Cr-Ni輕型氣瓶旋壓收口金屬脫落原因分析

尹人潔，王婀娜，童宗圣

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610301）

Cr-Ni鋼制作的高強度高韌性輕型高壓氣瓶，具有強度高、韌性好和較高的抗軟化及抗脆性破壞性能，其質量比相同容量的普通氣瓶小［1-3］。氣瓶生產廠家常采用中頻感應加熱及三軸聯動旋壓收口制作氣瓶，在一次氣瓶旋壓收口過程中，在氣瓶收口部位發生了金屬脫落現象（圖1）。

本文對Cr-Ni輕型氣瓶旋壓收口金屬脫落進行檢驗和分析，找出金屬脫落產生的原因，并提出解決措施。

1 Cr-Ni鋼輕型高壓氣瓶生產工藝

Cr-Ni無縫鋼管制作高壓氣瓶的生產工藝為：鋸切→中頻加熱→三軸聯動旋壓收口→熱處理……探傷→水壓→檢查→包裝、入庫。

2 缺陷分析

2.1 宏觀形貌分析

脫落的金屬表面呈現“豆渣”式開裂，無金屬光澤，輕輕敲擊會有渣狀物脫落，金屬脫落缺陷形貌如圖2所示。

2.2 化學成分分析

在缺陷附近取樣，采用直讀光譜法進行化學成分分析，結果顯示其化學成分符合鋼管供貨協議要求。

圖1 收口處發生金屬脫落的氣瓶

圖2 金屬脫落缺陷形貌

2.3 微觀形貌分析

在掃描電鏡（SEM）下觀察，缺陷表面凹凸如“橘皮”狀（圖3），表面淺表層的裂紋中填充有灰色的氧化物（圖4），經能譜分析（EDS）該氧化物為氧化鐵（圖5）。

圖3“橘皮”狀缺陷表面

圖4 裂紋中填充的灰色氧化物

圖5 氧化物的能譜分析結果

2.4 金相分析

從脫落的金屬端面截取金相試樣，經磨制、拋光后肉眼觀察發現：短且粗的裂口密布于棱角突出的表面（圖6）。

圖6 缺陷橫截面整體形貌

顯微鏡下觀察發現：試樣截面分布著很多裂紋和孔隙（圖7），裂紋呈網狀或半網狀，裂紋內部已氧化；裂紋和孔隙缺陷深入基體約10mm。淺層裂紋旁側及尾端密布大量的高溫氧化物粒子（圖8），缺陷處無大型非金屬夾雜物。試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，顯示基體金相組織為粗針狀馬氏體（圖9），淺層裂紋處有明顯脫碳現象（圖10）。試樣經飽和苦味酸溶液浸蝕后，原奧氏體晶粒度為-2.0級（圖11），在三角晶界處存在明顯的燒熔孔洞現象［4］（圖12）。

2.5 非金屬夾雜物檢驗

依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》［5］對發生金屬脫落的鋼管進行非金屬夾雜物檢驗。檢驗結果為：A、B、C類均為0級，D類為 0.5級，Ds類為0.5級，符合訂貨合同協議要求。

圖7 裂紋和孔隙形貌

圖8 裂紋處的高溫氧化物粒子

圖9 粗針狀馬氏體組織

圖10 腐蝕后裂紋旁側的脫碳現象

圖11 粗大的原奧氏體晶粒

圖12 三角晶界處的燒熔孔洞

3 綜合分析

經以上檢驗分析證明，產生金屬脫落缺陷的氣瓶的化學成分和非金屬夾雜物評級均符合要求。脫落的金屬外表面呈暗灰色，呈現典型的“豆渣”式開裂，過燒特征明顯。基體組織中有粗大的奧氏體晶粒和粗針狀馬氏體，說明該材料有嚴重的過熱組織。顯微鏡下可觀察到原奧氏體晶界存在明顯的熔融現象。淺層裂紋有明顯的脫碳，原奧氏體晶界燒熔，在表面張力的作用下收縮成空隙或微孔洞（圖13）。由此可判定金屬脫落是由于材料過燒所致。

圖13 晶界燒熔現象

氣瓶生產廠家采用中頻加熱及三軸聯動旋壓機對氣瓶進行收口，三軸聯動旋壓收口原理如圖14所示［6-10］。當鋼管在中頻感應加熱時溫度控制不當，就會造成加熱溫度接近鋼的液相點，同時三軸聯動旋壓產生的機械能和摩擦力大于單（雙）輪聯動旋壓產生的，能量轉化為熱能，局部區域形變量較大，甚至滑移面溫度上升至液相點以上，從而導致氣瓶收口處形變過燒［11］。

圖14 三軸聯動旋壓收口原理示意

4 改進措施及效果

根據分析討論結果，氣瓶生產廠家檢查了加熱設備，重新校核溫度監控裝置，調整加熱參數。改進后制作氣瓶時未再出現金屬脫落現象。

5 結 語

中頻感應加熱速度快，少（無）氧化，但因升溫速度過快而不易控制，且三軸聯動旋壓收口使鋼管在瞬間高壓力下發生快速變形，因能量轉化導致材料局部溫度升高而發生過燒，即形變過燒［11］。形變過燒是Cr-Ni鋼制作氣瓶產生金屬脫落的主要原因，氣瓶生產廠家可通過調整加熱參數來解決。

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