簡(jiǎn)添福,李暉榕,郭志賢

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院,漳州 363000)

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形冷沖壓封頭具有加工工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品精度高、表面質(zhì)量好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于制造容器[1-2]。在封頭成形的過(guò)程中,鋼板中心至邊緣不同區(qū)域所受應(yīng)力不同,經(jīng)歷的變形過(guò)程也各不相同,封頭的壁厚、組織及性能存在著規(guī)律性變化[3]。

S30408等亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼封頭成形后,在發(fā)生塑性變形時(shí),極易產(chǎn)生形變并誘發(fā)馬氏體相變,材料的強(qiáng)度、硬度異常升高,塑性、韌性明顯下降[4],且易出現(xiàn)磁性、開(kāi)裂等問(wèn)題[5-6],不利于壓力容器的安全使用。盡管相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)單種規(guī)格不銹鋼封頭的成形工藝及其對(duì)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(duì)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(duì)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(zhì)量控制與使用安全性方面提供理論指導(dǎo)。

1 橢圓形封頭的化學(xué)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(fù)驗(yàn)→剪切下料→模具落料→模具壓型→切邊→修磨去毛刺→尺寸測(cè)量→組織性能檢測(cè)。

1.1 化學(xué)成分分析

為保證試驗(yàn)用不銹鋼鋼板材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求,采用全定量直讀光譜儀對(duì)試驗(yàn)用的厚度分別為4.0,6.0,8.0 mm 的原材料鋼板進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:3種規(guī)格鋼板材料的化學(xué)成分符合GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》的要求。

表1 3種不同規(guī)格原材料鋼板的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2 成形工藝

規(guī)格為500 mm×4.0 mm(內(nèi)徑×壁厚,下同)和500 mm×6.0 mm 的封頭為一次壓制成形,規(guī)格為500 mm×8.0 mm 的封頭為二次壓制成形。成形后封頭實(shí)物及剖面如圖1所示。

圖1 冷沖壓成形封頭實(shí)物圖及剖面示意

2 不同成形厚度對(duì)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(guò)程,中心至直邊段各區(qū)域所受的應(yīng)力應(yīng)變不同,成形過(guò)程伴隨著壁厚的減薄與增厚,成形后封頭各區(qū)域壁厚出現(xiàn)部分減薄或增厚。壁厚變化量的公式為:增厚量=成形后實(shí)測(cè)厚度-封頭材料厚度,采用超聲波測(cè)厚儀對(duì)3種不同成形厚度封頭進(jìn)行測(cè)厚。封頭各區(qū)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(qū)域壁厚減薄或增厚量變化

由圖2可知,對(duì)于3種不同成形厚度的封頭,沿頂部中心點(diǎn)至直邊段的壁厚均表現(xiàn)出先減薄后增厚的現(xiàn)象,變化趨勢(shì)基本一致,壁厚變化由減薄轉(zhuǎn)變?yōu)樵龊竦墓拯c(diǎn)均出現(xiàn)在過(guò)渡段距中心點(diǎn)240 mm 的位置。板料的沖壓成形屬于拉伸過(guò)程,是彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變的過(guò)程,各部位的受力情況為:板料中心部位受拉伸應(yīng)力;圓弧過(guò)渡部位受徑向拉伸應(yīng)力、切向壓縮應(yīng)力及彎曲應(yīng)力;邊緣部位因沖頭向下的壓力,承受徑向拉伸應(yīng)力,且與徑向拉伸應(yīng)力垂直作用的方向上產(chǎn)生切向壓應(yīng)力,在厚度方向上受壓應(yīng)力。在上述應(yīng)力的作用下,板料金屬在成形過(guò)程中呈向直邊段流動(dòng)的趨勢(shì),結(jié)果表現(xiàn)為壁厚在封頭中心至過(guò)渡段減薄、直邊段增厚。

對(duì)于不同的成形厚度,其壁厚增厚量又有差別,由中心點(diǎn)[圖1b)中A點(diǎn)位置]至過(guò)渡段距中心點(diǎn)240 mm 的位置[圖1b)中的B點(diǎn)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(duì)應(yīng)的直邊段壁厚增厚量(0.11 mm)也小于另外兩種規(guī)格(兩者增厚量均為0.2 mm)。分析認(rèn)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(yīng)力釋放過(guò)程,壓制過(guò)程中產(chǎn)生的上模沖頭的拉伸應(yīng)力及徑向拉伸應(yīng)力相對(duì)較小,相應(yīng)的壁厚減薄量也較小,流動(dòng)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(duì)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(yīng)力較大,金屬流動(dòng)量較大,壁厚減薄較為嚴(yán)重,對(duì)應(yīng)的直邊段壁厚增厚量則相應(yīng)增大[8]。

為驗(yàn)證上述結(jié)果,對(duì)3組封頭試件不同區(qū)域的組織及性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3 不同成形厚度對(duì)組織的影響

根據(jù)成形后封頭壁厚變化量的試驗(yàn)結(jié)果,僅選取4個(gè)具有代表意義的位置點(diǎn)研究厚度對(duì)組織的影響,具體為封頭頂部中心點(diǎn)(A點(diǎn))、壁厚變化出現(xiàn)的拐點(diǎn)(B點(diǎn))、小曲率部位(C點(diǎn))和直邊段(D點(diǎn))。

3.1 馬氏體相變量

α′相馬氏體相變量采用鐵素體數(shù)(FN)進(jìn)行表征,通過(guò)鐵素體測(cè)定儀測(cè)量FN 的具體數(shù)值。采用鐵素體測(cè)定儀測(cè)量奧氏體不銹鋼封頭成形后外表面的FN,進(jìn)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(duì)應(yīng)4個(gè)位置的馬氏體相變量。

表2 不同成形厚度對(duì)應(yīng)4個(gè)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(diǎn)至直邊段出現(xiàn)增加的趨勢(shì),在小曲率部位出現(xiàn)較大幅度增加,至直邊段區(qū)域急劇增加至最大值;在直邊段區(qū)域的馬氏體相變量卻呈現(xiàn)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(yàn)

根據(jù)FN的測(cè)量結(jié)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(xué)顯微鏡分別對(duì)3組不同成形厚度的不銹鋼封頭直邊段及原材料鋼板進(jìn)行金相檢驗(yàn),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(shí)間為30 s～5 min,結(jié)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(fā)生了不同程度的馬氏體相變,均為奧氏體+形變誘發(fā)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(duì)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(dòng)量較少,直邊段切向上的金屬壓縮變形、擠壓量減少,產(chǎn)生的切向和厚度方向上的壓應(yīng)力較小,最終其形變誘發(fā)相變的馬氏體相對(duì)減少。結(jié)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(qū)域的組織變化規(guī)律與壁厚基本一致,冷沖壓成形對(duì)8.0 mm 厚封頭的組織影響最小。

4 不同成形厚度對(duì)硬度的影響

亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼冷沖壓成形后將誘發(fā)馬氏體相變,組織中形變誘發(fā)相變馬氏體相含量多少影響著材料內(nèi)應(yīng)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(kāi)裂隱患的主要依據(jù),而馬氏體相變的多少可通過(guò)宏觀硬度進(jìn)行表征。同樣選取原材料平板、成形后封頭頂部中心點(diǎn)(A點(diǎn))、壁厚變化出現(xiàn)的拐點(diǎn)部位(B點(diǎn))、小曲率部位(C點(diǎn))和直邊段(D點(diǎn))進(jìn)行硬度測(cè)試,為排除外表面劃傷、凹坑、污垢等其他因素的干擾,硬度測(cè)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(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)力為10 kgf(1 kgf=9.806 65 N),保壓時(shí)間為13 s,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種不同成形厚度封頭4個(gè)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(guò)渡段(B點(diǎn))較為平穩(wěn),未有大幅度增加,但從過(guò)渡段B點(diǎn)至小曲率半徑C點(diǎn)處硬度出現(xiàn)較為明顯的增加,至直邊段達(dá)到最大值;且8.0 mm 厚封頭整體的硬度相對(duì)最小,6.0 mm 厚封頭次之,4.0 mm 厚封頭硬度最大。硬度測(cè)試結(jié)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(yán)重,馬氏體組織含量最多,存在的相變內(nèi)應(yīng)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(guò)程中存在一定的應(yīng)力釋放,沖壓產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力、切向壓應(yīng)力及厚度方向上的壓應(yīng)力減小,金屬材料由中心、過(guò)渡段流動(dòng)至直邊段的量減少,導(dǎo)致封頭在中心部位至過(guò)渡段的壁厚減薄量與直邊段壁厚增厚量相對(duì)較小,組織中形變誘發(fā)形成的馬氏體組織相變量較少,性能上體現(xiàn)為整體硬度較低。在冷沖壓成形后不進(jìn)行消應(yīng)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(kāi)裂概率相對(duì)較低。

5 結(jié)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(qū)域的壁厚減薄或增厚量均相對(duì)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(guān)系,8.0 mm 厚封頭馬氏體相變量較少,組織內(nèi)應(yīng)力也較小。

(3)馬氏體相變量的多少,在性能上體現(xiàn)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(duì)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(kāi)裂概率較低。