实践中再谈不锈钢封头的冷成形开裂

文/卢忠敏·陕西雁塔封头管业有限公司

实践中再谈不锈钢封头的冷成形开裂

文/卢忠敏·陕西雁塔封头管业有限公司

卢忠敏曾在2011年第一期《锻造与冲压》发表了《为什么不锈钢封头会开裂》一文。此文虽然为行业内解决冷成形奥氏体不锈钢封头成形中的开裂及成形后的延迟开裂提供了一定的借鉴，但对奥氏体材料金相组织中有微量铁素体及微量碳化物的问题没有涉及。因此，根据近期冷旋压封头交付后发生直边部位纵向开裂的情况，有必要从奥氏体板材中铁素体及碳化物对奥氏体板材冷成形的影响进行分析。

不锈钢封头发生垂直于端部开裂案例

陕西雁塔封头管业受委托加工S30408、直径2000mm、厚度10mm压力容器封头，委托方为了节约原材料，采用旋压工艺，将两块板料拼焊制作坯料。加工委托单仅告知板材材质为S30408，未提供原始材质书复印件或材料力学性能试验报告。

委托方为压力容器制造单位，有国家质检总局颁发的压力容器制造资质，故认为材料应该符合GB/T24511-2009《承压设备用不锈钢板及钢带》中的材料交货状态，即经过固溶处理且化学成分和机械性能在合格范围内。于是按照正常的旋压工艺进行了压鼓和翻边。在翻边过程中，发生了焊缝端部开裂，未引起操作工重视。补焊后继续翻边，直到旋压工序结束，没有发生母材表面裂纹及开裂。对封头完成常规检测后交给委托方，两天以后，母材发生10多处垂直于端部的穿透性开裂，裂缝长度20～50mm不等，断口很齐，无延长性撕裂现象。收到委托方情况反馈，根据以往304不锈钢封头出现冷成形过程中或交付后发生的母材多处垂直于端部穿透性开裂的情况，初步认为是材料原因造成。但是，委托方和材料供应商认为是旋压成形工艺不当造成的。根据S304不锈钢板在冷成形过程中开裂或冷成形后放置一段时间母材延迟开裂的现象，经过认真的分析原因，根据材料的金相组织分析，排除了冲压工艺方面的因素。

鉴于委托方有不同看法，为了验证旋压工艺的合理性，也为了确保其设备交货工期，与委托方协商：由委托方另行购置材料，陕西雁塔封头管业按原工艺旋压，既可以不影响设备交货期，又可以验证工艺的合理性。同时从制作封头的原材料边角料及发生开裂的封头上取样送有资质的检测机构作检测，委托方在原材料边角料上也取样送另外一家有资质的机构作检测。

封头延迟开裂原因分析及确定

更换材料，按照原工艺，压鼓和翻边过程仍由原操作工执行。在旋压过程中焊缝、母材均未开裂，交付使用，焊接到设备上未出现问题，可以排除工艺不当及操作工不同操作习惯对成形质量的影响。由于奥氏体不锈钢具有较好的力学性能，韧性高、塑性好且无磁性，便于进行机械加工、冲压和焊接，所以，合格的不锈钢板冷成形过程中及成形以后，不应该发生焊缝、母材的表面裂纹及开裂。

表1 受托方及委托方化学成分检验结果 （ω，%）

根据《为什么不锈钢封头会开裂》一文介绍，这类材料只做化学成分和机械性能鉴定，主要指标可能还能满足材料标准的要求。要说明问题，只能看材料金相组织中除奥氏体组织外是否含有其他的组织，故做了化学成分、金相组织定量分析及表面硬度试验，委托方做了化学成分、机械性能、金相组织定性分析。

我公司委托做的试验结论是化学成分（见表1）符合材料标准，金相组织分析结论是奥氏体＋少量铁素体，铁素体含量按GB/T13305-2008标准4.1.1评级为1级（铁素体相含量约5%），硬度215HV。委托方除硬度未做试验外，化学成分（见表1），其他机械性能指标（见表2），金相组织分析结论是试样组织为奥氏体和少量碳化物。

根据上述金相组织分析及硬度试验值，我公司认为，固溶处理状态交货的奥氏体钢板，常温状态下应是奥氏体单相组织，不允许有铁素体和碳化物出现，双方的金相组织分析报告结论已经可以证明材料不合格。同时，我公司委托检测机构在材料表面检测的硬度值为215HV，大于GB/T24511-2009《承压设备用不锈钢板及钢带》标准中硬度指标小于等于210HV的要求，也可以证明材料不合格。

通过表1中的△值对比可以看出，虽然材料常温状态下的奥氏体组织都是不稳定的奥氏体组织，但第一次的材料常温状态下的奥氏体组织没有第二次的稳定，所以第一次旋压成形，容易使材料发生组织转变，极有可能在冷成形加工中或交付后发生延迟开裂现象。其原因是经过冷成形后，由于不稳定奥氏体发生相变，与原来材料中的其他杂相一起加大了材料的延迟裂纹倾向或直接产生马氏体相变而导致开裂。根据文献，S304钢板的Ms点大约在－17℃，Md点大约在180℃左右。其Md比常温高，则在常温下冷加工就会使部分奥氏体组织转化为马氏体。所以，在常温下冷旋压的封头内部有部分铁素体或者马氏体是比较正常的。但马氏体的出现使旋压封头机械性能迅速恶化，在多次应变的作用下使马氏体产生数量增多，强度、硬度增加，塑性降低。由于马氏体与奥氏体组织共存，延伸率不同，极易导致局部形成显微裂纹，随着裂纹的扩展导致最终的开裂。

从不锈钢的基本知识对比化学成分、机械性能、金相组织也可以证明是材料原因造成交付后的延迟开裂。该批材料为卷板状态下交货，经过材料供应商开平加工以后，出厂的固溶状态已经被破坏，表面上看是固溶处理不当，实际上是由于常温下的冷开平加工对固溶处理的破坏使不稳定的奥氏体发生相变所造成的。两次委托加工封头的材料均为卷板固溶处理状态交货，经冷开平后按规格板出售给委托方，随着固溶处理后的状态破坏，机械性能也发生了变化，具体数值见表2。

从表2可以看出：经过开平以后抗拉强度、屈服强度、硬度均有所增加（材料经销商所测得硬度值降低了约11.3HV先不考虑），虽符合材料强度特性，但复验值与原材质书的各项指标出入较大，说明钢厂出厂状态的材料质量证明书已经不能完全代表委托加工的材料性能指标。同时，硬度指标已经超过了材料标准的规定值，应该认定为不合格材料。

表2 第一次旋压和第二次旋压材料的机械性能及委托方、材料经销商复验的机械性能

采用旋压工艺成形的奥氏体封头在交付后发生的垂直于端部的多处开裂，原因不在成形工艺，而是原材料的固溶处理在开平加工后遭到破坏，强度及硬度增加且超标所造成。

开平操作对奥氏体不锈钢板的影响

针对奥氏体不锈钢开平板力学性能的变化，新修订的GB150.4-2011《压力容器制造、检验和验收》5.5.2条规定：奥氏体不锈钢开平板应按批号复验力学性能（整卷使用者，应在开平操作后分别在板卷的头部、中部和尾部所对应的开平板处各截取一组复验试样；非整卷使用者，应在开平板的端部处截取一组复验试样）。近年来使用奥氏体不锈钢开平板与轧制板相比，开平板成形后开裂明显增多。

根据S30408(0Cr18Ni9)、304、316L、Q235B、Q345R（16MnR）等5种材料，24卷，重量512t材料的试验结果，开平操作对碳素钢、低合金钢卷板力学性能影响不大，但会使奥氏体不锈钢断后延伸率降低，开裂与此有关（见表3）。

根据《热处理技术数据手册》中钢铁硬度及强度换算表，可以换算出，S30408硬度标准值为210HV时，抗拉强度约700MPa。也就是说，当抗拉强度超过700MPa时，硬度指标就将超过标准。所以，在分析机械性能指标时，要结合强度、硬度指标综合考虑。在对表2的数据进行分析时，没有对材料经销商所做的硬度复验值进行分析，是因为这个硬度值不符合《热处理技术数据手册》中钢铁硬度及强度换算表中的硬度、强度对应关系，依此硬度值对应的抗拉强度值仅为562MPa，比原材质书中抗拉强度值还小，对于开平的奥氏体钢板是不可能的。可能是由强度试验和硬度测试取样不在同一部位所造成。以原材质书的抗拉强度值为对比基准，按手册对比其硬度值为196HV（187.6HB）；以其硬度值为对比基准，抗拉强度值应为626MPa。硬度值为196HV的奥氏体不锈钢，经开平后，按平均硬度增加15.65%，硬度值为226.67HV，大于我公司复验所测得硬度值215HV，说明我公司委托的检测值是正确的。

封头加工企业应注意的问题

针对目前市场上不锈钢板销售的混乱状况，作为封头加工的委托单位，应当注意以下几个问题：⑴要从采购的源头把住材料的质量关，确保材质书与所购钢板的一致性，对购买规格板提供整卷材料的材质证书时，应对材料的力学性能提出质疑，要求材料经销商复验或自己进行性能复验。同时固溶处理后材料的硬度一般在135HB左右，对应的抗拉强度约513MPa。当材质书上的抗拉强度超过600MPa，硬度超过170HV时，采取冷加工成形时最好计算奥氏体不锈钢的奥氏体稳定系数△，△值小于－3.5时易发生冷加工裂纹或延迟裂纹，甚至造成开裂。316、316L的△值分别为＋1.00、＋4.72时非常稳定，不容易产生裂纹；⑵当用开平板压制封头时，一定要向受委托的封头加工单位说明是开平板，提醒封头压制单位采用适当的工艺及相应的防护措施；⑶如果设计允许，尽可能采用高档次的材料，如316、316L委托进行冷成形加工封头；⑷在与材料经销商沟通过程中一定要明确自己的用途。经过与某大型不锈钢板制造公司的沟通，对用于制造封头的奥氏体不锈钢板最好在订货时向钢厂提出要求，钢厂将按照专门的冶炼、轧制处理工艺进行制造，以满足封头成形的性能要求。

表3 开平操作对奥氏体不锈钢材料的性能影响

结束语

建议封头制造单位要建立相应的材料检测控制环节，对要加工的奥氏体不锈钢进行表面硬度检测，硬度超过175HV的奥氏体不锈钢板料尽量不要采取冷成形。同时对于使用开平板毛坯，要采取相应预防措施，如采取温旋压工艺。对冷成形的奥氏体不锈钢开平板制造的封头要及时进行固溶处理，提高材料的抗晶间腐蚀能力，以防止延迟裂纹或开裂的发生。