F55 双相不锈钢阀盖制造工艺及产品质量验证

文/于明亮·浙江联达锻造有限公司

曹风华·上海电机学院

基于优异的机械性能和耐氯离子腐蚀，双相不锈钢产品越来越多地应用于海洋平台、深海石油管道等工况条件下，作为阀体承压件和压力控制件的材料。典型材料包括美国标准ASTM A182/A182M-2018中的F53和F55。对于高安全阀门锻件生产企业来说，不仅要严格控制锻件的外观和成形质量，还要严格控制产品的内部组织和性能等因素。本文以F55材质的双相不锈钢阀盖产品为例，主要介绍其成形工艺及锻造性能分析。

阀盖产品介绍

阀盖产品材质为F55双相钢。整个产品是一个空心件，两侧有大法兰。结构比较规则。该成形工艺适用于锤锻和轮胎模锻的组合成形工艺。

F55双相不锈钢阀盖对原材料要求较高，需要采用AOD冶炼技术。钢锭成分应符合表1的成分要求。

表1 F55双相不锈钢成分（质量分数，%）

锻造成形工艺

对于这款气门室盖产品，我们首先采用锤锻将毛坯开孔并冲孔，然后采用轮胎模锻成型。成形工艺流程如图2所示。将加热后的圆柱坯放在锤锻工作台上进行镦粗；在镦粗坯料上端中央放置一个锥形模具，预制中心孔；将坯料翻转并冲洗掉外皮；使用专用的轮胎模具在锻造设备上锻造而成。锻造过程中严格控制产品的锻造温度。该材料锻件的始锻温度不能高于1180℃。如果加热温度过高，会出现多余的铁素体，影响双相不锈钢的性能。终锻温度不能低于950℃。 ℃。如果锻造过程中锻造温度低于950℃，应回炉保温后再重新锻造。

图1 F55双相不锈钢阀盖

图2 气门室盖锻造工艺流程

图3为F55双相不锈钢气门嘴盖产品现场锻造的锻造工艺流程，由毛坯、镦粗、冲孔、胎模成型得到成品。锻件冷却后，经外观测量，无裂纹、折叠等缺陷，外形尺寸合格，符合加工图纸要求。

图3 气门室盖锻造成形工艺

热处理工艺制定

为了使F55双相不锈钢阀盖锻件获得较高的综合力学性能和良好的内部组织，需要对产品进行固溶热处理。合适的热处理工艺可以获得稳定的两相组织。热处理过程中需要严格控制冷却介质。温度必须保证热处理前冷却介质的温度不能高于40℃，冷却后介质的温度不能高于50℃。热处理曲线如图4所示。

图4 气门室盖锻件固溶热处理曲线

性能测试

基于F55双相不锈钢阀盖恶劣的使用条件，在保证锻件满足客户要求的同时，对固溶热处理后的锻件进行了力学性能分析、点蚀测试、有害金属间化合物相评价和铁素体含量。测量以确保所供应产品的质量符合使用要求。

力学性能分析

根据ASTM A370-2020钢材力学性能测试方法和定义，分别在万能试验机和冲击试验机上进行拉伸试验和冲击试验。表2中的数据是锻件热处理后的性能测试数据与标准要求数据的比较。锻件试件得到的数据值均高于标准值要求，表明锻件的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率均符合要求。机械性能要求。

表2 锻件热处理后性能试验数据与标准要求数据对比

在锻件的不同位置沿横向和纵向获得两个冲击试样。冲击试样的取样位置如图5中的A、B所示。在-46℃的环境下，对两个试样进行了冲击试验。测试数据如表3所示。测得的平均冲击能量分别为229J和226J。样品之间的冲击功差异较小，均满足该材料锻件的使用要求。要求。

图5 冲击样品取样位置

表3 锻件不同位置的冲击功

点蚀试验分析

通过分析双相不锈钢的耐点蚀性能，可以确定该产品在石油运输、氯碱工业、海水淡化等领域的使用寿命。测试分析是根据ASTM G48-2011（2020）标准测试方法（方法A）进行的，用于使用氯化铁溶液测试不锈钢及相关合金的耐点蚀和缝隙腐蚀能力。试验时应注意以下几点： ⑴ 样品表面必须抛光； ⑵ 腐蚀产物必须用水冲洗→刷子擦拭→超声波清洗→酒精清洗干燥。样品尺寸分别为49.94mm×24.92mm×4.90mm和49.92mm×24.91mm×4.93mm。样品的表面积为3.3×。选取浓度为6%的FeCl3来测试样品。试验温度为50℃，试验时间为48小时后，通过称重样品，最终测得的点蚀试验数据如表4所示。质量损失率分别为0.84g/m2和0.74g/m2，满足客户的要求。同时，图6 点蚀金相图像中未发现明显的点蚀痕迹，表明F55双相不锈钢阀盖具有优异的耐点蚀性能。

表4 点蚀试验结果

图6 点蚀后金相图

金属间有害相的评价

双相不锈钢中的析出相大多含有较高含量的Cr、Mo、N，它们的析出不仅使材料的耐腐蚀性能显着下降，而且给钢的后续成形带来很大困难。研究表明，这些相中危害最大的是σ相。具有四方结构的σ相是关键有害相。即使少量的σ相对双相不锈钢的塑韧性和耐腐蚀性也极为有害。

该评估是根据ASTM A923-2014双相奥氏体-铁素体不锈钢中有害金属间相检测的测试方法进行的。如图7所示，在400倍倒置金相显微镜下观察，铁素体和奥氏体相分布均匀，未发现有害金属间相，无金属化合物相析出，各晶界边缘光滑。

图7 金属有害相评价金相图（400×）

铁素体含量测定

一般双相不锈钢中铁素体相与奥氏体相的比例为30%～70%时即可获得良好的性能。目前，双相不锈钢中铁素体和奥氏体的比例一般是通过控制双相不锈钢的化学成分和选择合适的热处理制度来实现的。

评估是根据 ASTM E562-2019 使用系统手动点计数测定体积分数的标准测试方法进行的。将所取样品清洗、研磨、抛光，使用氢氧化钠水溶液作为蚀刻剂，蚀刻时间10s，在400倍显微镜下观察。通过显微镜观察得到的数据如表5所示。最终测得的铁素体含量为45.6%±5.1%，铁素体相与奥氏体相的比例接近1:1。结果表明，F55双相不锈钢锻造原材料的化学成分和热处理工艺符合要求。

表5 铁素体含量测定表

综上所述

通过制定F55双相不锈钢阀盖的锻造成形工艺和热处理工艺并对最终锻造产品进行性能测试，主要验证了以下两点：

⑴先镦粗、冲孔，然后轮胎模锻，可获得外观质量良好的气门室盖锻件。

⑵经对阀盖锻件综合分析，F55双相不锈钢阀盖锻件综合力学性能良好，耐腐蚀性能优良，无有害相析出。同时，铁素体含量表明阀盖锻件的化学成分和热处理工艺合格。验证了该产品锻造及热处理工艺的可行性。

——文章选自《锻造与冲压》2023年第5期