F55 雙相不銹鋼閥蓋制造工藝及產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)證

文／余鳴亮·浙江聯(lián)大鍛壓有限公司

曹峰華·上海電機(jī)學(xué)院

基于優(yōu)異的力學(xué)性能和耐氯離子腐蝕性能，雙相不銹鋼產(chǎn)品越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在海洋平臺(tái)、深海石油管道等工況下，作為閥體承壓件和控壓件的材料，比較典型的材料有美標(biāo)ASTM A182/A182M-2018 中的F53 和F55。對(duì)于高安全性能閥門(mén)鍛造生產(chǎn)企業(yè)，不僅要嚴(yán)格控制鍛件的外觀成形質(zhì)量，更要嚴(yán)格控制產(chǎn)品內(nèi)部組織性能等要素，本文以F55 材質(zhì)雙相不銹鋼閥蓋產(chǎn)品為例，主要介紹一下其成形工藝及鍛件性能分析。

閥蓋產(chǎn)品介紹

閥蓋產(chǎn)品材質(zhì)為F55 雙相鋼，產(chǎn)品整體為兩側(cè)帶大法蘭的中空零件，結(jié)構(gòu)較規(guī)則，成形工藝上適合錘鍛開(kāi)坯和胎模鍛造聯(lián)合成形工藝。

F55 雙相不銹鋼閥蓋對(duì)原材料要求較高，需要采用AOD 冶煉技術(shù)，鋼錠成分應(yīng)符合表1 成分要求。

表1 F55 雙相不銹鋼成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造成形工藝

針對(duì)此閥蓋產(chǎn)品，首先采取錘鍛開(kāi)坯、沖孔，然后采取胎模鍛成形，成形工藝流程如圖2 所示。將加熱好的圓柱形坯料放置于錘鍛工作臺(tái)上進(jìn)行鐓粗制坯；在鐓粗后的坯料上端中心放置錐形模具，預(yù)成形中心孔；將坯料翻轉(zhuǎn)，沖掉連皮；采用專用的胎模在鍛造設(shè)備上鍛造成形。在鍛造過(guò)程中嚴(yán)格控制產(chǎn)品的鍛造溫度，該材質(zhì)鍛件始鍛溫度不能高于1180℃，加熱溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)超量鐵素體，影響雙相不銹鋼的使用性能，終鍛溫度不能低于950℃，若鍛造過(guò)程中鍛件溫度低于950℃，應(yīng)回爐進(jìn)行保溫，再進(jìn)行二次鍛造。

圖1 F55 材質(zhì)雙相不銹鋼閥蓋

圖2 閥蓋鍛造成形工藝流程

圖3 所示為現(xiàn)場(chǎng)鍛造F55 雙相不銹鋼閥蓋產(chǎn)品的鍛造過(guò)程，依次為坯料、鐓粗、沖孔、胎模成形獲得成品。鍛造產(chǎn)品冷卻后測(cè)量外觀無(wú)裂紋、折疊等缺陷，外形尺寸合格，滿足機(jī)加工圖紙要求。

圖3 閥蓋鍛造成形過(guò)程

熱處理工藝制定

為了使F55 雙相不銹鋼閥蓋鍛件得到較高綜合力學(xué)性能及良好的內(nèi)部組織，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理，合適的熱處理工藝能夠獲得穩(wěn)定的兩相組織，在熱處理過(guò)程中需嚴(yán)格控制冷卻介質(zhì)的溫度，要確保熱處理前冷卻介質(zhì)的溫度不能高于40℃，冷卻后介質(zhì)的溫度不能高于50℃。熱處理曲線如圖4 所示。

圖4 閥蓋鍛件固溶熱處理曲線

性能檢測(cè)

基于F55 雙相不銹鋼閥蓋的惡劣使用工況，同時(shí)要確保鍛件滿足客戶的使用要求，對(duì)固溶熱處理后的鍛件取樣進(jìn)行力學(xué)性能分析、點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)、金屬間有害相評(píng)價(jià)、鐵素體含量測(cè)定，以確保所供產(chǎn)品的質(zhì)量滿足使用要求。

力學(xué)性能分析

依據(jù)ASTM A370-2020 鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義，分別在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。表2 中數(shù)據(jù)是鍛件熱處理后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)據(jù)的對(duì)比，鍛件試樣所得數(shù)據(jù)值均高于標(biāo)準(zhǔn)值要求，表明鍛件抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均符合力學(xué)性能要求。

表2 鍛件熱處理后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)據(jù)的對(duì)比

在鍛件不同位置沿橫縱兩個(gè)方向獲得兩個(gè)沖擊試樣，沖擊試樣取樣位置如圖5 中的A、B 所示。在-46℃的環(huán)境下，對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，測(cè)得平均沖擊功分別為229J 和226J，試樣沖擊功差別較小，均滿足該材質(zhì)鍛件的使用要求。

圖5 沖擊試樣取樣位置

表3 鍛件不同位置的沖擊功

點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)雙相不銹鋼的抗點(diǎn)蝕性能分析，可以判定此產(chǎn)品在石油輸送、氯堿工業(yè)、海水淡化等領(lǐng)域的使用壽命。依據(jù)ASTM G48-2011(2020)用氯化鐵溶液測(cè)試不銹鋼和相關(guān)合金抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(A 法)進(jìn)行試驗(yàn)分析。在試驗(yàn)過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：⑴試樣表面要經(jīng)打磨處理；⑵腐蝕產(chǎn)物要經(jīng)過(guò)清水沖洗→毛刷擦除→超聲波清洗→酒精清洗吹干等步驟。試樣尺寸分別為49.94mm×24.92mm×4.90mm和49.92mm×24.91mm×4.93mm，試樣表面積為3.3×103mm2，選用濃度6%的FeCl3對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為50℃，測(cè)試時(shí)間48 小時(shí)，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行稱重，最終測(cè)得的點(diǎn)蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示，質(zhì)量損失率分別為0.84g/m2和0.74g/m2，滿足客戶要求，同時(shí)在圖6 點(diǎn)蝕金相圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕痕跡，說(shuō)明F55 雙相不銹鋼閥蓋具有優(yōu)良的耐點(diǎn)腐蝕性能。

表4 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖6 點(diǎn)蝕后金相圖

金屬間有害相評(píng)價(jià)

雙相不銹鋼中的析出相大多含有較高含量的Cr、Mo 和N，其析出不但造成材料耐腐蝕性能的顯著下降，而且會(huì)給后續(xù)鋼的成形帶來(lái)很大的困難，研究表明這些相中危害最大的是σ 相，具有四方結(jié)構(gòu)的σ 相是關(guān)鍵有害相，即使有少量的σ 相也對(duì)雙相不銹鋼塑韌性和耐腐蝕性能危害極大。

依據(jù)ASTM A923-2014 檢測(cè)雙相奧氏體-鐵素體不銹鋼中有害金屬間相的試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖7 所示，在400 倍倒置金相顯微鏡下觀察，鐵素體和奧氏體相均勻分布，未發(fā)現(xiàn)金屬間有害相，無(wú)金屬化合物相析出，各晶界邊緣光滑。

圖7 金屬有害相評(píng)價(jià)金相圖(400×)

鐵素體含量測(cè)定

通常，雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30%～70%時(shí)，可以獲得良好的性能。目前，雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體兩相比例一般采用控制雙相不銹鋼化學(xué)成分和選擇合適的熱處理制度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)ASTM E562-2019 用系統(tǒng)人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)定體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)測(cè)。將所取試樣進(jìn)行清潔、打磨、拋光，選用氫氧化鈉水溶液腐蝕劑，腐蝕時(shí)間為10s，并在400 倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，經(jīng)過(guò)顯微鏡觀察獲得的數(shù)據(jù)如表5 所示。最終測(cè)得鐵素體含量為45.6%±5.1%，鐵素體與奧氏體兩相相比接近1∶1，結(jié)果表明F55 雙相不銹鋼鍛件原材料化學(xué)成分和熱處理工藝滿足要求。

表5 鐵素體含量測(cè)定表

結(jié)論

通過(guò)制定F55 雙相不銹鋼閥蓋鍛造成形工藝、熱處理工藝以及對(duì)最終鍛件產(chǎn)品進(jìn)行性能試驗(yàn)檢測(cè)，主要驗(yàn)證了以下兩點(diǎn)：

⑴先鐓粗、沖孔制坯再胎模鍛造成形工藝方案可以獲得外觀質(zhì)量良好的閥蓋鍛件；

⑵經(jīng)過(guò)對(duì)閥蓋鍛件綜合全面的分析，F(xiàn)55 雙相不銹鋼閥蓋鍛件的綜合機(jī)械性能好，耐腐蝕性能優(yōu)良，無(wú)有害相析出，同時(shí)鐵素體含量表明閥蓋鍛件化學(xué)成分及熱處理工藝合格，驗(yàn)證了該產(chǎn)品鍛造及熱處理工藝可行。