支架用冷軋2205 不銹鋼板成形性能及機(jī)理分析★

蘇超杰

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 450052）

0 引言

由于碳鋼經(jīng)常受到液壓油的腐蝕，而不銹鋼在抗腐蝕方面具有很好的優(yōu)勢(shì)，因此被經(jīng)常用于液壓支架部件上。按照組織穩(wěn)定性差異，可以將固溶處理得到的不銹鋼組織類型分成亞穩(wěn)定型與穩(wěn)定型兩種，其中，2205（06Cr19Ni10）與301（12Cr17Ni7）屬于亞穩(wěn)型[1]。當(dāng)溫度或壓力條件改變時(shí)，亞穩(wěn)型組織將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體結(jié)構(gòu)（A→M）[2]，上述過(guò)程可以通過(guò)低溫環(huán)境或以室溫變形的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道可知，在以上兩種轉(zhuǎn)換條件下，第二種條件將會(huì)促使A 相更容易轉(zhuǎn)變?yōu)镸相，由此生成應(yīng)變誘發(fā)馬氏體。

近些年，隨著越來(lái)越多學(xué)者對(duì)應(yīng)變誘發(fā)馬氏體組織結(jié)構(gòu)性能及其轉(zhuǎn)變機(jī)制進(jìn)行了深入研究，在理論分析方面也取得了一定成果[3-4]。例如，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類鋼材加工與生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面分析，例如將需要折疊使用的2205L 不銹鋼進(jìn)行力學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究，并構(gòu)建了相應(yīng)的仿真模型[5]，還有學(xué)者研究了薄層2205 不銹鋼板在雙向脹形轉(zhuǎn)變階段發(fā)生的雙軸變形過(guò)程以及基體組織發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的作用機(jī)理[6]。還有文獻(xiàn)報(bào)道了將2205L 板坯置于-196 ℃的超低溫環(huán)境中進(jìn)行80%（變形率）軋制來(lái)實(shí)現(xiàn)馬氏體組織轉(zhuǎn)變的效果，并綜合運(yùn)用SEM與XRD等檢測(cè)方法測(cè)試了上述試樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)特性，由此達(dá)到完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的效果[7]，這為實(shí)現(xiàn)在超低溫環(huán)境中加工不銹鋼材料創(chuàng)造了有利條件。對(duì)于非不銹鋼材料加工過(guò)程，還有學(xué)者通過(guò)分析塑性變形階段亞穩(wěn)態(tài)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的機(jī)理，開(kāi)發(fā)出了相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）等更先進(jìn)的支架用鋼用品，可以達(dá)到30 GPa·%以上的強(qiáng)塑積（抗拉強(qiáng)度×斷后延伸率）參數(shù)，具有優(yōu)異的韌性與抗沖擊能力，表現(xiàn)出了廣闊應(yīng)用前景與技術(shù)發(fā)展?jié)摿8]。

根據(jù)工程應(yīng)用領(lǐng)域的合金原料統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，不銹鋼已成為第二大數(shù)量的板料產(chǎn)品。沖壓成型屬于一種金屬冷變形處理技術(shù)，會(huì)形成不均勻分布的局部應(yīng)變狀態(tài)。對(duì)于不銹鋼薄板受到?jīng)_壓作用時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的程度還需開(kāi)展深入研究，并且對(duì)于A→M轉(zhuǎn)變過(guò)程的具體特征也沒(méi)有形成深入認(rèn)識(shí)。此外還需研究馬氏體相變階段的效應(yīng)機(jī)制及冷軋成形引起的制品力學(xué)性能與內(nèi)部組織形態(tài)變化情況。以上內(nèi)容在學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)選擇氬氧脫碳（AOD）與爐外精煉方法制備的2205（06Cr19Ni10）不銹鋼作為測(cè)試材料，將冷軋板升溫至1 050 ℃以上，并實(shí)施固溶處理得到厚度為1.28 mm 的試樣。采用同一產(chǎn)線生產(chǎn)的鐵素體不銹鋼冷軋板料與熱軋板作為對(duì)比材料。

軋制產(chǎn)品類型為CQ（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）、寬1000 mm，初始厚度為2.50 mm，加工為成品后的厚度為0.60 mm，第四機(jī)架入口部位的厚度為0.871 mm，出口厚0.61 mm，設(shè)定9.1 MN 的軋制載荷，設(shè)定輥徑均值570 mm，電機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速280r/min。控制軋輥目標(biāo)轉(zhuǎn)速vx=28rad/s，初始參數(shù)x0=（0，0，0）。

根據(jù)GB/T 228—2002 標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)程控測(cè)試機(jī)開(kāi)展拉伸測(cè)試，測(cè)試溫度為室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 硬度分析

圖1 顯示采用磁針?lè)椒y(cè)定2205 不銹鋼發(fā)生應(yīng)變過(guò)程中硬度（HRB）參數(shù)分布。當(dāng)拉伸變形程度在30%以內(nèi)時(shí)，硬度呈現(xiàn)線性增加，但幅度不大；當(dāng)變形程度超過(guò)35%后，硬度增加變得很明顯，這可能和冷軋過(guò)程中馬氏體的增加有關(guān)。

圖1 不同變形量下冷軋2205 不銹鋼硬度分布

2.2 力學(xué)性能分析

不同不銹鋼鋼號(hào)的擴(kuò)孔率和杯突值結(jié)果如表1、表2 所示。對(duì)表1、表2 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，2205 不銹鋼可以滿足優(yōu)異擴(kuò)孔與杯突的性能要求，并且杯突值（IE 值）與擴(kuò)孔率λ 值相較于各類鐵素體不銹鋼都有顯著的提高。雖然本次采用的2205 板達(dá)到了最小厚度（根據(jù)不銹鋼板性能測(cè)試結(jié)果可知，IE 值與λ 值都會(huì)引起一定程度的板厚效應(yīng)，隨著板厚度的減小，成形過(guò)程將會(huì)受到更不利的影響，特別是此時(shí)擴(kuò)孔率λ會(huì)發(fā)生明顯降低的現(xiàn)象），但相對(duì)6 種常規(guī)鐵素體不銹鋼板，2205 板在進(jìn)行沖壓測(cè)試時(shí)達(dá)到了更平穩(wěn)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)成形加工得到的擴(kuò)孔試件與杯突試件的外形、尺寸達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件；對(duì)2205 板進(jìn)行擴(kuò)孔時(shí)沒(méi)有引起底裂的情況，430、4108 與409L 則依次形成了45%、91%與32%的底裂。這主要是由于2205 板具備優(yōu)異的塑性及易于成形的特點(diǎn)。

表1 不同不銹鋼鋼號(hào)的擴(kuò)孔率λ 結(jié)果

表2 不同不銹鋼鋼號(hào)的杯突值IE 結(jié)果

為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行對(duì)比與考察，本次選擇國(guó)內(nèi)其他5 家廠家生產(chǎn)的2205 等冷軋板進(jìn)行樣品測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)變誘發(fā)馬氏體、λ 值與IE 值跟本文測(cè)試結(jié)果相近。

3 分析討論

受奧氏體組織的面心立方結(jié)構(gòu)影響，2205 鋼材λ 值只達(dá)到1.0，在擴(kuò)孔與杯突階段，發(fā)生A→M 的相變過(guò)程，促使2205 鋼加工硬化指數(shù)n 達(dá)到極高值。受馬氏體應(yīng)變誘發(fā)以及n 值增加的共同作用，在成形區(qū)中各部位形成了更均勻的變形狀態(tài)，同時(shí)延遲了危險(xiǎn)區(qū)域的“縮頸”時(shí)間，并且2205 具備優(yōu)異塑性（本次選擇的板料延伸率δu等于50.4%，根據(jù)近些年某鋼廠實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)可知，如果設(shè)置精細(xì)化工藝管控方案，還可以實(shí)現(xiàn)δu的顯著增大），最終確保2205 冷軋板實(shí)現(xiàn)優(yōu)異成形結(jié)構(gòu)。

本文重點(diǎn)分析了杯突值IE、擴(kuò)孔值λ 和不銹鋼板力學(xué)特性之間的相互作用關(guān)系，圖2 與圖3 給出了6 個(gè)廠家的14 種鋼材對(duì)應(yīng)的λ-n 與IE-n 曲線，各數(shù)據(jù)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)1 個(gè)廠家特定鋼號(hào)試驗(yàn)爐的結(jié)果均值。經(jīng)對(duì)比可知，不銹鋼板的擴(kuò)孔率、杯突值均與加工硬化指數(shù)形成了明顯正相關(guān)性，且2205 鋼都表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)。

圖2 λ-n 關(guān)系圖

圖3 IE-n 關(guān)系圖

2205 鋼屬于當(dāng)前各領(lǐng)域應(yīng)用最廣的不銹鋼材料，可以滿足無(wú)磁、低溫等多種環(huán)境要求的設(shè)備制造條件。原先呈現(xiàn)無(wú)磁狀態(tài)的不銹鋼經(jīng)過(guò)沖壓變形處理后將會(huì)誘發(fā)生成馬氏體，從而產(chǎn)生一定鐵磁性，因此對(duì)于非磁等場(chǎng)所的不銹鋼沖壓構(gòu)件的使用需重點(diǎn)探討。

4 結(jié)論

1）相對(duì)6 種常規(guī)鐵素體不銹鋼板，2205 板在進(jìn)行沖壓測(cè)試時(shí)達(dá)到了更平穩(wěn)的狀態(tài)，具備優(yōu)異的塑性及易于成形的特點(diǎn)。

2）2205 不銹鋼可以滿足優(yōu)異擴(kuò)孔與杯突的性能要求，并且其IE 值與λ 值相較于各類鐵素體不銹鋼都有顯著提高。