304L碟形封頭冷溫沖壓變形研究

文／王守東·河南神州重型封頭有限公司

張海龍，劉勁松·沈陽(yáng)理工大學(xué)

陳帥鋒，鄧曉婷·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

304L碟形封頭冷溫沖壓變形研究

文／王守東·河南神州重型封頭有限公司

張海龍，劉勁松·沈陽(yáng)理工大學(xué)

陳帥鋒，鄧曉婷·中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

奧氏體不銹鋼封頭具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，足夠的塑性和韌性，不存在低溫下的韌脆轉(zhuǎn)變，具有很好的常溫和低溫性能，在石油、化工、橡膠、醫(yī)藥、食品等行業(yè)用合成塔和反應(yīng)釜低溫、高腐蝕壓力容器中得到了廣泛的應(yīng)用。

奧氏體不銹鋼封頭在變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變誘發(fā)塑性（Transformation Induced Plasticity，以下簡(jiǎn)稱“TRIP”）效應(yīng)，即部分奧氏體在變形過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。利用TRIP效應(yīng)可以有效提高奧氏體不銹鋼壓力封頭的強(qiáng)度，相變的作用可以增加材料的流動(dòng)性，使封頭在液氮、液氦、液氫等低溫狀態(tài)下能保持良好的性能。但是形變誘發(fā)馬氏體含量過(guò)高有利于應(yīng)力腐蝕裂紋形核，促進(jìn)電化學(xué)溶解速率增大，成為應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的活性通道，因此十分有必要控制封頭形變馬氏體含量。奧氏體不銹鋼封頭沖壓工藝是拉深和脹形工藝的結(jié)合。坯料在成形過(guò)程中經(jīng)歷復(fù)雜的變形路徑，底部主要受到雙向拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生雙向拉應(yīng)變，坯料發(fā)生減薄；凸緣部分受到周向壓應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力作用，產(chǎn)生雙向壓應(yīng)變，發(fā)生增厚。坯料在流動(dòng)過(guò)程中，因壓邊圈的作用，會(huì)發(fā)生反復(fù)彎曲-反彎曲，變形比較劇烈。有研究表明，不同變形模式下，奧氏體的穩(wěn)定性有明顯的差別，故封頭在成形過(guò)程中，各部分的馬氏體含量不一。奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性主要與材料的化學(xué)成分、鎳當(dāng)量Nieq、馬氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度Ms、相變誘發(fā)馬氏體的最高溫度Md、發(fā)生30%塑性應(yīng)變導(dǎo)致50%(體積分?jǐn)?shù)) a'—馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度MD30及層錯(cuò)能γSF有關(guān)。有研究表明，Ms和MD30越高，Nieq和γSF越低，奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性越低，越容易發(fā)生TRIP效應(yīng)。目前關(guān)于奧氏體不銹鋼封頭成形過(guò)程中TRIP效應(yīng)的研究較少。

本文以304L奧氏體不銹鋼封頭為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究封頭在冷沖壓，冷預(yù)壓、溫成形工藝下，封頭母材相應(yīng)部分的形變馬氏體含量。研究不同工藝條件下馬氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)理，對(duì)奧氏體封頭生產(chǎn)工藝參數(shù)的制定具有重要意義。

試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)材料及要求

試驗(yàn)封頭為THA2405mm×10mm奧氏體不銹鋼封頭，如圖1所示，小r半徑為240.5mm，大R半徑為2405mm，直邊高度為40mm，客戶要求壓制成形后各處馬氏體含量低于13%。

圖1 碟形封頭示意

試驗(yàn)用304L不銹鋼材料為封頭專用奧氏體不銹鋼，其成分如表1所示。

表1 304L不銹鋼成分

304L的內(nèi)部組織大部分為亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體組織，因此被稱為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，一般來(lái)講，把溫度降至馬氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度Ms以下，奧氏體不銹鋼組織就開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在Ms以上進(jìn)行塑性加工時(shí)，奧氏體在應(yīng)力和塑性變形作用下會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，這可以用圖2所示熱力學(xué)條件示意圖加以說(shuō)明，圖中ΔGγ→α為Ms的相變驅(qū)動(dòng)力，而形變?yōu)橄嘧兯峁┑哪芰闄C(jī)械驅(qū)動(dòng)力。圖中陰影部分表示化學(xué)驅(qū)動(dòng)力隨溫度的變化，當(dāng)溫度在Ms點(diǎn)時(shí)，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力剛好等于ΔGγ→α。圖中ab線代表化學(xué)驅(qū)動(dòng)力疊加上去的一部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，設(shè)在溫度T1下，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力為mn，若在該溫度下，所提供的pm+mn剛好等于ΔGγ→α，就能發(fā)生馬氏體相變，顯然溫度越高pm值越大，所需機(jī)械驅(qū)動(dòng)力越大。形變誘發(fā)馬氏體相變的最高溫度為Md點(diǎn)，即溫度在高于Md時(shí)不能誘發(fā)相變。根據(jù)奧氏體不銹鋼馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的計(jì)算公式得出，Ms= -265℃，Md= 145.89℃。

這說(shuō)明常溫下亞穩(wěn)態(tài)的不銹鋼冷加工時(shí)就會(huì)有部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而當(dāng)溫度超過(guò)Md時(shí)驅(qū)動(dòng)力不足，不會(huì)發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體，所以把封頭加熱溫度定為150℃。

圖2 形變誘發(fā)馬氏體相變熱力學(xué)條件示意圖

試驗(yàn)方案

表2 封頭成形試驗(yàn)方案

為了對(duì)比不同工藝條件下封頭的成形情況，制定以下試驗(yàn)方案（表2），方案一為采用直接冷壓成形，方案二、三、四采用先冷壓后溫壓的方法進(jìn)行壓制，溫壓加熱時(shí)在封頭的拉環(huán)凸臺(tái)和壓邊接觸部位放置四個(gè)加熱器，同時(shí)對(duì)封頭的口部進(jìn)行加熱，加熱時(shí)壓機(jī)下旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)托住封頭不斷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)將其加熱到150℃以上進(jìn)行壓制，封頭口部局部加熱情況如圖3所示。

圖3 封頭局部加熱圖

有研究表明，奧氏體不銹鋼TRIP效應(yīng)產(chǎn)生的馬氏體全部為α'馬氏體，而α'馬氏體是具有磁性的，故封頭成形后，可以使用鐵素體測(cè)量?jī)x（Ferrite Determ SP10a）按圖4所示測(cè)量方案測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的相變馬氏體含量。圖4中，1、2、3、4是直邊處，5、6、7、8、9、10、11是小r處，12、13、14是大R處。

圖4 測(cè)量位置放大示意圖

試驗(yàn)結(jié)果和討論

封頭冷沖壓前后奧氏體不銹鋼馬氏體含量變化如圖5所示。由圖5可知沖壓前奧氏體不銹鋼母材的馬氏體含量都在2%以下，這是因?yàn)閵W氏體不銹鋼在常溫下具有奧氏體組織，而奧氏體組織通常是無(wú)磁性的。方案一經(jīng)過(guò)一次冷沖壓直接成形封頭，母材的馬氏體含量急劇升高，最高含量甚至達(dá)到38.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于15%的要求。這是因?yàn)槭覝?5℃介于Ms和Md之間，此時(shí)化學(xué)驅(qū)動(dòng)力小于馬氏體轉(zhuǎn)變所需要的相變驅(qū)動(dòng)力，隨著應(yīng)變量的增大機(jī)械驅(qū)動(dòng)力增大，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)化學(xué)驅(qū)動(dòng)力與機(jī)械驅(qū)動(dòng)力之和等于馬氏體轉(zhuǎn)變所需的相變驅(qū)動(dòng)力，母材開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于方案一直接采用冷壓成形，封頭的變形量很大造成了母材馬氏體含量急劇升高，出現(xiàn)馬氏體含量遠(yuǎn)大于15%的現(xiàn)象。

圖5 冷壓后各方案馬氏體含量

封頭的變形量可以通過(guò)有限元軟件模擬得到，圖6為有限元軟件Marc模擬所得封頭冷沖壓后應(yīng)變量與弧長(zhǎng)關(guān)系，圖中AB為大R處，BC為小r處，CD為直邊處。通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn)方案一成形封頭小r中部區(qū)域的應(yīng)變量達(dá)到了45%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的馬氏體轉(zhuǎn)變量也是達(dá)到了最大值38.5%，通過(guò)圖5和圖6可以得出，奧氏體不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變量與冷壓變形量成正比。

方案二、方案三和方案四由于冷拉深量比較小（應(yīng)變量都小于30%），馬氏體含量都不是很高，沒(méi)有超過(guò)13%的要求；在封頭直邊處，方案三和方案四應(yīng)變量基本相同，相應(yīng)的馬氏體含量變化不大，這與前面得出的結(jié)論相吻合。由方案三和方案四可以看出在壓制深度不超過(guò)370mm時(shí)，馬氏體的含量均在13%以下，而此時(shí)方案三和方案四的應(yīng)變量均在30%以下，當(dāng)封頭的應(yīng)變量大于30%時(shí)，馬氏體含量急劇升高而大于15%，因此可以得出，不銹鋼封頭在冷壓過(guò)程中當(dāng)應(yīng)變量不超過(guò)30%時(shí)，馬氏體的轉(zhuǎn)變量在13%以下。

方案二和方案三對(duì)比可以看出壓制深度相同時(shí)，壓制次數(shù)對(duì)馬氏體的含量具有一定的影響，有研究表明，在不同的變形模式下馬氏體的含量有著很大的差異。胡鋼等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)馬氏體含量與彎曲半徑有關(guān)，彎曲半徑越小得到的馬氏體含量越多，在彎曲弧度相同的情況下，封頭內(nèi)側(cè)的曲率大于外側(cè)的曲率，并且內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力，所以封頭內(nèi)壁的馬氏體含量高于外壁；由于碟形封頭小r半徑明顯小于大R半徑（小r值約為大R的1/10），小r處的變形量遠(yuǎn)大于大R處，所以碟形封頭成形后小r處馬氏體含量最大。

冷壓之后進(jìn)行溫壓母材馬氏體含量如圖7所示。由圖7可知各方案冷壓之后進(jìn)行溫壓，馬氏體含量和冷壓后相比基本沒(méi)有變化，這是因?yàn)闇貕簳r(shí)坯料變形區(qū)的加熱溫度大于Md，此時(shí)化學(xué)驅(qū)動(dòng)力太小，即使應(yīng)力再大也不會(huì)發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體，所以溫壓后馬氏體含量和之前相比幾乎沒(méi)有變化，試驗(yàn)結(jié)果與前面的推論相符。

圖6 冷壓后應(yīng)變量與弧長(zhǎng)關(guān)系圖

圖7 溫壓后各方案馬氏體含量

結(jié)論

⑴確定了THA2405mm×10mm 304L封頭壓制工藝，即先冷拉深370mm，然后對(duì)封頭口部加熱進(jìn)行溫壓壓制，封頭成形時(shí)間控制在30min以內(nèi)，馬氏體含量在13%以內(nèi)。

⑵奧氏體304L不銹鋼在室溫下進(jìn)行冷加工會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，加熱進(jìn)行溫壓壓制不會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

⑶不銹鋼封頭在冷壓過(guò)程中當(dāng)應(yīng)變量不超過(guò)30%時(shí)，馬氏體的轉(zhuǎn)變量在13%以下。相同的冷加工方式，馬氏體相變量與變形量成正比。