奥氏体不锈钢具有较高的塑性,但是在冲压成型时极易产生皱纹。因此,根据金属的流动性,建议在加工成型时更多地采用拉伸,而不是压缩。当不锈钢薄板坯料在拉伸或者深冲时,其边部应被压环压住,如图4-11所示,以防边缘起皱。
12Cr17Ni7(301)型不锈钢是奥氏体型钢中含镍、铬最低的牌号,它在退火状态仍具有最高的抗拉强度。随着冷成型量的增加(以冷变形率计量),12Cr17Ni7(301)钢所具有非常高的加工硬化率会引起抗拉强度和屈服强度的明显提高。这对于希望在加工成型后能增大强度和刚性的产品,如角钢和槽钢等结构件来说是特别重要和十分期待的。另一方面,含镍量较高的奥氏体钢,特别是06Cr19Ni10(304不锈钢)、022Cr19Ni10(304L不锈钢)和10Cr18Ni12(305)型不锈钢,它们具有较低的加工硬化速度,非常适合于深冲加工成型。
一般来说,奥氏体型不锈钢n值较大,在成型加工过程中,由于塑性诱发相变而生成马氏体。因而其有较大的n值和延伸率,可进行深冲成型加工和凸缘成型。有一部分奥氏体不锈钢在深冲成型加工后,经过一段时间会产生与冲压方向相一致的纵向裂纹,即所谓的“时效裂纹”。采用200系列奥氏体不锈钢(部分Ni被Mn代替),由于其有较高的成型起始强度,所以成型时需要较高的加工成型力。同时该钢种与对应的300系列不锈钢比较,这些材料的“回弹”(spring back)性比较大。
但是,由于奥氏体不锈钢具有较高的退火后强度和加工硬化性能,所以和铁素体不锈钢相比,需要更大的加成型应力。而且,由于加工硬化的原因,不仅仅需要较高的形变应力,而且需要提高金属开始变形时的起始应力。
由于奥氏体不锈钢有很高的塑性,所以这些钢的形变能力比铁素体不锈钢强,在冷加成型工作中允许承受很大的变形量。在奥氏体不锈钢中,加工硬化越快的钢种,如12Cr17Ni7(301)或者06Cr19Ni10(304),在同样的作业中能承受最大的形变。奥氏体不锈钢冷加工成型的成型性能是指没有预先退火情况下的冷变形。但是,在连续加工过程中,也许需要进行中间退火,使其恢复到原有的塑性。
奥氏体不锈钢优良的成型性能,尤其在需持久极大的拉伸变形的胀形和弯曲作业中,以及需要高塑性的剧烈的深冲作业中,表现尤为明显。
通常,当Ni含量较低时,如12Cr17Ni7(301)(约6.5%Ni),奥氏体不锈钢成型加工会变得非常困难。在稳定化钢种的成型特性中,稳定化元素的存在,如Ti、Nb和Ta以及高含C量,起着不利的作用。这是由于微观结构中形成像Ti的碳化物和氮化物的第二相粒子的原因。所以在06Cr18Ni11Ti(321)和06Cr18Ni11Nb(347)钢种的成型,没有在06Cr19Ni10(304)和 10Cr18Ni12(305)钢种成型得顺利。像Y12Cr18Ni9(303)这种易切削加工钢种,塑性性能比较差,不能用于成型加工。
图4-12是在压力成型时出现的减薄破裂照片。
1. 冲压成型
冲压包括拉伸和冲压,拉伸会减小工件的横截面,而冲压却不能。换言之,冲压允许材料在足够张力变形,这张力是由压紧压环面产生的,为的是防止折皱产生。在冲压成型的第一阶段,材料经过90°拉弯,并会引起不同程度的加工硬化(这要取决于冲压环的圆角和钢加工硬化的速度。较小圆角将引起较大的加工硬化)。12Cr17Mn6Ni6N(201)和12Cr17Ni7(301)奥氏体不锈钢耐急弯性能变形比普通铬钢要好,特别是在带钢弯曲后再拉伸时更是这样。弯曲半径的变化,通常能够是厚度的7倍,因此断裂就成为一个问题。
冲压成型所选用的钢种决定了冲压成型的深度和获得所要求形状的方法。如果要是进行多次成型,加工者就需要知道毛坯在每一次成型操作中冲压的深度,以及在冲压成型之间是否需要退火。
12Cr17Mn6Ni6N(201)钢适合于制作1~2次冲压拉伸成型的工件(材料变形主要通过拉伸,只发生少量滑移)。其主要优点是一般情况下能够使用较小的毛坯直径。为了限制材料滑移,通过改变压紧装置压力,就能够完全控制起皱观象。
用下面简单的公式就能够计算出所选用钢种的毛坯的直径。
收缩量%=100(D0-d)/D0
式中 D0--毛坯直径,mm; d--冲压件直径,mm。
如果收缩量不到25%,工件一般选用10Cr17(430)和10Cr17Mo(434)钢。如果压缩在50%以下,可选用12Cr17Mn6Ni6N(201)和12Cr17N17(301)钢,但对收缩量较大的工件,则选用06Cr19Ni10(304)或10C-18Ni12(305)钢。
图4-11是典型的间隙圆角半径要求示意图。为了计算坯料尺寸。
在不锈钢冷冲压成型时,为了实现成型就必须使用超过其屈服强度,但又要低于其抗拉强度的成型力。这就是说,这个力的范围就处于屈服强度和抗拉强度之间的较大范围之内。屈服强度和抗拉强度之间范围越大,塑性变形的范围也就越大,参见图4-6。在退火状态下,400系列不锈钢有较低的屈服强度和抗拉强度,这样其加工范围就比较狭窄,而且400系列不锈钢的拉伸变形量也不及200和300系列不锈钢。
图4-13表示冷加工成型时,加工硬化对10Cr17(430)、12Cr17Mn6Ni6N(201)和12Cr17Ni7(301)钢的强度和塑性的影响。很明显12Cr17Mn6Ni6N(201)和12Cr17Ni7(301)钢有较大的塑性范围。尽管这两种钢的强度增加要比10Cr17(430)快得多,但它们的韧性在冷加工中仍然可以保持很高。随着钢中Ni含量的增加,其加工硬化率下降;随着冷加工的进行,在很大程度上仍能保持较高的韧性。
冲压成型时,不锈钢坯料被压环紧紧夹持在凹模上的方法,可使坯料形成后的工件被拉深而又不会流入凹模内,这无疑会使工件的壁厚减薄,由于加工硬化作用,减薄部分的金属强度可以等于或超过未经加工较厚的部位。
为了将坯料形成为一定的形状,工件某些部位的厚度势必会减薄。对于成型加工要求某一区域金属的塑性流动大于另一区域的工件来讲,就是应用了这一技术,特别是局部成型。
冲压成型时,在成型模顶端部位的成型应力、金属塑性的流动和变形值都是最大的。如果坯料在成型时发生破裂,那么其破裂一定发生在成型模顶端部位的区域。
大量的不锈钢薄板均可采用冲压方法进行成型加工,但对成型加工操作的要求都非常严格。一种材料的拉伸成型性能,可在材料生产的实际使用中测得。如果要精确地确定钢种的成分与工艺对冲压成型性的影响,则有必要取得比“可-否”试验更为精确的结果。
在冲压成型时,除材料因素外还有许多变化因素,那些处于成型性边缘的钢种,都会因这些变化因素决定它们能否顺利成型。这些变化的因素有:压环的压力、成型速度、润滑剂、压模清洁程度以及模具磨损情况等。对不锈钢冲压成型性评价的试验应尽可能简单,而且要求其再(重)现性要好。
冲压成型和拉伸成型特点的比较如图4-14所示。
2. 冲压成型实例
[实例4-1]如图4-15所示,为12Cr17Ni7(301)不锈钢制成的汽车轮罩示意图,其中心部位就是有目的地采用了拉伸法使其减薄并产生加工硬化作用的实例。
[实例4-2]使工件承受成型所能允许的最大压力,并通过加工硬化提高其强度的例子,如图4-16所示。
图4-16是小型飞机引擎消音器端盖的示意图。该端盖所用的材料是06Cr18Ni11Ti(321),在成型过程中,施加接近成型性极限所规定的最大压力,使其加工硬化,以提高其刚度并获得必要的抗疲劳强度。
该端盖是在一台60t向后开口的倾斜式机械冲床上经两道工序制成的。冲床的冲程为127mm,该模具是淬火硬度为洛氏59~62的工具钢冲模。
第一道工序如图4-16(b)所示,为一组合型冲压模。其作用是将坯料先冲压成型为带槽的圆盘形状,使其内径和外形符合工件要求。工件的外缘是用弹性夹具压紧,工件内表面用一与冲压中心对中的橡胶垫支撑。成型是按照设计的顺序进行的,即首先成型带槽的圆盘形状,然后再对内外径进行加工,这样就可以使所得的凸缘尺寸非常精确。
第二道工序如图4-16(b)所示,主要是加工工件的内缘(拉伸)和外缘(压缩)。在该操作过程中,消音器端盖所承受的压力是经弹性压力垫传递的。
生产这种零件所用的原料是退火后的06Cr18Ni11Ti(321不锈钢)不锈钢,其厚度为0.813mm,并把它剪成5483.86mm见方的坯料。第一道冲模将坯料加工成型的槽形毛坯,可作为第二道冲模加工成型的定位面。每加工一个工件后冲模应涂油润滑。
[实例4-3] 不锈钢具有较高的延伸率,所以在压缩时,极易产生皱折。这样,如何选择金属在成型时的流动方向,就成为保证高质量要求工件成型的关键所在,理论和实践告诉我们,其成型方式应选用拉伸成型,而不能选用压缩成型。
图4-17所示的就是利用压板定位和模具上刻槽,这两项措施来控制金属流动的实际例子。
图4-17所示的工件是用经退火的12Cr18Ni9(302不锈钢)型不锈钢锥形坯料,在250t往复式液压冲压机上成型的。为了使金属的拉伸变形大于压缩变形以避免工件产生皱纹,通常希望坯料的窄端金属能产生最大的流动。
由于成型过程所形成的角必须紧靠压板,这样冲模就不能将料固定成水平状。在成型过程中毛坯的上、下边缘均被压板夹紧夹紧力为36吨。由于上压板的长度是下压板的两倍,宽度为下压板的2/3,这样夹紧力是在大面积上分布的。所以大部分金属将会从宽端流向窄端,这样被加工金属就会产生皱纹。如果在上压板上附加刻槽,为的是提高该端的夹紧力,可使毛坯窄端的大部分金属产生流动。为了促进毛坯窄端金属的流动,并在坯料下部涂以脂肪酸非颜料型绘画混合剂,因下冲模半径比较小,产生撕裂而造成的金属损耗仅为3%.