粒狀α相,帶狀組織基本消除,但組織略顯雜亂。

        圖1 外徑55.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管不同狀態(tài)下的外表面金相組織變化

        圖1(d):600 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為無方向性細(xì)塊狀和粒狀α相,大量細(xì)小晶粒開始出現(xiàn),晶粒清晰可見。

        圖1(e):650 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為無方向性細(xì)塊狀和粒狀α相,晶粒開始長大。

        圖1(f):750 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為塊狀粗大α相,晶粒開始急劇長大,孿晶清晰可見。

        圖2為不同狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織變化,圖片放大100倍。

        圖2 外徑55.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管不同狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織變化

        圖2(a):原始狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織。該組織為具有方向性和滑移線的層狀α相,組織織構(gòu)程度沒有外表面嚴(yán)重。

        圖2(b):470 ℃退火后的內(nèi)部金相組織。該組織為無方向性細(xì)小α相+少量粒狀α相,拉拔痕跡基本消除,細(xì)小晶粒開始出現(xiàn)。

        圖2(c):550 ℃退火后的內(nèi)部金相組織。該組織為無方向性細(xì)塊狀和粒狀α相,與該狀態(tài)下的外表面組織基本相同。

        圖2(d):600 ℃退火后的內(nèi)部金相組織。該組織為無方向性細(xì)塊狀和粒狀α相,大量細(xì)小晶粒開始出現(xiàn),與該狀態(tài)下的外表面金相組織一致。

        將圖1與圖2進(jìn)行對比可看出:在原始狀態(tài)下,外表面金相組織與內(nèi)部金相組織的差異較大,外表面的拉拔痕跡明顯,組織織構(gòu)程度嚴(yán)重,在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管一定會開裂;在470 ℃退火后,內(nèi)部金相組織形貌回復(fù)較好,但外表面金相組織仍存在一定的拉拔痕跡和位相,在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管仍會開裂;在550 ℃、600 ℃、650 ℃、750 ℃退火后,內(nèi)部金相組織與外表面金相組織基本一致,外表面的拉拔痕跡消失,在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂;在大于650 ℃退火后,晶粒急劇長大,強(qiáng)度和硬度下降較快,無法滿足實(shí)際使用過程中的強(qiáng)度要求。對于該批次銅管,550~600 ℃是比較合適的退火溫度,不僅可保證銅管在進(jìn)行彎制時不會開裂,而且可滿足使用中的強(qiáng)度要求[5]。

        2.3.2 外徑70.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管的金相組織

        圖3為不同狀態(tài)下的外表面金相組織變化,圖片放大100倍。

        圖3 外徑70.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管不同狀態(tài)下的外表面金相組織變化

        圖3(a):原始狀態(tài)下的外表面金相組織。銅管外表面加工硬化嚴(yán)重。該組織為方向性較強(qiáng)的層狀α相+細(xì)粒狀α相,晶粒粗大且拉拔痕跡明顯,帶狀組織嚴(yán)重。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管會開裂。

        圖3(b):470 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為無方向性塊狀細(xì)小α相+細(xì)小粒狀α相,帶狀組織基本消除,組織形貌開始回復(fù),內(nèi)外組織均勻。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂。

        圖3(c):550 ℃退火后的外表面金相組織。該組織為無方向性塊狀較粗大α相+少量粒狀α相,晶粒清晰可見且開始長大,組織形貌正常。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂[6]。

        圖4為不同狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織變化,圖片放大100倍。

        圖4 外徑70.0 mm、壁厚2.5 mm規(guī)格TP2紫銅管不同狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織變化

        圖4(a):原始狀態(tài)下的內(nèi)部金相組織。該組織為塊狀粗大α相+細(xì)粒狀α相,晶粒粗大且呈帶狀分布。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管會開裂。

        圖4(b):470 ℃退火后的內(nèi)部金相組織。該組織的帶狀組織基本消除,組織形貌開始回復(fù)。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂。

        圖4(c):550 ℃退火后的內(nèi)部金相組織。該組織晶粒清晰可見,組織形貌回復(fù)正常。在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂。

        將圖3和圖4進(jìn)行對比可看出:在原始狀態(tài)下,外表面的拉拔織構(gòu)并不嚴(yán)重;在470~550 ℃退火后,組織形貌回復(fù)正常,在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管均不會開裂。

        2.4 小 結(jié)

        不同批次的銅管加工硬化程度不同,原始狀態(tài)差異較大。銅管在進(jìn)行彎制時是否開裂與金相組織位向關(guān)系較大。銅管經(jīng)多道次拉拔,滑移及變形程度增加,位錯密度增加,晶格畸變增大,位錯堆積在銅管的原子缺陷處(如空位、原子空隙等),若不重新熱處理讓金相組織形貌回復(fù),則銅管在進(jìn)行彎制時易出現(xiàn)顯微裂紋,而裂紋擴(kuò)展后會形成宏觀開裂[7]。

        (1)1號~6號試樣加工硬化嚴(yán)重,金相組織均保持原始狀態(tài)下的拉拔層狀α相,存在經(jīng)多道次加工變形產(chǎn)生的類似碳鋼片狀珠光體的大量細(xì)小密集的滑移線條,顯微硬度值均在100.0以上;在進(jìn)行彎制前,沒有較好地消除經(jīng)多道次拉拔存在的大量滑移線、位錯及帶狀組織,因此在470 ℃及以下溫度退火后進(jìn)行彎制,銅管較容易開裂。

        (2)7號~9號試樣的原始狀態(tài)比1號~6號試樣好,在470 ℃退火后,沒有出現(xiàn)層狀α相和經(jīng)多道次加工硬化產(chǎn)生的密集滑移線,粗大α相變?yōu)閴K狀細(xì)小α相,金相組織已具備良好的塑性。

        (3)原始狀態(tài)不同的銅管,其退火溫度選擇不同:對于拉拔道次多、變形量大的銅管應(yīng)稍微提高退火溫度;對于變形量小、加工硬化不嚴(yán)重的銅管可稍微降低退火溫度;銅管退火溫度建議控制在550~580 ℃[8]。

        3 結(jié) 語

        銅管外表面與內(nèi)部的金相組織不均勻是導(dǎo)致彎制開裂的直接原因。若原始狀態(tài)下的加工硬化嚴(yán)重,則在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管會開裂,需要提前進(jìn)行退火處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在原始狀態(tài)不明、加工硬化不明的情況下,進(jìn)行550~580 ℃的退火處理可改善銅管的綜合性能,在此狀態(tài)下進(jìn)行彎制,銅管不會開裂。工廠在后續(xù)加工時采用該退火工藝,在彎制區(qū)域及前后100.0 mm進(jìn)行退火處理,同時使用測溫儀控制退火溫度,銅管沒有再出現(xiàn)開裂情況,節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力。

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