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1、不 锈 钢 冷 成 型 性 -cold forming stainless steel,内容概要,不锈钢冷成型性特点(组织别区分) 不锈钢冷成型注意要素 力 润滑剂 回弹 弯曲半径 不锈钢冷成型工艺 压弯成型 旋压加工 三辊成型 拉伸-卷缩成型 爆炸成型 管弯曲成型 结论,一、不锈钢冷成型特点, 成型性决定因素,冷加工对材料机械性能的影响,一、不锈钢冷成型特点, 成型性决定因素 在材料冷加工时其成型性很大程度上取决于屈服强度以多大的速率接近最终的抗拉极限.在屈服强度曲线与抗拉强度曲线之间的窄带表明成型性是被限制的.窄带显示了可以变化的最大的屈服,任何更进一步的形变都会导致材料的破坏.换言之,屈
2、服强度曲线与抗拉曲线的不收敛显示了材料加工性能的增加,这种材料在相同的冷加工条件下有较高的延展性,因而它允许在成型过程中有较大的形变; 因此,加工硬化的反映以及对机械性能的影响,在钢的成型性方面扮演了一个很重要的角色;,一、不锈钢冷成型特点, 奥氏体不锈钢成型性 奥氏体不锈钢即Cr-Ni不锈钢.Ni合金元素的添加有利于提高成型性,稳定性,有利于奥氏体晶体结构的形成.Ni/Cr比越高,奥氏体越稳定; 301钢种在奥氏体不锈钢中有最低的Ni含量(6.5%),因此它有最快的的加工硬化速率.尽管301钢种在退火状态下有完全的奥氏体微观结构,但是由于其较低的Ni含量,在塑性变形中也有较快的形成马氏体的比
3、例.这将帮助材料抵抗缩颈使其有更多的均匀变形;,一、不锈钢冷成型特点, 奥氏体不锈钢成型性 304Cu钢种包含0.02%或是更低的C,以及9%左右的Ni,3%左右的Cu.该钢种是普通奥氏体不锈钢中加工硬化最低的.冷加工中的抗拉强度曲线与屈服强度曲线的明显的收敛表明在断裂前总的变形量比高加工硬化钢种301要少.该钢种屈服强度低故在加工该钢种时需要的初始力也较低; 奥氏体不锈钢比铁素体的变形量大主要是因为奥氏体高的延展性(允许单次操作中的大的变形量). 在奥氏体不锈钢中,加工硬化越快的钢种如301或304都能够承受单次的大的变形量.进行过冷加工操作的奥氏体不锈钢允许不退火进行冷成型,但是中间退火可
4、能是需要的在一个连续进行的操作中恢复钢的初始延展性.,一、不锈钢冷成型特点, 奥氏体不锈钢成型性 通常,奥氏体不锈钢由于Ni含量的降低而成型变得困难.奥氏体稳定化元素Ti、Nb 、Ta包括高的C含量的存在对钢种的成型性有有利的影响.这是因为在微观结构中TiC等二次强化相的形成. 快削钢(free machining steel)象303钢种由于延展性很差甚至连很轻的成型操作能不能承受.200系列奥氏体不锈钢由于其较大的初始强度和大的加工硬化所以需要大的力.成型操作中他们比相当的300系列有更大程度的回弹.,一、不锈钢冷成型特点, 铁素体不锈钢成型性 铁素体不锈钢的机械性能决定了其需要用与普通碳
5、素钢不同的冷成型方法.铁素体不锈钢冷成型操作与奥氏体的基本相同,但成型条件不同. 铁素体不锈钢与碳素钢相比有高的屈服强度,高的抗拉强度,低的延伸率.尽管较高的起始应力是需要的,但力/负荷在形变过程中不需要较大增加.这是因为铁素体不锈钢的加工硬化程度远不及奥氏体.,一、不锈钢冷成型特点, 铁素体不锈钢成型性 冷加工中430钢种屈服强度曲线快速向抗拉强度曲线靠拢,由于必须超过屈服点后变形才能进行,所以屈服曲线与抗拉曲线的收敛显示了冷成型过程中材料破坏的几率大大增加.这是铁素体不锈钢非常典型的.这种影响的存在,在加上冷加工导致的延展性的迅速减弱,在工艺过程中进行中间退火就显的非常重要.,铁素体不锈钢
6、拉伸图示,一、不锈钢冷成型特点, 马氏体和双相不锈钢成型性 马氏体不锈钢也包括在400系不锈钢中,其有相对高的C含量(通常在0.151.2%之间). 403、410和414等马氏体钢种在完全退火状态下与铁素体不锈钢的成型性相似.剩余的其他马氏体钢种由于其较高的碳含量一般不推荐进行冷成型操作. 双相不锈钢有非常优秀的抵抗应力腐蚀开裂的性能.在微观构成中大约有相同比例的奥氏体和铁素体。最常见的钢种是2205(UNS S31803, Cr22%, Ni5.5%, Mo3.0%, N0.14%).双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比有更高的弹性强度,因此需要更大的力.,一、不锈钢冷成型特点, 马氏体和双相不锈
7、钢成型性 由于双相不锈钢的高的弹性强度,因此大的回弹可以预测.在90的弯曲工艺中大约要超过10%左右的弯曲量才能补偿回弹造成的影响. 双相不锈钢,如2205要求有大的弯曲半径通常是板厚的34倍; 大的冷变形发生后,应该仔细考虑是否需要进行再退火,尤其是对抗腐蚀性能要求较高时.,二、不锈钢冷成型注意因素,力 不锈钢成型所需要的力比相同厚度的低合金钢和碳素钢要大,主要是不锈钢较高的屈服强度.一般大约是它们的两倍,当然这与具体的钢种也有很大的关系; 由于奥氏体加工硬化快,不仅大的初始力是需要的,而且在成型过程中力的增加也是必须的.大部分的铁素体不锈钢表现出了与碳素钢相似的加工硬化行为.但是较大的初始
8、力也是必须的还是因为铁素体的比较高的起始屈服强度;,二、不锈钢冷成型注意因素, 润滑剂 为了保护不锈钢高质量的表面,在不锈钢成型过程中润滑剂的使用是非常重要的.另外,不锈钢有高的强度,高的硬度,低的导热能力和高的摩擦系数,磨损和划痕是很普遍的问题,尤其对奥氏体钢,在高压作业中更应该注意; 成型工艺中润滑剂的选择主要基于两个方面的考虑: 润滑剂必须有效.比如,它必须对成型过程有帮助,使废品和划痕缺陷最小化等; 润滑剂必须有利于延长模具的使用寿命.主要是磨损和维护. 对于要求比较严格的成型,冷轧退火酸洗后的表面(2D表面)是最合适,因为相对粗糙的表面保留润滑剂的效果比光滑的或研磨的表面要好.但是有
9、些2B表面几乎能够满足所有的冷成型操作.,二、不锈钢冷成型注意因素,润滑剂 加工后润滑剂是否能够很容易地去除也是应该考虑的非常重要的问题,尤其是当该加工件将使用在高温环境中时. 退火或热处理去除应力或是焊接过程,如果润滑剂不能被完全地去除,在高温环境下碳将快速扩散进入钢材,这将引起敏化和对抗腐蚀性的损害; 无论执行的操作是什么,润滑剂的选择对质量和成本都有很大的影响. 下页表中列举了具体冷成型工艺推荐使用的润滑剂.,二、不锈钢冷成型注意因素,润滑剂,(润滑剂选择),二、不锈钢冷成型注意因素,回弹 在任何弯曲工艺中,加工件在中性层两侧塑性变形区出现拉或压的应力; 在中性层两侧,塑性形变保留,因为
10、这部分材料受力已经超过了弹性极限.回弹从宏观上讲意思就是加工成型后弯曲角度与弯曲半径复原的现象;,二、不锈钢冷成型注意因素,回弹 如果以下的情况发生回弹量将增加: -材料的弹性极限由于冷加工而增加; -塑性应变增加; -当给定厚度的板通过一个较大的半径进行弯曲时,包含的塑性 形变量取决于工件的厚度和折弯半径,而不是总的折弯角度.因此,当折弯半径与板厚的比率增加时弯曲每度回弹的量将增加 回弹可以被控制通过减少折弯半径或是轻度的过弯曲;,二、不锈钢冷成型注意因素,弯曲半径 对给定的金属,折弯成型而不出现裂纹的最小的半径称为最小折弯半径.折弯半径通常与板厚成比例增加; 对非常软的钢或者延展性高的钢,
11、比如经过退火的钢,零半径折弯成型是可能的; 一般而言,对于退火状态的材料,折弯半径与材料厚度相等即可以满足大部分的工程需要.但是,冷加工材料,将需要大的弯曲半径,例如,1/4H,R=1.01.5T,3/4H,R=36T.,三、不锈钢冷成型工艺,(冲)压弯(曲)成型 压弯成型主要用于小批量和相对简单的部件,压弯成型通常使用标准的V形模具,通过调整冲压机的冲程来控制回弹的发生程度; 几乎所有的奥氏体不锈钢在退火状态下都能够进行180折弯(半径略大于1T),但是需要的力比碳素钢高50%以上.奥氏体不锈钢压弯过程回弹发生的很厉害所以一定量的回弹是允许的; 奥氏体不锈钢通常比其他牌号的不锈钢更容易进行压
12、弯成型,它们的加工硬化特性被认为是对压弯成型非常的有利.因为高硬度提高了抗疲劳性能; 铁素体不锈钢由于使用的力较大易于产生疲劳进行形成裂纹.,三、不锈钢冷成型工艺,(冲)压弯(曲)成型 不锈钢(尤其是奥氏体不锈钢)有高的延展性但是在冲压成型中边缘部分易于起皱,这主要是材料形变过程中切向压应力的作用导致材料失稳产生,可以通过使用压边装置以及调整适当的压边力加以解决; 铁素体不锈钢和极少牌号的马氏体不锈钢可以通过提高其温度在120200来提高其冲压性能.在这个温度区间,金属延展性增加,成型需要的力减少,加工件产生开裂的几率变少; 用于压弯成型的模具的材料一般包括铝青铜合金、D2工具钢和其他一些硬质
13、金属合金; 氯化润滑剂经常在压弯成型中使用,主要是因为其粘性和流动性可以在一个较宽的范围内进行调整,而且该类润滑剂的去除也比较容易;,三、不锈钢冷成型工艺,(冲)压弯(曲)成型,典型的压弯成型工艺(一),模具常用D2工具钢:D2是一种高碳高铬的工具钢,基本成分为1.5%C,12%Cr,0.5%Mn,0.8%Mo,0.9%V,三、不锈钢冷成型工艺,(冲)压弯(曲)成型,典型的压弯成型工艺(二),三、不锈钢冷成型工艺,旋压加工成型 旋压加工,也叫金属旋压成形技术，通过旋转使之受力点由点到线由线到面,同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术.主要加工一些旋转对
14、称体,如:杯子,碟子,锥形物等.,锥形及碟形等零件加工原理图,长盘 胎具 工件（毛坯） 4 后压板 5. 活络顶尖 6. 滚轮,三、不锈钢冷成型工艺,旋压加工成型 手工旋压可以加工几乎所有的奥氏体不锈钢和小部分的铁素体不锈钢.但是通常铁素体不锈钢除430钢种外不使用旋压加工成型方法,因为它们的延展性相对较低,可能在成型工具的高压下引起加工件的局部激烈形变导致材料过早的变薄产生破坏; 在旋压加工过程中奥氏体不锈钢加工件边部的开裂是个主要的问题.这主要是局部的加工硬化和边部的微小裂口缺陷引起.在旋压处理前对裂口缺陷进行修整和研磨处理可以克服该问题.破裂和扭曲变形可以通过预留加工件边部窄带加以解决.
15、边缘不良部分可以在最后的操作中进行剪切处理.,三、不锈钢冷成型工艺,旋压加工成型 常见钢种手工旋压中可能的最大的拉伸量: 按控制方式,可以分为手工旋压和强力旋压, 强力旋压成型的工件表面比较粗糙需要后 续的表面处理使其变的光滑和明亮;按使用工具,可以分为辊旋压和导板旋压,辊旋压成型的加工件表面容易留下螺旋形的凹槽,对加工件表面也造成了一定程度的损伤; 润滑剂被用来减少摩擦力并且提供冷却.对于手工旋压,推荐使用强粘性的润滑剂;在强力旋压时润滑剂的冷却功能变的相当的重要.通常避免使用硫化的润滑剂因为它们去除比较困难,残留在材料上对材料的抗腐蚀性能有害.,三、不锈钢冷成型工艺,旋压加工成型,导板旋压
16、示意图,三、不锈钢冷成型工艺,三辊卷取成型 传统夹送辊形式,-上辊固定,下辊可以依据板厚进行垂直调节,尾辊进行有角度的调节决定圆桶形的半径。通常是上下辊驱动，也有一些三辊驱动。,三、不锈钢冷成型工艺,三辊卷取成型 垫座形式,-垫座形式是夹送辊形式的改进型，有相同的弯曲原理。成型垫座与弯曲辊之间的关系决定了圆桶形的直径。尾部平坦区域和传统形式相比有所减少。,三、不锈钢冷成型工艺,三辊卷取成型 金字塔形式,-下面两个辊直径相同的且是上面辊直径的一半。下面的两个辊是驱动辊且是固定的，上面辊可以在垂直位置进行调整以获得不同的圆桶形直径。加工件尾部的平坦区域通过这种安排可以基本被消除。,三、不锈钢冷成型
17、工艺,拉伸卷缠成型 用来进行不锈钢拉伸成型的机械要求比加工相似状态的碳钢机械能够提供大60%100%的力,并且成型工具必须能够抵抗不锈钢的磨蚀; 奥氏体不锈钢特别适合该成型工艺.其中301钢种是最好的因为它有高的延展性和高的加工硬化率;铁素体不锈钢仅适用于浅的拉伸形状; 回弹效应在均匀对称的部分通常被抵销.板和板间的机械性能的差异引起的回弹的不同导致了加工件尺寸上的偏差; 如果在加工件和成型块间没有相对的运动,润滑剂可以很少使用或是不用.如果有非常严格的要求,推荐使用擦拭垫块,低粘性氯化油或石蜡.,三、不锈钢冷成型工艺,拉伸卷缠成型,三、不锈钢冷成型工艺,拉伸卷缠成型,三、不锈钢冷成型工艺,拉
18、伸卷缠成型,三、不锈钢冷成型工艺,拉伸卷缠成型,三、不锈钢冷成型工艺,爆炸成型 爆炸成型是指通过爆炸产生的瞬间高压来改变金属坯料的形状; 通常有两种方式 -可控系统:能够控制在非常精密的公差范围内主要适用于不锈钢管状半成品; -开放系统: 利用爆炸形成的强烈冲击波通过水从预定的位置传递过来.常使用纯金属模具来增加功效.在进行成型操作前模具与加工件之间的槽可以进行更换; 爆炸成型工艺中的能量水平与速度决定了不锈钢的成型效果; 在一些场合,特定的不锈钢钢种可以通过爆炸成型工艺精确加工成没有裂纹缺陷的形状复杂的部件,而利用常规的成型方法可能无法实现;,资料显示,金属的爆炸成型可以使钢材的屈服极限提高
19、一倍,硬度显著增加,延伸率减50%.,三、不锈钢冷成型工艺,爆炸成型,三、不锈钢冷成型工艺,爆炸成型,三、不锈钢冷成型工艺,管弯曲成型 不锈钢管弯曲成型设备与普通的碳钢和低合金相似但需要提供的力却要大很多.当管直径与壁厚比增加时,应提供内部和外部的支持以防止皱纹等的发生; 心轴润滑应该使用浓的,粘性的,带乳化剂的油基润滑剂;在擦拭垫块与管间可以使用非常稀的氯化矿物油; 在退火状态下,一般而言管径可以很容易的扩开2530%;管的旋压加工可以减少壁厚和增加强度;,四、结论,奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢几乎可以使用所有的传统的冷成型工艺很容易的加工成型; 有高延展性的奥氏体不锈钢可以加工成型成各种复杂的形状; 润滑剂的选择以及对不锈钢冷成型中需要的较大的力的合理调配对生产出一致高质量的产品起着重要的作用.,谢谢!,