CN117444552B - 一种提高316l不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供了一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，属于不锈钢零部件制造技术领域。本发明采用深孔钻方式在316L不锈钢棒料上进行钻孔，然后对钻孔后的316L不锈钢输氢管进行铰孔和珩磨，珩磨后内孔表面粗糙度控制为不大于0.4μm；将316L不锈钢输氢管两端进行夹持密封，并将带孔空心芯棒插入输氢管，通过芯棒向输氢管内壁施加液压促使内壁预应力塑性变形，最后进行退火热处理保证输氢管内壁获得稳定的残余压应力。本发明方法可提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能，提高高压环境下输氢管的使用安全性。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢零部件制造技术领域，具体涉及一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法。
背景技术
目前，新能源汽车对燃料电池的要求越来越高，氢能源燃料作为最重要的新能源电池之一，其发展离不开加氢站等基础设施的建设，而加氢枪是加氢站基础设施建设必不可少的产品。国内35 MPa加氢机设备目前正逐步进行国产化，而70 MPa 加氢机设备完全依赖进口，其中加氢枪输氢管材料选材对加氢机设备使用寿命是非常关键的。
输氢管材料的疲劳性能和抗氢脆性能与加氢机设备的使用寿命息息相关。目前，国内外储氢金属材料通常选用Cr-Mo钢，316L不锈钢和6061铝合金等氢脆敏感性较低的材料，但是三种材料各有优势，Cr-Mo钢疲劳性能更优，316L不锈钢抗氢脆性能更优异，6061铝合金密度低可减重。相比Cr-Mo钢和6061铝合金，316L不锈钢由于抗氢脆性能更优被广泛应用于加氢枪输氢管。目前，各国正在对70MPa或90MPa加氢机设备进行研发，充氢压力越大会导致输氢管使用寿命越低，对材料的抗氢脆性能要求同样越来越高。因此，本发明目的是提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能，来满足更高压力加氢机设备使用需求。
近年来，相关研究人员通过使用机械喷丸等强化方式对材料表面进行形变强化形成残余压应力，来提高材料的抗氢脆性能。研究发现，残余应力越高，裂纹尖端处的氢含量也越高，说明残余压应力可以抑制氢的扩散从而降低其在裂纹尖端处聚集的量，最终降低裂纹扩展速率。机械喷丸对加氢枪输氢管进行强化，其操作比较困难。因此，本发明拟采用液压自增强的方式对输氢管内壁进行强化，使得内层保持塑性变形和外层保持弹性变形，从而确保内层形成残余压应力来提高抗氢脆性能。然而，316L不锈钢作为奥氏体不锈钢，冷变形可能会促进变形诱发马氏体相变，而马氏体会在充氢316L不锈钢中起着“氢扩散通道”的作用，会引起材料的氢脆。因此，如何通过控制液压自增强工艺参数，既能阻止诱发马氏体相变，又能形成残余压应力来提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能，是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，能够满足更高压力加氢枪使用寿命。
本发明采用如下技术方案：
一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，包括如下步骤：
第一步，采用深孔钻方式在316L不锈钢棒料上进行钻孔得到空心钢管，其次对钢管外壁进行车外圆，最后对钻孔后的316L不锈钢输氢管进行铰孔和珩磨，珩磨后内孔表面粗糙度控制为不大于0.4μm；
第二步，对第一步珩磨后的316L不锈钢管进行预应力变形处理，所述预应力变形处理是将316L不锈钢输氢管两端夹持密封，将带孔空心芯棒插入输氢管，通过芯棒向输氢管内壁施加液压压力，保持一定时间对内壁进行预应力塑性变形，使内壁形成残余压应力；
第三步，对第二步内壁预应力变形处理后的316L不锈钢管进行退火保温处理，确保材料残余压应力稳定。
进一步地，第一步中所述316L不锈钢棒料钻孔后的内孔直径a取6~10mm，得到的空心钢棒外径b＝1.1-1.3a。
进一步地，第一步中所述316L不锈钢输氢管进行铰孔和珩磨，珩磨后内孔表面粗糙度不大于0.2μm。
进一步地，第二步中所述施加液压压力的加载速率为10-30MPa/s。
进一步地，第二步中所述施加液压压力为240-290MPa。
进一步地，第二步中所述施加液压压力保持时间为3-8s。
进一步地，第三步中所述退火保温处理温度为300-350℃。
进一步地，第三步中所述退火保温处理时间为30-60min。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法。316L不锈钢输氢管传统加工方法仅仅是通过深孔钻确保内壁粗糙度控制在0.4μm范围内即可，而本发明的方法是在传统加工方法基础上通过施加液压对内孔进行预应力加载，使内壁发生塑性变形而外壁仍保持一定弹性变形，卸载后外壁弹性部分会恢复，从而使得内壁塑性部分形成残余压应力，提高输氢管的抗氢脆性能。由于内壁发生较大塑性变形有可能促进马氏体相变，马氏体组织会降低316L不锈钢输氢管的抗氢脆性能。由于液压压力能够均匀施加在内壁表面，通过控制液压压力升高速率促使内壁组织缓慢变形，避免局部位置瞬间产生较大塑性变形而产生马氏体相变，然后在压力最大值保持较短时间保证形成一定残余压应力同时抑制马氏体相变。因此，本发明通过控制液压压力加载速度和最大压力保持时间来同时控制残余压应力形成和抑制马氏体相变，而且液压变形后立即进行退火处理，去掉部分内壁塑性变形形成的不利残余应力抑制或减少马氏体相变，促使液压强化对输氢管抗氢脆性能提高的有益效果远远大于有害效果，从而提升其抗氢脆性能。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明技术方法图如图1所示，下文将结合具体实施例对本发明的方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
输氢管内孔成品直径为6mm，外径选为6.6mm，其制备工艺如下：
（1）深孔钻
对316L不锈钢棒料进行钻孔，然后进行铰孔和珩磨，内孔表面粗糙度为0.4μm；
（2）液压强化
采用空心芯棒向输氢管内壁施加液压进行强化，其液压压力加载速率10MPa/s，最大液压压力290MPa，保持时间为3s。
（3）退火热处理
强化后输氢管进行退火热处理，具体工艺为350℃保温30min。
实施例2
输氢管内孔成品直径为6mm，外径选为6.6mm，其制备工艺如下：
（1）深孔钻
对316L不锈钢棒料进行钻孔，然后进行铰孔和珩磨，内孔表面粗糙度为0.2μm；
（2）液压强化
采用空心芯棒向输氢管内壁施加液压进行强化，其液压压力加载速率30MPa/s，最大液压压力240MPa，保持时间为8s。
（3）退火热处理
强化后输氢管进行退火热处理，具体工艺为300℃保温60min。
实施例3
输氢管内孔成品直径为10mm，外径选为13mm，其制备工艺如下：
（1）深孔钻
对316L不锈钢棒料进行钻孔，然后进行铰孔和珩磨，内孔表面粗糙度为0.4μm；
（2）液压强化
采用空心芯棒向输氢管内壁施加液压进行强化，其液压压力加载速率10MPa/s，最大液压压力290MPa，保持时间为3s。
（3）退火热处理
强化后输氢管进行退火热处理，具体工艺为350℃保温30min。
实施例4
输氢管内孔成品直径为10mm，外径选为13mm，其制备工艺如下：
（1）深孔钻
对316L不锈钢棒料进行钻孔，然后进行铰孔和珩磨，内孔表面粗糙度为0.2μm；
（2）液压强化
采用空心芯棒向输氢管内壁施加液压进行强化，其液压压力加载速率30MPa/s，最大液压压力240MPa，保持时间为8s。
（3）退火热处理
强化后输氢管进行退火热处理，具体工艺为300℃保温60min。
对比例1-4分别为φ6.6×6和φ13×10的两种规格和两种粗糙度的输氢管，粗糙度分别为0.2μm和0.4μm。表1为实施例1-4与对比例1-4的制备参数对比，实施例1和实施例2、实施例3和实施例4之间对比为相同规格制备参数上下限之间对比；实施例1和实施例3、实施例2和实施例4之间对比为不同规格相同制备参数之间对比；实施例1-4分别与对比例1-4之间对比是相同规格不同制备参数之间的对比。
经过实施例1-4与对比例1-4的制备工艺进行加工成厚壁管试样，然后向各组厚壁管试样中充入90MPa高压氢气和保压12h，最后将输氢管沿纵向剖开，用氢分析仪测试输氢管内壁平均氢含量和用表面残余应力测试设备测试输氢管内壁表面残余应力，具体结果如表2所示。从表2中可知，实施例1-4中的试样轴向表面残余应力均为压应力，而对比例1-4的试样轴向表面残余应力均为拉应力，其实施例1-4平均氢含量明显低于对比例1-4，这说明本发明中技术方法能够确保输氢管内表面形成残余压应力，提高输氢管抗氢脆性能。而且，对比例1与对比例2、对比例3与对比例4分别进行对比，发现粗糙度低会导致残余拉应力低，最终氢含量更少，则说明粗糙度低更有利于提高输氢管抗氢脆性能。
表1实施例1-4与对比例1-2的制备参数对比
表2 实施例1-4与对比例1-2的表面残余应力和平均氢含量数据
Claims (3)
1.一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，采用深孔钻方式在316L不锈钢棒料上进行钻孔得到空心钢管，其次对钢管外壁进行车外圆，最后对钻孔后的316L不锈钢输氢管进行铰孔和珩磨，珩磨后内孔表面粗糙度控制为不大于0.4μm；
第二步，对第一步珩磨后的316L不锈钢管进行预应力变形处理，所述预应力变形处理是将316L不锈钢输氢管两端夹持密封，将带孔空心芯棒插入输氢管，通过芯棒向输氢管内壁施加液压压力，保持一定时间对内壁进行预应力塑性变形，使内壁形成残余压应力；
第三步，对第二步内壁预应力变形处理后的316L不锈钢管进行退火保温处理，确保材料残余压应力稳定；
第二步中所述施加液压压力的加载速率为10-30MPa/s；所述施加液压压力为240-290MPa；所述施加液压压力保持时间为3-8s；
第三步中所述退火保温处理温度为300-350℃；第三步中所述退火保温处理时间为30-60min。
2.根据权利要求1所述的一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，其特征在于：第一步中所述316L不锈钢棒料钻孔后的内孔直径a取6~10mm，得到的空心钢棒外径b＝1.1-1.3a。
3.根据权利要求1所述的一种提高316L不锈钢输氢管抗氢脆性能的方法，其特征在于：第一步中所述316L不锈钢输氢管进行铰孔和珩磨，珩磨后内孔表面粗糙度不大于0.2μm。
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