雙相不銹鋼加工制造實(shí)用指南(4)
雙相不銹鋼的應(yīng)用日益廣泛，用戶對這類不銹鋼也越來越熟悉。本文圍繞雙相不銹鋼應(yīng)用的難點(diǎn)之一 — 加工和焊接，介紹了雙相不銹鋼的各種特性，給出了加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實(shí)用信息。
內(nèi)容包括：雙相不銹鋼的歷史、化學(xué)成分、冶金學(xué)、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、物理性能、技術(shù)條件、質(zhì)量控制、切割、成形、焊接、應(yīng)用等。
全文較長，將分幾部分發(fā)表，歡迎關(guān)注！
（續(xù)接前文）
9 切割
通常用于奧氏體不銹鋼和碳鋼的工藝可用于雙相不銹鋼的切割，但對參數(shù)做一些調(diào)整是必要的，以適應(yīng)力學(xué)性能和熱性能的不同。
9.1 鋸切
由于雙相不銹鋼的高強(qiáng)度、高加工硬化率以及缺乏實(shí)際起斷屑作用的夾雜物，它比碳鋼更難鋸切。采用大功率的機(jī)器、高強(qiáng)度的鋸條矯直系統(tǒng)、粗鋸齒形的鋸條、慢速－中速的切割速度、重進(jìn)刀、充分流動的冷卻劑（最好是既起潤滑又起冷卻作用的合成乳化劑以便鋸條將冷卻劑傳遞到工件上）等可以得到最佳的結(jié)果。切割速度和進(jìn)刀量應(yīng)與316奧氏體不銹鋼的情形類似。
9.2 剪切
雙相不銹鋼的剪切采用與剪切304和316不銹鋼同樣的設(shè)備，一般無需特殊調(diào)整。但由于雙相不銹鋼的剪切強(qiáng)度較高，必須加大剪切功率或減小剪切厚度。
對于熱軋和冷軋板，不銹鋼的剪切強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度的58%。雙相不銹鋼的表現(xiàn)如同一個較厚的316不銹鋼，隨它們實(shí)際的剪切強(qiáng)度比而定。因此，2304和2205雙相不銹鋼在一次單獨(dú)的剪切中能夠被剪切的最大厚度是304和316不銹鋼厚度的85％左右，超級雙相不銹鋼在一次單獨(dú)的剪切中能夠被剪切的最大厚度是普通奧氏體不銹鋼的65％。
9.3 縱切
傳統(tǒng)的鋼卷縱切機(jī)可用于剪切雙相不銹鋼卷板和鋼帶。雙相不銹鋼鋼卷從開卷機(jī)送出，從縱切線上下刀架的圓形分切刀片中通過，卷帶盤將剪切后的鋼卷重卷。分切刀片的位置可根據(jù)所希望的板卷產(chǎn)品的寬度調(diào)整。由于雙相不銹鋼的強(qiáng)度比奧氏體不銹鋼高，縱切刀具磨損和邊部的穩(wěn)定性比較難控制。保持雙相不銹鋼卷良好的縱切邊部質(zhì)量需要使用工具鋼或硬質(zhì)合金刀片。
9.4 沖孔
沖孔可被看作是一種困難的剪切形式。高強(qiáng)度、快速加工硬化和抗撕裂性使得雙相不銹鋼相對較難沖孔并磨損刀具。這方面的操作經(jīng)驗(yàn)是有限的，但雙相不銹鋼的表現(xiàn)如同厚度兩倍于雙相鋼的奧氏體不銹鋼，這一指標(biāo)為沖孔操作提供了良好的開端。氮含量較高的高合金化雙相不銹鋼的沖孔更加困難。
9.5 等離子體和激光切割
雙相不銹鋼一般采用與加工奧氏體不銹鋼同樣的等離子切割和激光切割設(shè)備進(jìn)行加工。雙相不銹鋼稍高的導(dǎo)熱率和低的含硫量可能對最佳的參數(shù)稍有影響，但無需特殊調(diào)整便可得到合格的結(jié)果。等離子切割工藝的熱影響區(qū)一般很窄，大約0.25毫米，這是因?yàn)槊恳坏狼懈钸M(jìn)行得很快，然后中板或薄板迅速冷卻。通常焊接坡口的機(jī)加工和焊接過程中近焊縫區(qū)基體金屬的熔化可去除等離子切割的熱影響區(qū)。
10 成形
10.1 熱成形
雙相不銹鋼通常表現(xiàn)出優(yōu)異的熱成形性，在高達(dá)至少1230℃ 的溫度下具有相對低的成形負(fù)荷。但是，如果熱成形的溫度太低，變形就會聚集在較弱而且塑性較差的鐵素體，結(jié)果造成鐵素體在變形區(qū)開裂。此外，當(dāng)熱加工溫度降得太低時，會析出大量的σ相。
大多數(shù)加工者建議最大熱成形溫度范圍在1100～1150℃之間。之所以建議溫度上限，是由于高溫對工件尺寸穩(wěn)定性的影響以及氧化皮隨著溫度升高而增多的趨勢。在高溫下，雙相不銹鋼會變軟，被加工的工件如容器封頭或管道如果在爐內(nèi)不加以支撐就會彎曲或凹陷。在這些溫度鋼也會由于某種熱成形操作變得太軟。表9匯集了幾種雙相不銹鋼的熱成形溫度范圍和最低均熱溫度。不一定要從該范圍內(nèi)的最高溫度開始熱加工。但是，鋼在熱加工前至少要達(dá)到最低均熱溫度，爐子應(yīng)當(dāng)預(yù)熱，以避免經(jīng)過σ相形成溫度區(qū)間的緩慢加熱。
溫度的均勻一致對于成功地進(jìn)行雙相不銹鋼的熱成形是重要的。如果工件的形狀不規(guī)整，則邊緣可能比主體溫度低得多，這些較冷的區(qū)域有發(fā)生裂紋的危險。為避免開裂，當(dāng)局部區(qū)域存在溫度低于最小加工溫度的危險時，需要對工件重新加熱。只有當(dāng)工件特別是邊緣或較薄部分的溫度保持均勻一致，熱成形溫度范圍的下限才能稍加擴(kuò)展。
對于斷面較厚的型材，需要考慮水淬的速度是否足以防止金屬間相的析出。對于鍛軋2205雙相鋼板材，板材厚度的限制約為150～200毫米，對于鍛軋超級雙相不銹鋼板材，厚度限制為75～125毫米，準(zhǔn)確的限制值隨雙相不銹鋼的成分和淬火裝置效率的不同而不同。對于簡單的圓柱形工件，直徑限制在約375毫米。如果成品部件的內(nèi)徑是完全穿透的，則在最終熱處理之前對開口進(jìn)行穿孔或機(jī)加工，會大大改善工件最后退火后的冷卻狀況。
10.1.1 固溶退火
熱成形之后，需要進(jìn)行完全的固溶退火，然后快速淬火使力學(xué)性能和耐腐蝕性能完全恢復(fù)。工件應(yīng)當(dāng)加熱到最低固溶退火溫度以上，然后保持足夠長的時間使金屬間相完全溶解。一個謹(jǐn)慎的原則是，保溫時間應(yīng)當(dāng)與工件完全退火后在650～980℃ 范圍停留的時間相當(dāng)。工件應(yīng)當(dāng)從固溶處理溫度開時水淬。當(dāng)最后的退火之后向淬火地點(diǎn)轉(zhuǎn)移時，不允許在700～1000℃的溫度范圍停留幾分鐘。表10總結(jié)了雙相不銹鋼的最低固溶處理溫度。
雙相不銹鋼在固溶退火溫度下非常軟，工件如果沒有足夠的支撐，可能發(fā)生扭曲和變形，這對于管材產(chǎn)品特別是大口徑薄壁的管材是一個很大的問題。由于雙相不銹鋼的室溫強(qiáng)度高，扭曲的雙相不銹鋼產(chǎn)品的整形或矯直比奧氏體不銹鋼困難。通過縮短退火時間、放慢加熱到固溶溫度范圍的速度或采用低于推薦值的固溶溫度來減小變形，但可能無法使金屬間相溶解或造成更多金屬間相的形成，降低耐腐蝕性和韌性。
利用應(yīng)力消除處理來減少成形或矯直操作的冷加工應(yīng)力并不可取, 雙相不銹鋼本身就具有很好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能，降低殘余冷加工應(yīng)力僅在一定程度上改善這一性能。在固溶處理溫度以下，不存在這樣一個適當(dāng)?shù)臏囟龋瓤稍诖藴囟认逻M(jìn)行應(yīng)力消除處理，又不會形成使耐腐蝕性和韌性降低的金屬間相。
10.2溫成形
有時可采用溫和的加熱方式來協(xié)助工件的成形操作。但雙相不銹鋼在315℃以上長時間加熱會由于475℃ 脆化（見圖5）導(dǎo)致室溫韌性和耐腐蝕性的下降，在較高溫度下，存在金屬間相的析出更快速更有害的風(fēng)險。由于這些相不干擾成形工藝，雙相不銹鋼可以采用溫成形操作。當(dāng)加工溫度超過300℃時，溫成形之后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行完全的固溶退火和快速淬火（見表10）。
10.3 冷成形
雙相不銹鋼在各種加工制造中表現(xiàn)出良好的成形性。大多數(shù)雙相不銹鋼的應(yīng)用要求比較簡單的成形，如圓筒形斷面的滾壓、沖壓成形、容器和罐封頭的沖壓或滾壓成型。在這些應(yīng)用中，一個主要的顧慮是雙相不銹鋼的高強(qiáng)度和成形設(shè)備的功率。通常的估計是雙相不銹鋼的成形類似于厚度是其兩倍的300系列奧氏體不銹鋼的成形，幾種不銹鋼在彎曲過程中開始塑性變形所需的最小外力的比較見圖14。使用雙相不銹鋼有可能使厚度減薄，但減薄量將小于根據(jù)屈服強(qiáng)度的增加所預(yù)期的值。
即使設(shè)備的功率足夠高，也必須為雙相不銹鋼的高強(qiáng)度所造成的較高的回彈留出余量（見圖12）。
還必須考慮到雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼低的塑性。大多數(shù)技術(shù)規(guī)范對雙相不銹鋼延伸率的要求是最低15%～30%，而對奧氏體不銹鋼延伸率的要求是最低40%。盡管實(shí)際延伸率可能要大一些，但兩者最低值之間的關(guān)系是適當(dāng)?shù)模梢宰鳛槔浼庸げ僮鞯挠杏弥改稀Ｅc奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼需要更大的彎曲半徑，并且由于它們較低的塑性，在苛刻或復(fù)雜的成形中需要中間退火。
10.4沖壓成形
雙相不銹鋼容易進(jìn)行沖壓成形，但是在許多情況下，部件已經(jīng)針對奧氏體不銹鋼、碳鋼或鐵素體不銹鋼選定了最佳條件，雙相不銹鋼是作為這些材料的替代品。首次實(shí)驗(yàn)通常不改變厚度，盡管雙相不銹鋼的高強(qiáng)度允許壁厚減薄，但重新設(shè)計的花費(fèi)可能勝過成本節(jié)約和重量減輕的好處，在很多情況下，減小厚度實(shí)際上有利于成形加工，但是在初次的雙相不銹鋼成形實(shí)驗(yàn)中，人們常常認(rèn)為還是有點(diǎn)“困難”。
當(dāng)與碳鋼或鐵素體不銹鋼的成形做比較時，問題幾乎全部與強(qiáng)度和回彈有關(guān)。雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度高30％～50％，鐵素體不銹鋼的加工硬化有限，操作負(fù)荷相對較低。雙相不銹鋼開始時強(qiáng)度就高，隨后強(qiáng)度越來越高，因此回彈是一個問題。另一方面，雙相不銹鋼塑性較大，過度彎曲將補(bǔ)償回彈。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼對彎曲的方向不太敏感，彎曲方向與軋制方向有關(guān)。由于雙相組織的軋制，雙相不銹鋼的力學(xué)性能表現(xiàn)出某些各向異性，但因?yàn)殡p相組織塑性較大，實(shí)際效果比鐵素體鋼的要小。
鐵素體不銹鋼薄板的成型常常利用深沖成形。操作時，鋼板放進(jìn)模具中，在最薄的地方發(fā)生變形。鐵素體中，這種可成型性通過金相織構(gòu)的形成大大得到改善。雙相不銹鋼薄板這種行為很少被人注意，但在雙相組織上，似乎這種有利行為不可能達(dá)到同樣的程度。雙相不銹鋼的深沖技術(shù)可能與鐵素體或奧氏體不銹鋼的做法有顯著的不同。
在更通常的情況下，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，其調(diào)整必須既針對較高的強(qiáng)度又考慮較低的延展性。雙相不銹鋼拉伸成形性能受到鐵素體相的限制，它不具有高的加工硬化性能，不像奧氏體不銹鋼那樣可以進(jìn)行廣泛的拉伸成形。
10.5 旋壓成形
雙相不銹鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性尤其是耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能，使它們成為旋轉(zhuǎn)部件如離心設(shè)備等應(yīng)用的侯選材料。旋壓成型是一種經(jīng)濟(jì)和常用的制造這些部件的方法。
旋壓成形是一項(xiàng)復(fù)雜的操作，很大程度上取決于設(shè)備的好壞和操作者的技巧。奧氏體不銹鋼經(jīng)常進(jìn)行旋壓成形，但它們在成形工序中通常需要多次中間退火來恢復(fù)其塑性。雙相不銹鋼旋壓成形方面有限的經(jīng)驗(yàn)表明其成形負(fù)荷非常高，特別是相對于奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼的厚度不減小時。采用功率和強(qiáng)度足夠大的設(shè)備進(jìn)行雙相不銹鋼的旋壓成形效果不錯，但由于雙相鋼塑性較低，它需要比奧氏體不銹鋼更頻繁的中間退火。平直度和使初始坯料的“隆起面”降至最小對于旋壓操作是很重要的，但重型機(jī)械矯平如軋輥矯平在旋壓成形的第一階段可能會消耗掉一部分塑性。有些雙相不銹鋼在650℃以上進(jìn)行旋壓成形，隨后進(jìn)行完全的固溶退火處理。
11 雙相不銹鋼的機(jī)加工
雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度一般是非氮合金化的奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的兩倍，它們的初始加工硬化率至少與常見的奧氏體不銹鋼相當(dāng)。雙相不銹鋼的切削碎屑堅(jiān)硬，對刀具有磨損作用，高合金化的雙相不銹鋼更是如此。因?yàn)樵陔p相不銹鋼的生產(chǎn)中硫含量盡可能地低，所以對斷屑沒有什么幫助。
由于這些原因，雙相不銹鋼比具有同樣耐腐蝕性的300系列奧氏體不銹鋼更難進(jìn)行機(jī)加工，雙相不銹鋼的機(jī)加工一般要求更大的切割力，并且刀具的磨損更快。當(dāng)采用硬質(zhì)合金刀具時，機(jī)加工的困難程度最明顯。圖15給出了幾種雙相不銹鋼和316不銹鋼的相對切削性能指數(shù)比較。注意，與316不銹鋼相比，經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼S32101的機(jī)加工性能等級更高。
11.1雙相不銹鋼機(jī)加工的一般原則
下述的機(jī)加工原則適用于所有的不銹鋼，但對于雙相不銹鋼更要強(qiáng)調(diào)這些原則的重要性。
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使用大功率、堅(jiān)固的設(shè)備，刀具和工件需要很牢固地固定（對于同樣的切割，雙相不銹鋼需要的切割力比相應(yīng)奧氏體不銹鋼的大得多）。
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保持刀具伸出的部分盡可能地短，以使振動最小化。
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刀具突出部分的半徑不大于所必要的值。
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選用形狀鋒利的硬質(zhì)刀具，既有“鋒利”的刀口，又有足夠的強(qiáng)度。
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設(shè)計機(jī)加工的順序，使切削深度總是在前幾道切削形成的加工硬化層以下。
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切削速度要足夠大但不要過快以避免切削瘤和快速磨損。
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定期更換刀具的刀片或重新研磨以保證刀刃的鋒利。
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使用大流量的冷卻劑/潤滑劑，利用切削油或加有極壓（EP）添加劑的乳液。
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使用帶分屑溝形狀的硬質(zhì)合金涂層刀片。
11.2 車削和刨削
車削和刨削操作涉及許多變量，因此不可能給出適用所有情況的具體建議。圖16和表11給出了車削的一般準(zhǔn)則。車削操作可使用硬質(zhì)合金刀具，允許使用比高速工具鋼更高的速度。然而，要更加注意硬質(zhì)合金刀具和工件的剛度，避免切割被中斷。
11.3采用硬質(zhì)合金工具進(jìn)行平面銑削
雙相不銹鋼采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行平面銑削的指南見表12。
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采用帶涂層的刀片或高韌性的鑲裝刀片進(jìn)行粗加工，當(dāng)需要更精細(xì)的精加工時，可以使用更堅(jiān)硬的鑲裝刀片。
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采用同向銑削，切屑平均厚度至少為0.1毫米，隨著進(jìn)刀角度從45°增大到90°，走刀量的調(diào)整比例系數(shù)為1.0～0.7。
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為了使切屑很好地從刀具拋出，加工過程特別是在粗加工過程中，不使用冷卻劑。
11.4 采用高速鋼鉆頭進(jìn)行螺旋鉆
表13和14給出了用高速鋼鉆對雙相不銹鋼進(jìn)行螺旋鉆的準(zhǔn)則。
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鉆頭形狀：頂鉆頭角130°，推薦采用自動定心的鉆頭形狀，對于大直徑的鉆頭，建議采用橫刃。
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冷卻劑：10％的乳化劑充分流動到鉆頭，對于深度大于兩倍直徑的情形，通過定期用冷卻劑在孔道溢流排出切屑。
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提高速度：采用TiN涂層，速度增加10％，采用鉆頭冷卻劑，速度可以提高10％～20％。
（未完待續(xù)）
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