高性能奥氏体不锈钢指南 — 冷成形

文摘   科技   2022-08-26 14:07   北京  

环境温度下,奥氏体不锈钢的延展性非常好,在冷成形过程中,无论是简单的弯曲还是复杂的深冲拉伸,好的延展性即为良好的成形性。不同牌号的成形性与它们的强度和加工硬化性能相关。高强度牌号如高性能奥氏体不锈钢和200系不锈钢需要较大的冲压功率,或需要限制断面尺寸。加工硬化率高的牌号,如301和201,非常适于拉伸操作。

图1 通过成形模块进行成形或弯曲的金属都会有回弹。制定成形方案时必须考虑回弹量,才能确保最终尺寸正确。

金属冷成形时,移开成形工具后工件有部分恢复原状的趋势(见图1),这种趋势被称为“回弹”。为了获得所希望的工件形状,冷成形操作必须补偿这种回弹。钢的强度和加工硬化率越高,回弹量越大。奥氏体相稳定性低的牌号(如301)和氮合金化牌号如大多数高性能奥氏体不锈钢的屈服强度和加工硬化率较高,造成回弹量较大。奥氏体相稳定性低且氮含量较高的200系不锈钢的回弹量最大。氮含量在规定成分范围内的变化会显著改变成形性和预期的回弹量, 即使是氮含量最大为0.10%的标准牌号也如此。

联运罐式集装箱通常由316不锈钢制成,经冷成形制成圆柱体©IMOA

弯曲

经过退火的奥氏体不锈钢可以成形为急弯弯头。例如, 利用自由弯曲, 即在不对弯曲处施加任何力的情况下把试样的末端推到一起,180°弯曲以材料厚度的1/2为半径(1/2t 180°弯曲),与轧制方向无关,这是标准奥氏体不锈钢的通用验收标准。如表1所示,对于强度较高或回火轧制的钢种,该标准有所放宽。

表1 180°自由弯曲最小弯曲半径

在弯曲操作中,通过加大弯曲角度,使金属“过弯”补偿回弹,消除弯曲力后就可得到所需的最终角度。回弹量取决于几何因素和不锈钢特性。影响回弹量的几何因素包括部件壁厚和弯曲半径。弯曲半径与截面厚度之比越大,屈服强度和加工硬化率越大,回弹量就越大。

图2以退火300系不锈钢为例,说明模具半径、材料厚度和部件角度之间的关系。如部件的模具半径与厚度的比值为10时,模具角度与部件角度的平均比值为1.12。如果部件的最终弯曲角度为90°, 则该部件必须弯曲至100.8°,相当于留出10.8°的回弹量。

图2 退火300系奥氏体不锈钢弯曲操作的模具角度/材料厚度、部件半径、部件弯曲角度之间的关系


对于不同强度特性的牌号,回弹量通常与以下因素成比例关系:
[0.2YS + UTS]/2
其中,YS和UTS分别为屈服强度和极限抗拉强度。

这个关系式可以用来比较不同强度等级的不锈钢的回弹量。假定图2所示的300系不锈钢的屈服强度和抗拉强度分别为275MPa 和655MPa,300系不锈钢的预期回弹量按10.8°,上述表达式可用于估算更高强度的不锈钢的回弹量。例如,屈服强度和抗拉强度分别为345MPa 和790MPa的高性能奥氏体不锈钢,回弹量计算如下:

基于这个近似值,如果上图的例子采用高性能奥氏体不锈钢,那么,材料必须弯曲到大约103.1°,才能使最终弯曲角度达到90°。

1、压弯机折弯
压弯机将板料夹紧在冲头和模具之间,将金属板弯曲成精准形状。选择冲头和模具的尺寸时,要考虑回弹量,消除弯曲力后获得具有所需弯曲角度的最终形状。奥氏体不锈钢压弯方式与碳钢相同,但不锈钢的强度较高,回弹量较大。标准的退火和加工硬化不锈钢压弯成形的最小弯曲半径见表2。
表2 压弯成形的最小弯曲半径

压弯机弯曲不锈钢板©IMOA


2、辊压弯曲
辊压弯曲是制造容器、罐体和其它空心圆形型材常用的加工方法。薄厚板料的弯曲一般都是由三辊成形机完成。成形机的顶辊是固定的,底辊可根据板料厚度上下调整。第三支辊的作用是调整角度,确定弯曲直径。

三辊弯曲机©IMOA


辊轧成形

辊轧成形是生产槽钢和角钢等长材产品经济有效的方法。而且还可以利用辊轧成形工艺在板材上轧出强化脊槽,降低建筑或运输用途所需材料的厚度。奥氏体钢很容易辊轧成形, 但是, 由于牌号和成分不同,它们的强度和加工硬化率有很大差异,造成辊轧成形产品的尺寸公差发生变化。冶炼厂可以通过控制钢中镍,碳和氮的含量变化,最大限度地减少可变性。

辊轧成形机加工的槽形不锈钢 ©Warut Sintapanon/Dreamstime.com


冲压拉伸
冲压冷成形操作,是指将材料冲压到模具中,产生所需形状介于以下两个极端操作之间:

纯冲压操作:金属材料的边缘不受限制,金属被冲入模具中。冲压用的材料应具有足够的延展性,以便在夹边最小的情况下,材料在模具中均匀延伸,而且在冲压过程中加工硬化率不能太高。专门用于深冲的不锈钢牌号,如305,具有高延展性,非常稳定的奥氏体相和低加工硬化率。

纯拉伸操作:金属材料周边硬性固定,仅通过拉伸使金属入模,达到冲压的效果。该操作同时伴随着工件壁厚度相应减薄。拉伸用的材料要有高加工硬化率,例如301不锈钢,这样可以在无断裂情况下加大成形深度。

造型复杂,冲压拉伸的奥氏体不锈钢水槽 © Outokumpu


为了通过形变马氏体相提高加工硬化率,有些牌号的成分经过均衡处理,增强了拉伸性能。例如,高碳低镍301不锈钢,它的加工硬化率非常高,强化了加工成形变薄的区域。这样可以将应变转移到周边较软的区域,以便变形继续且不发生断裂。下图所示为热交换器板,采用要求大拉伸能力的拉伸成形来制造。成形后的长度远远大于原始长度。奥氏体不锈钢优异的加工硬化性使其可以加工成槽型,而且折弯处不发生断裂。

冷成型换热器板的复杂图案 ©Graham Sussex


实际成形操作中, 更多是采用冲压和拉伸相结合的方法。因此,坯料的性能需要与零件所涉及的冲压拉伸量相匹配。由于不锈钢牌号很多,力学性能范围较为宽泛,因此,可以根据具体操作优化选材。而先进的钢板成形技术也催生了许多专用牌号(在标准化学成分范围内),以满足成形操作的特定需要。

旋压成形

旋压成形是一种冷成形工艺,当金属盘或管快速旋转时,圆形旋压头或旋压辊施加压力形成轴对称零件(见下图)。旋压成形要求材料延展性好,加工硬化率低,所以,对于某些加工硬化率高的标准奥氏体不锈钢而言,旋压成形受到限制。改变钢的成分可解决这个问题。305,309,310和904L不锈钢镍含量高(有时还添加少量的铜),降低了有效加工硬化率,比较适合深冲和旋压成形。即使是延展性好的牌号, 由于旋压变形量大, 可能需要进行中间退火,才能防止开裂, 确保最终形状。

旋压成形奥氏体不锈钢封头利用了钢的高延展性©IMOA


冷镦

不锈钢螺栓和其它紧固件比较容易采用冷镦(模具内的轴向冲压)工艺进行制造。为了提高螺栓头的强度,适度加工硬化是必要的,但是,高延展性和低加工硬化率更易于完成冷镦并减少工具磨损。镍含量较高的304不锈钢(305)或铜含量较高的304不锈钢(S30433,有时也称之为“302HQ”)具有良好的流动性,最大限度地降低了边部裂纹风险。下图为冷镦示意图。

冷镦不锈钢螺栓要求金属在模具内有良好的流动性


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