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(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610301）

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

本文對(duì)Cr-Ni輕型氣瓶旋壓收口金屬脫落進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，找出金屬脫落產(chǎn)生的原因，并提出解決措施。

1 Cr-Ni鋼輕型高壓氣瓶生產(chǎn)工藝

Cr-Ni無(wú)縫鋼管制作高壓氣瓶的生產(chǎn)工藝為：鋸切→中頻加熱→三軸聯(lián)動(dòng)旋壓收口→熱處理……探傷→水壓→檢查→包裝、入庫(kù)。

2 缺陷分析

2.1 宏觀形貌分析

脫落的金屬表面呈現(xiàn)“豆渣”式開(kāi)裂，無(wú)金屬光澤，輕輕敲擊會(huì)有渣狀物脫落，金屬脫落缺陷形貌如圖2所示。

2.2 化學(xué)成分分析

在缺陷附近取樣，采用直讀光譜法進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示其化學(xué)成分符合鋼管供貨協(xié)議要求。

圖1 收口處發(fā)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(jīng)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(jié)果

2.4 金相分析

從脫落的金屬端面截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后肉眼觀察發(fā)現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)：試樣截面分布著很多裂紋和孔隙（圖7），裂紋呈網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀，裂紋內(nèi)部已氧化；裂紋和孔隙缺陷深入基體約10mm。淺層裂紋旁側(cè)及尾端密布大量的高溫氧化物粒子（圖8），缺陷處無(wú)大型非金屬夾雜物。試樣經(jīng)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(xiàn)象（圖10）。試樣經(jīng)飽和苦味酸溶液浸蝕后，原奧氏體晶粒度為-2.0級(jí)（圖11），在三角晶界處存在明顯的燒熔孔洞現(xiàn)象［4］（圖12）。

2.5 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》［5］對(duì)發(fā)生金屬脫落的鋼管進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果為：A、B、C類均為0級(jí)，D類為 0.5級(jí)，Ds類為0.5級(jí)，符合訂貨合同協(xié)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(cè)的脫碳現(xiàn)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(jīng)以上檢驗(yàn)分析證明，產(chǎn)生金屬脫落缺陷的氣瓶的化學(xué)成分和非金屬夾雜物評(píng)級(jí)均符合要求。脫落的金屬外表面呈暗灰色，呈現(xiàn)典型的“豆渣”式開(kāi)裂，過(guò)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(shuō)明該材料有嚴(yán)重的過(guò)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(xiàn)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(guò)燒所致。

圖13 晶界燒熔現(xiàn)象

氣瓶生產(chǎn)廠家采用中頻加熱及三軸聯(lián)動(dòng)旋壓機(jī)對(duì)氣瓶進(jìn)行收口，三軸聯(lián)動(dòng)旋壓收口原理如圖14所示［6-10］。當(dāng)鋼管在中頻感應(yīng)加熱時(shí)溫度控制不當(dāng)，就會(huì)造成加熱溫度接近鋼的液相點(diǎn)，同時(shí)三軸聯(lián)動(dòng)旋壓產(chǎn)生的機(jī)械能和摩擦力大于單（雙）輪聯(lián)動(dòng)旋壓產(chǎn)生的，能量轉(zhuǎn)化為熱能，局部區(qū)域形變量較大，甚至滑移面溫度上升至液相點(diǎn)以上，從而導(dǎo)致氣瓶收口處形變過(guò)燒［11］。

圖14 三軸聯(lián)動(dòng)旋壓收口原理示意

4 改進(jìn)措施及效果

根據(jù)分析討論結(jié)果，氣瓶生產(chǎn)廠家檢查了加熱設(shè)備，重新校核溫度監(jiān)控裝置，調(diào)整加熱參數(shù)。改進(jìn)后制作氣瓶時(shí)未再出現(xiàn)金屬脫落現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

中頻感應(yīng)加熱速度快，少（無(wú)）氧化，但因升溫速度過(guò)快而不易控制，且三軸聯(lián)動(dòng)旋壓收口使鋼管在瞬間高壓力下發(fā)生快速變形，因能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)致材料局部溫度升高而發(fā)生過(guò)燒，即形變過(guò)燒［11］。形變過(guò)燒是Cr-Ni鋼制作氣瓶產(chǎn)生金屬脫落的主要原因，氣瓶生產(chǎn)廠家可通過(guò)調(diào)整加熱參數(shù)來(lái)解決。

［1］洪連山，李曉.超高強(qiáng)鋼及輕型薄壁氣瓶用無(wú)縫鋼管的研制［J］.鋼管，1995，24（1）：34-37.

［2］羅先登，杜厚益.高強(qiáng)鋼制輕型高壓氣瓶［J］.鋼管，2000，29（3）：49-50.

［3］羅先登.高壓氣瓶用無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)與進(jìn)展［J］.鋼管，1999，28（4）：1-5.

［4］張菊水.鋼的過(guò)熱與過(guò)燒［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984.

［5］全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［6］賈英輝，李莉，張文成.旋壓技術(shù)在生產(chǎn)整體氣瓶中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科技信息，2007（22）：299-300，303.

［7］ 趙云豪.旋壓技術(shù)現(xiàn)狀［J］.鍛造技術(shù)，2005（5）：95-97.

［8］徐恒秋，樊桂森，張銳.旋壓設(shè)備及工藝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.新技術(shù)新工藝，2007（2）：6-8.

［9］梁佰祥，楊明輝，陽(yáng)意慧，等.氣瓶旋壓成形技術(shù)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2004，33（10）：12-13，18.

［10］趙琳瑜，韓冬，張立武，等.旋壓成形技術(shù)和設(shè)備的典型應(yīng)用與發(fā)展［J］.鍛壓技術(shù)，2007，32（6）：18-26.

［11］孫象明.“形變過(guò)燒”——一個(gè)值得探討的課題［J］.熱處理，2006，21（4）：61.