CN114473370A - 一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法，属于金属加工技术领域；步骤依次为锻件热处理、机加锻坯、旋压成形、焊接、整体热处理后得到产品，其中旋压成形分两阶段进行旋压成形，共进行了三道次旋压，其中第一二前两道次为粗旋，第三道次为精旋。本发明中容器组焊完成后无需进行调质处理，仅进行时效处理即可获得高强度，热处理时间短，生产节奏紧凑，实现了能源节约的效果；焊接后整体热处理采用的温度为520～560℃，在此温度范围内热处理可以获得细小弥散的析出相，显著提高圆筒强度的同时，保持较高的塑性。由于热处理温度较低，且冷却方式为空冷，避免了高温淬火带来的变形问题，所得的产品具有形状精度高的优点。

Description

一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法。
背景技术
固体发动机薄壁圆筒结构复杂，圆筒外表面存在大量形状各异的外部功能零件，焊接在金属圆筒外表面。外部件焊接完成后与圆筒整体进行热处理，后续不在进行加工。薄壁圆筒一般采用低合金高强钢，如30CrMnSiA、D406A等，为获得良好的塑性变形能力，旋压毛坯需进行退火处理；旋压圆筒与外部件等结构焊接完成后在整体调质强化处理，以保障产品最终的力学性能。但是，对于薄壁圆筒来说，高温淬火过程中由热应力和相变应力产生的残余应力易导致圆筒发生扭曲、塌陷等较大变形，特别是对于外部件较多的薄壁容器，变形更为明显，导致圆筒的形状不能满足产品使用要求，影响后序工序的加工、装配。目前一般采用反复热处理校形的方法来提高圆筒的形状精度，但是该方法会导致圆筒力学性能的降低，不能满足指标要求，甚至导致报废。目前已有关于高强钢圆筒校形的专利，专利申请号为201811583824.0的专利“一种用于高强钢薄壁圆筒外型调整的校形工装”，提出了采用多个半圆形的上/下抱箍进行校形，具有操作简单/对材料性能无影响的有点，但是本专利涉及的圆筒外部有大量的外部件，无法采用此方法。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法，该方法采用的材料为17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢，通过低温时效强化取代传统调质强化，无需进行高温淬火处理，显著提高了薄壁圆筒的精度。
本发明的技术方案是：一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：锻件热处理；
将锻造的坯料放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1020～1050℃保温70～100min，使得析出粒子完全固溶，提高锻坯的塑性；将锻坯出炉后空冷至室温，得到细小的无碳马氏体组织；
步骤2：机加；
将步骤1完成固溶处理的锻坯进行机加，获得旋压毛坯和外部件；
步骤3：旋压成形；
(1)粗旋：将步骤2制得的旋压毛坯装至旋压机上进行旋压变形，道次压下率25～40％；
(2)热处理：将旋压变形后的旋压毛坯放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1030℃保温60min，然后空冷至室温；
(3)精旋：在旋压机上进行1～2道次旋压变形至目标壁厚，道次压下率为35％～55％；
(4)去应力退火：将精旋的圆筒放入温度为500～560℃的加热炉中，保温60～90min后出炉空冷，以消除旋压过程中产生的残余应力，防止后续焊接工序中发生变形；
步骤4：焊接；
采用TIG焊将步骤3获得的圆筒与步骤2机加获得的外部件焊接在一起；
步骤5：整体热处理；
将步骤4组焊后的圆筒放入温度为520～560℃的加热炉内保温3～5h，再空冷至室温，即得到产品。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，所述旋压毛坯的内径为旋压芯模直径+0.10mm～0.50mm。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，粗旋道次的累积减薄率不低于60％。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤5获得的产品组织为回火马氏体，基体上分布着大量细小弥散的析出相，析出相呈球状或椭球状，碳化物尺寸不大于1μm。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤5得到的产品圆度≤0.4mm/m，直线度
≤0.4mm/m，强度不小于1150MPa。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、本发明中容器组焊完成后无需进行调质处理，仅进行时效处理即可获得高强度，热处理时间短，生产节奏紧凑，实现了能源节约的有益效果；
2、17-4PH不锈钢经60％的减薄变形后，等轴晶粒沿变形方向伸长变为纤维状，在晶粒内部产生大量的变带形和高密度位错，导致延伸率大大下降，难以满足后续旋压变形的要求，且纤维组织的存在会导致圆筒各向异性严重。本发明通过在粗旋和精旋间增加奥氏体化热处理，使得毛坯在粗旋后重新再结晶，一方面可以消除加工硬化，提高毛坯延伸率，使得旋压可以继续进行；另一方面晶界、晶内变带形等在相变时可以作为奥氏体相形核位置，增加形核率，细化奥氏体晶粒，提高旋压圆筒的强度和塑性。奥氏体化热处理工艺为1030℃保温60min，能够使得奥氏体再结晶充分进行，同时又避免了奥氏体晶粒的长大，获得均匀细小的奥氏体晶粒。
3、焊接后整体热处理采用的温度为520～560℃，在此温度范围内热处理可以获得细小弥散的析出相，显著提高圆筒强度的同时，保持较高的塑性。由于热处理温度较低，且冷却方式为空冷，避免了高温淬火带来的变形问题，所得的产品具有形状精度高的优点。
附图说明
图1为实施例1热处理后的容器经4％硝酸酒精溶液腐蚀的显微组织图；
图2为对比例1热处理后的容器经4％硝酸酒精溶液腐蚀的显微组织图；
图3为实施例2热处理后的容器经4％硝酸酒精溶液腐蚀的显微组织图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
步骤1：锻件热处理
将锻造的坯料放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1020℃保温90min，使得析出粒子完全固溶，提高锻坯的塑性，锻坯出炉直接空冷至室温，得到细小的无碳马氏体组织。
步骤2：机加
将第一步完成固溶处理的坯料进行机加，获得旋压毛坯和外部件。旋压毛坯的内径为芯模直径320.30mm，壁厚为10mm。
步骤3：旋压成形
分两阶段进行旋压成形，共进行了三道次旋压，其中第一二前两道次为粗旋，第三道次为精旋。
(1)粗旋：将第一步制得的毛坯装至旋压机上进行2道次旋压变形将壁厚减薄至3mm，第一道次压下率为35％，第二道次压下率为38％，总压下率为60％；
(2)热处理：将变形后的旋压毛坯放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1030℃保温60min，空冷至室温。
(3)精旋：在旋压机上进行2道次旋压变形至目标壁厚2mm，道次压下率为43％；
(4)去应力退火：将精旋的圆筒放入温度为520℃的加热炉中，保温85min后出炉空冷，以消除旋压过程中产生的残余应力，防止后续焊接机加等工序中发生变形。
步骤4：焊接
采用TIG焊将旋压圆筒与外部件焊接在一起。
步骤5：整体热处理
将组焊后的圆筒放入温度为520℃的加热炉内保温4h，再空冷至室温，得到产品。
产品的微观组织为回火马氏体，基体上分布着大量细小弥散的ε-Cu析出相(如图1所示)，与传统工艺制备的30CrMnSiA高强钢圆筒得到的碳化物析出相相比，析出强化效果显著，能够提高圆筒的拉伸性能。产品的圆度为0.32mm/m，直线度为0.3mm/m，抗拉强度为1233MPa，延伸率为8.7％。
对比例1
采用30CrMnSiA高强钢制备该圆筒，具体制备工艺如下：
步骤1：锻件热处理
将锻造的坯料放入加热炉中，升温至700℃，保温80min，出炉空冷至室温。
步骤2：机加
将第一步完成固溶处理的坯料进行机加，获得旋压毛坯和外部件。旋压毛坯的内径为芯模直径320.30mm，壁厚为10mm。
步骤3：旋压成形
分两阶段进行旋压成形，共进行了三道次旋压，其中第一道次为粗旋，后两道次为精旋。
(1)粗旋：将第一步制得的毛坯装至旋压机上进行1道次旋压变形将壁厚减薄至6.5mm，道次压下率为35％；
(2)退火：将粗旋后的毛坯放入加热炉中，升温至650℃保温60min，空冷。
(3)精旋：在旋压机上进行2道次旋压变形至目标壁厚2mm，第二道次压下率为38％、第三道次压下率为42％；
(4)去应力退火：将精旋的圆筒放入温度为650℃的加热炉中，保温60min后出炉空冷，以消除旋压过程中产生的残余应力，防止后续焊接机加等工序中发生变形。
步骤4：焊接
采用TIG焊将旋压圆筒与外部件焊接在一起。
步骤5：整体调质热处理
将组焊后的圆筒放入加热炉中，升温至900℃保温60min，油冷至室温，然后再次放入加热炉中升温至530℃保温60min，水冷至室温，得到产品。
产品的微观组织为回火马氏体，如图2所示。产品的圆度为0.56mm/m，直线度为0.65mm/m，抗拉强度为1120MPa，延伸率为12％。
实施例2
步骤1：锻件热处理
将锻造的坯料放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1050℃保温70min，使得析出粒子完全固溶，提高锻坯的塑性，锻坯出炉直接空冷至室温，得到细小的无碳马氏体组织。
步骤2：机加
将第一步完成固溶处理的坯料进行机加，获得旋压毛坯和外部件。旋压毛坯的内径为芯模直径320.30mm，壁厚为16mm。
步骤3：旋压成形
分两阶段进行旋压成形，共进行了五道次旋压，其中前三道次为粗旋，后两道次为精旋。
(1)粗旋：将第一步制得的毛坯装至旋压机上进行3道次旋压变形将壁厚减薄至5.5mm，第一道次压下率为25％、第二道次压下率为25％、第三道次压下率为33％。
(2)固熔热处理：将变形后的旋压毛坯放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1030℃保温60min。
(3)精旋：在旋压机上进行2道次旋压变形至目标壁厚2mm，第四道次压下率为33％、第五道次压下率为50％。
(4)去应力退火：将精旋的圆筒放入温度为560℃的加热炉中，保温60min后出炉空冷，以消除旋压过程中产生的残余应力，防止后续焊接机加等工序中发生变形。
步骤4：焊接
采用TIG焊将旋压圆筒与外部件焊接在一起。
步骤5：整体热处理
将组焊后的圆筒放入温度为560℃的加热炉内保温3.5h，再空冷至室温，得到产品。
产品的微观组织为回火马氏体，基体上分布着大量细小弥散的析出相，如图3所示。产品的圆度为0.37mm/m，直线度为0.35mm/m，抗拉强度为1196MPa，延伸率为8.2％。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：锻件热处理；
将锻造的坯料放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1020～1050℃保温70～100min，使得析出粒子完全固溶，提高锻坯的塑性；将锻坯出炉后空冷至室温，得到细小的无碳马氏体组织；
步骤2：机加；
将步骤1完成固溶处理的锻坯进行机加，获得旋压毛坯和外部件；
步骤3：旋压成形；
(1)粗旋：将步骤2制得的旋压毛坯装至旋压机上进行旋压变形，道次压下率25～40％；
(2)热处理：将旋压变形后的旋压毛坯放入加热炉中，升温至650℃，保温30min，再升温至1030℃保温60min，然后空冷至室温；
(3)精旋：在旋压机上进行1～2道次旋压变形至目标壁厚，道次压下率为35％～55％；
(4)去应力退火：将精旋的圆筒放入温度为500～560℃的加热炉中，保温60～90min后出炉空冷，以消除旋压过程中产生的残余应力，防止后续焊接工序中发生变形；
步骤4：焊接；
采用TIG焊将步骤3获得的圆筒与步骤2机加获得的外部件焊接在一起；
步骤5：整体热处理；
将步骤4组焊后的圆筒放入温度为520～560℃的加热炉内保温3～5h，再空冷至室温，即得到产品。
2.根据权利要求1所述不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，所述旋压毛坯的内径为旋压芯模直径+0.10mm～0.50mm。
3.根据权利要求1所述不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，粗旋道次的累积减薄率不低于60％。
4.根据权利要求1所述不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于：所述步骤5获得的产品组织为回火马氏体，基体上分布着大量细小弥散的析出相，析出相呈球状或椭球状，碳化物尺寸不大于1μm。
5.根据权利要求1所述不锈钢薄壁圆筒的制备方法，其特征在于：所述步骤5得到的产品圆度≤0.4mm/m，直线度≤0.4mm/m，强度不小于1150MPa。
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