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Análisis de la causa del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado por empuje en caliente
Resumen: acero inoxidable WP304, como material de acero inoxidable austenítico ampliamente utilizado, Se aplica ampliamente en componentes de codo de petroquímica., industria aeroespacial, y campos de la ingeniería marina debido a su excelente corrosión resistencia, propiedades mecánicas, y estabilidad a altas temperaturas. El conformado por doblado en caliente es un proceso de fabricación convencional para codos de acero inoxidable., con alta eficiencia de producción, buena calidad de conformado, y gran adaptabilidad a formas complejas. sin embargo, El agrietamiento de la pared interior a menudo ocurre durante el proceso de formación de doblado en caliente de los codos de acero inoxidable WP304., lo que afecta seriamente la tasa de calificación del producto, aumenta los costos de producción, e incluso plantea posibles riesgos de seguridad para el servicio posterior de los codos.. Para solucionar este problema técnico, Este artículo realiza un estudio en profundidad sobre las causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente..
En primer lugar, El documento detalla las características del material del acero inoxidable WP304., incluyendo su composición química, microestructura, y propiedades mecánicas a altas temperaturas, Sentar una base teórica para analizar el mecanismo de craqueo.. En segundo lugar, Presenta el principio básico y los parámetros clave del proceso de conformado por doblado en caliente., y aclara la ley de distribución de tensión-deformación del codo durante el proceso de formación, especialmente el fenómeno de concentración de tensiones en la pared interior. Entonces, a través de una combinación de investigación bibliográfica, análisis experimental, y simulación de elementos finitos, Se analizan sistemáticamente las principales causas del agrietamiento de las paredes interiores., incluyendo factores materiales (como inclusiones, tamaño de grano, y estrés residual), factores del proceso (como la temperatura de formación, velocidad de empuje, diseño de troquel, y uniformidad de calentamiento), y factores ambientales (como oxidación y descarburación.). Finalmente, Se proponen las correspondientes medidas preventivas y de control en función de las causas del agrietamiento., como optimizar la composición química del material, mejorar el proceso de tratamiento térmico, Optimización de los parámetros del proceso de doblado en caliente., y mejorar la estructura del troquel.
Los resultados de la investigación muestran que el agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado por empuje en caliente es el resultado integral de múltiples factores.. Entre ellos, La coincidencia irrazonable de la temperatura de formación y la velocidad de empuje., el calentamiento desigual del espacio en blanco, La estructura irrazonable del troquel conduce a una concentración excesiva de tensiones en la pared interior., y la existencia de inclusiones nocivas en el material son los factores clave que provocan el agrietamiento.. Las medidas preventivas propuestas en este documento pueden reducir eficazmente la aparición de grietas en las paredes interiores., mejorar la tasa de calificación del producto de los codos de acero inoxidable WP304, y proporcionar soporte técnico para la producción estable y eficiente de las empresas.. Este estudio tiene una importancia teórica importante y un valor de aplicación práctica para mejorar el nivel de fabricación de los codos de acero inoxidable WP304 y garantizar el funcionamiento seguro de los equipos de ingeniería..
Palabras clave: acero inoxidable WP304; codo; conformado por doblado por empuje en caliente; agrietamiento de la pared interior; análisis de causa; medidas preventivas
1. Introducción
1.1 Antecedentes e importancia de la investigación
En años recientes, con el rápido desarrollo de la industria petroquímica global, la energía nuclear, industria aeroespacial, e industrias de ingeniería marina, la demanda de alto rendimiento tubería componentes ha ido aumentando. Como importante componente de conexión en sistemas de tuberías., Los codos desempeñan un papel crucial a la hora de cambiar la dirección del flujo de fluido y garantizar el buen funcionamiento de la tubería.. El acero inoxidable WP304 es un acero inoxidable austenítico con un sistema de aleación Cr-Ni., que tiene una excelente resistencia a la corrosión (especialmente contra la atmósfera, agua, y medios químicos), buena resistencia y tenacidad a altas temperaturas, y excelente conformabilidad y soldabilidad. Por lo tanto, Los codos de acero inoxidable WP304 se utilizan ampliamente en entornos de trabajo hostiles como alta temperatura, alta presión, y fuerte corrosión.
El conformado por doblado en caliente es un proceso maduro y eficiente para la fabricación de codos de acero inoxidable.. En comparación con otros procesos de conformado, como el estampado y el forjado., El conformado por doblado por empuje en caliente tiene las ventajas de un flujo de proceso simple., alta eficiencia de producción, bajo costo del molde, y buena uniformidad del espesor de la pared del codo formado. Está especialmente indicado para la producción en masa de codos con diferentes diámetros y radios de curvatura.. sin embargo, en el proceso de producción real, debido a los complejos cambios físicos y químicos y los estados de tensión-deformación del material durante el trabajo en caliente, Es probable que se produzcan varios defectos en los codos formados., entre los cuales el agrietamiento de la pared interior es uno de los defectos más comunes y dañinos.
El agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 no solo reducirá las propiedades mecánicas (como la fuerza, tenacidad, y resistencia a la fatiga) de los codos pero también proporcionan canales para la infiltración de medios corrosivos, acelerando la falla por corrosión de los codos. En casos severos, Incluso puede provocar fugas en las tuberías., causando importantes accidentes de seguridad y pérdidas económicas. Por ejemplo, en una planta petroquímica en 2022, Se produjo un accidente por fuga en una tubería debido al agrietamiento de un codo de acero inoxidable WP304 durante el servicio., lo que resulta en la fuga de medios tóxicos y dañinos, que no sólo causó pérdidas económicas directas de más de 5 millones de yuanes, pero también planteaba una grave amenaza para el medio ambiente y la seguridad del personal.. Investigaciones posteriores encontraron que la causa fundamental del agrietamiento del codo era la existencia de microfisuras en la pared interna formadas durante el proceso de formación de flexión por empuje en caliente., que se expandió gradualmente bajo la acción del estrés de servicio a largo plazo y medios corrosivos.
Por lo tanto, Realización de una investigación en profundidad sobre las causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente., y proponer medidas preventivas específicas, Es de gran importancia práctica para mejorar la calidad del producto de los codos., Reducción de los costos de producción, Garantizar el funcionamiento seguro de los sistemas de tuberías., y promover el sano desarrollo de las industrias relacionadas. Al mismo tiempo, Esta investigación también puede enriquecer el sistema teórico de trabajo en caliente del acero inoxidable austenítico., Proporcionando una referencia para el estudio de problemas de fisuración en otros procesos similares de conformado en caliente..
1.2 Estado de la investigación en el país y en el extranjero
En el presente, Muchos académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo investigaciones relevantes sobre el proceso de conformado en caliente y el control de defectos de los codos de acero inoxidable.. Respecto al proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, Académicos extranjeros han realizado estudios en profundidad sobre el mecanismo de formación y la optimización de los parámetros del proceso.. Por ejemplo, Smith y otros. (2020) Se utilizó un software de simulación de elementos finitos para simular el proceso de conformado por flexión en caliente de codos de acero inoxidable austenítico., analizó la ley de distribución de tensión-deformación del codo durante la formación, y descubrió que la pared interior del codo estaba sometida a esfuerzos de compresión y la pared exterior estaba sometida a esfuerzos de tracción., y la concentración de tensión fue más obvia en el arco interno del codo. También estudiaron la influencia de la temperatura de formación y la velocidad de empuje en la calidad de la formación., y propuso que el rango de temperatura de formación óptimo para el acero inoxidable austenítico era 1050 ℃ -1150 ℃.
Los académicos nacionales también han logrado logros notables en la investigación sobre la formación por flexión en caliente de codos de acero inoxidable.. Li y otros. (2021) Estudió la influencia de los métodos de calentamiento en la calidad de conformado de los codos de acero inoxidable WP304.. Los resultados mostraron que un calentamiento desigual conduciría a una distribución desigual de la temperatura del blanco., lo que resulta en una tensión-deformación desigual durante el conformado, que fue una causa importante del agrietamiento de la pared interior. Wang y otros. (2023) analizó la evolución de la microestructura del acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente, y descubrió que el crecimiento de grano y la recristalización ocurrían en el material a altas temperaturas., y el tamaño del grano tuvo una influencia importante en la formabilidad del material. Los granos demasiado gruesos reducirían la tenacidad del material., haciéndolo propenso a agrietarse durante la formación.
En cuanto a las causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable., Los estudiosos han presentado diferentes puntos de vista.. Algunos estudiosos creen que los factores materiales son las causas principales., como la existencia de inclusiones nocivas (como óxidos, sulfuros) en la materia, que se convertirá en la fuente de grietas y provocará grietas bajo la acción de la tensión de formación. Otros académicos creen que los factores del proceso son más críticos, como parámetros de proceso irrazonables (temperatura de formación demasiado alta o demasiado baja, velocidad de empuje demasiado rápida), diseño de matriz irrazonable (radio de curvatura demasiado pequeño, mala calidad superficial de la matriz), etc., lo que conducirá a una concentración excesiva de tensión en la pared interna del codo, resultando en grietas. Además, Algunos estudiosos también han estudiado la influencia de los factores ambientales en el agrietamiento., como oxidación y descarburación de la superficie del material a altas temperaturas, lo que reducirá la calidad de la superficie y las propiedades mecánicas del material., haciéndolo propenso a agrietarse.
Aunque los estudios existentes han logrado algunos avances en la investigación sobre la formación de flexión por empuje en caliente y el agrietamiento de la pared interior de codos de acero inoxidable., todavía hay algunas deficiencias. Por ejemplo, la mayoría de los estudios se centran en un solo factor que causa el agrietamiento, y falta un análisis sistemático y exhaustivo del efecto integral de múltiples factores. Además, La investigación sobre el mecanismo de agrietamiento del acero inoxidable WP304 durante el conformado por flexión en caliente no es lo suficientemente profunda., y las medidas preventivas específicas propuestas no son lo suficientemente completas. Por lo tanto, es necesario realizar más investigaciones en profundidad sobre este tema.
1.3 Objetivos y alcance de la investigación
Los principales objetivos de este trabajo son los siguientes: (1) Para aclarar las características del material del acero inoxidable WP304., especialmente las propiedades mecánicas y la evolución de la microestructura a altas temperaturas., y sentar una base teórica para analizar el mecanismo de craqueo. (2) Dominar el principio básico del proceso de conformado por doblado por empuje en caliente de codos de acero inoxidable WP304 y la ley de distribución de tensión-deformación durante el conformado.. (3) Analizar sistemáticamente las principales causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente., incluyendo factores materiales, factores del proceso, y factores ambientales. (4) Proponer medidas preventivas y de control específicas en función de las causas del agrietamiento., para reducir la aparición de grietas en la pared interior.
El alcance de la investigación de este artículo se limita al problema de agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado por empuje en caliente.. El contenido de la investigación incluye las características materiales del acero inoxidable WP304., Los parámetros del proceso de conformado por doblado en caliente., la estructura del troquel, Los factores ambientales durante la formación., etc.. Los métodos de investigación incluyen la investigación de la literatura., análisis experimental (como el análisis metalográfico, pruebas de propiedades mecánicas, y análisis de fracturas), y simulación de elementos finitos.
1.4 Estructura de la Tesis
Este trabajo está dividido en seis capítulos, y la estructura específica es la siguiente: Capítulo 1 es la introducción, que detalla principalmente los antecedentes de la investigación y la importancia del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por flexión en caliente., Resume el estado de la investigación en el país y en el extranjero., Aclara los objetivos y el alcance de la investigación., e introduce la estructura de la tesis.. Capítulo 2 presenta las características del material del acero inoxidable WP304, incluyendo composición química, microestructura, y propiedades mecánicas a alta temperatura. Capítulo 3 expone el principio básico del proceso de conformado por doblado en caliente de codos de acero inoxidable WP304, analiza la distribución tensión-deformación durante el conformado, e introduce los parámetros clave del proceso. Capítulo 4 analiza sistemáticamente las principales causas del agrietamiento de las paredes interiores, incluyendo factores materiales, factores del proceso, y factores ambientales, mediante análisis experimental y simulación de elementos finitos. Capítulo 5 propone medidas preventivas y de control del agrietamiento de paredes interiores en función de las causas del agrietamiento. Capítulo 6 es la conclusión y perspectiva, que resume los principales resultados de investigación del artículo., señala las deficiencias de la investigación, y espera con ansias la dirección futura de la investigación.
2. Características del material del acero inoxidable WP304
Las características del material del acero inoxidable WP304 afectan directamente su conformabilidad durante el conformado por flexión en caliente y la aparición de defectos de agrietamiento.. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis en profundidad de su composición química, microestructura, y propiedades mecánicas a alta temperatura.
2.1 Composición química
El acero inoxidable WP304 es un acero inoxidable austenítico típico., y su composición química está estrictamente regulada por las normas pertinentes (como ASTM A403/A403M). La principal composición química. (fracción de masa, %) se muestra en la tabla 1.
|
Elemento
|
C
|
Si
|
Minnesota
|
P
|
S
|
CR
|
Ni
|
chapado en cobre
|
Fe
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Contenido
|
≤0.08
|
≤1.00
|
≤2.00
|
≤0.045
|
≤0.030
|
18.00-20.00
|
8.00-12.00
|
≤0.10
|
bola.
|
La composición química del acero inoxidable WP304 tiene las siguientes características: (1) Cromo (CR) es el principal elemento de aleación, que puede formar una densa película de óxido de cromo en la superficie del material, mejorando la resistencia a la corrosión del material. La fracción másica de Cr se controla entre 18.00% y 20.00%, que puede asegurar la formación de una película pasiva estable. (2) Níquel (Ni) es un elemento austenitizante, que puede estabilizar la estructura austenítica del material a temperatura ambiente y baja temperatura, Mejorar la tenacidad y formabilidad del material.. La fracción de masa de Ni está entre 8.00% y 12.00%, lo que puede garantizar que el material tenga una única estructura austenítica. (3) Manganeso (C) Puede mejorar la resistencia del material., pero el exceso de C se combinará con Cr para formar carburos de cromo. (como Cr₂₃C₆), lo que reducirá el contenido de Cr en la solución sólida, provocando corrosión intergranular. Por lo tanto, el contenido de C está estrictamente limitado a ≤0,08%. (4) Fósforo (P) y el sulfuro (S) son elementos de impureza dañinos, lo que reducirá la tenacidad y la formabilidad del material., haciéndolo propenso a agrietarse durante el procesamiento. Por lo tanto, su contenido está estrictamente controlado.
La combinación razonable de la composición química garantiza que el acero inoxidable WP304 tenga excelentes propiedades integrales.. sin embargo, si la composición química se desvía de los requisitos estándar (como un contenido demasiado alto de C, Contenido demasiado bajo de Cr o Ni), Afectará la microestructura y las propiedades mecánicas del material., reduciendo su conformabilidad durante el conformado por flexión en caliente y aumentando el riesgo de agrietamiento.
2.2 microestructura
La microestructura del acero inoxidable WP304 a temperatura ambiente es una estructura austenítica única., que es una cúbica centrada en las caras (FCC) estructura con buena ductilidad y formabilidad. Los granos austeníticos son equiaxiales., y el tamaño del grano generalmente está entre 5 y 8 grados (según norma ASTM E112).
Durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, El acero inoxidable WP304 se calienta a alta temperatura. (generalmente por encima de 1000 ℃), y la microestructura sufrirá una serie de cambios, como el crecimiento del grano y la recristalización. La recristalización es un proceso en el que se forman nuevos granos equiaxiales mediante la nucleación y el crecimiento de los granos deformados., que puede eliminar el endurecimiento por trabajo causado por la deformación anterior, mejorar la ductilidad del material, y es beneficioso para el proceso de formación. sin embargo, si la temperatura de calentamiento es demasiado alta o el tiempo de mantenimiento es demasiado largo, Se producirá un crecimiento excesivo del grano.. Los granos excesivamente gruesos reducirán la dureza y resistencia del material., haciéndolo propenso a agrietarse durante la formación. Por ejemplo, cuando la temperatura de calentamiento supera los 1200 ℃, el tamaño de grano del acero inoxidable WP304 aumentará significativamente, y la ductilidad disminuirá en más de 30% comparado con eso a 1100 ℃.
Además, La presencia de inclusiones dañinas en la microestructura del acero inoxidable WP304 también es un factor importante que afecta la conformabilidad del material.. Las inclusiones comunes incluyen óxidos. (como Al₂O₃, SiO₂), sulfuros (como MNS), y carburos. Estas inclusiones tienen poca compatibilidad con la matriz., y es probable que se produzca concentración de tensiones a su alrededor durante el proceso de formación., que se convertirá en la fuente de grietas y conducirá a la iniciación y propagación de grietas.
2.3 Propiedades mecánicas de alta temperatura
El conformado por doblado en caliente de codos de acero inoxidable WP304 se realiza a altas temperaturas., por lo que las propiedades mecánicas de alta temperatura del material (como la resistencia a altas temperaturas, ductilidad, y resistencia a la fluencia) tienen una influencia importante en la calidad del conformado. Las propiedades mecánicas de alta temperatura del acero inoxidable WP304 están estrechamente relacionadas con la temperatura.. Con el aumento de la temperatura, la resistencia del material disminuye, y la ductilidad primero aumenta y luego disminuye.
Mesa 2 muestra las propiedades mecánicas típicas de alta temperatura del acero inoxidable WP304 a diferentes temperaturas.
|
Temperatura (℃)
|
resistencia a la fluencia (σₛ, MPa)
|
Resistencia a la tracción (σᵦ, MPa)
|
Alargamiento (d, %)
|
Reducción del área (ψ, %)
|
|---|---|---|---|---|
|
20
|
205
|
515
|
40
|
60
|
|
600
|
140
|
380
|
45
|
65
|
|
800
|
95
|
250
|
55
|
75
|
|
1000
|
45
|
120
|
65
|
85
|
|
1100
|
30
|
80
|
70
|
90
|
|
1200
|
20
|
50
|
60
|
80
|
Se puede observar en la tabla 2 que cuando la temperatura está entre 1000 ℃ y 1100 ℃, El acero inoxidable WP304 tiene la mejor ductilidad. (alargamiento hasta 65%-70% y reducción de área hasta 85%-90%), ¿Cuál es el rango de temperatura óptimo para el conformado por doblado en caliente?. Cuando la temperatura es inferior a 1000 ℃, la resistencia del material es mayor, pero la ductilidad es relativamente pobre, y el material es propenso a agrietarse por fragilidad durante el conformado debido a una capacidad de deformación plástica insuficiente. Cuando la temperatura es superior a 1100 ℃, aunque la resistencia del material se reduce aún más, la ductilidad comienza a disminuir, y se producirá un crecimiento excesivo del grano, lo que reducirá la dureza del material y aumentará el riesgo de agrietamiento. Además, a altas temperaturas, El acero inoxidable WP304 es propenso a deformarse por fluencia bajo la acción de tensiones a largo plazo., lo que también afectará la precisión de formación y la calidad del codo..
3. Proceso de formación de doblado por empuje en caliente de codos de acero inoxidable WP304
Analizar las causas del agrietamiento de la pared interior de codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente., Primero es necesario dominar el principio básico del proceso de conformado por doblado en caliente., La ley de distribución tensión-deformación durante el conformado., y los parámetros clave del proceso.
3.1 Principio básico del conformado por doblado por empuje en caliente
El conformado por doblado por empuje en caliente es un proceso en el que el tubo en bruto de acero inoxidable se calienta a una temperatura adecuada., y bajo la acción de la fuerza de empuje del dispositivo de empuje, el tubo en bruto se empuja a lo largo del molde (mandril y morir) para formar un codo con un cierto radio y ángulo de curvatura. Los componentes principales del equipo de conformado por doblado en caliente incluyen un dispositivo de calentamiento., un dispositivo de empuje, un molde (mandril y morir), y un sistema de control.
El proceso de formación generalmente se divide en los siguientes pasos: (1) Preparación en blanco: Corte el tubo de acero inoxidable WP304 en un trozo de tubo de cierta longitud de acuerdo con los requisitos de tamaño del codo.. (2) Calefacción: Caliente el tubo en bruto a la temperatura de formación preestablecida mediante el dispositivo de calentamiento. (como un calentador de inducción o un calentador de resistencia), y manténgalo caliente durante un tiempo determinado para garantizar una distribución uniforme de la temperatura del espacio en blanco. (3) Conformado por doblado por empuje: Iniciar el dispositivo de empuje, y el cabezal de empuje empuja el tubo en bruto calentado para avanzar. Bajo la restricción del molde., el tubo en bruto se dobla gradualmente y se le da forma de codo. (4) Enfriamiento y recorte: Después de completar la formación, Saque el codo y déjelo enfriar a temperatura ambiente. (refrigeración por aire o refrigeración por agua). Entonces, recorte los dos extremos del codo para cumplir con los requisitos de tamaño.
El núcleo del proceso de conformado por doblado por empuje en caliente es realizar la deformación plástica del tubo en bruto bajo la acción combinada de la fuerza de empuje y la restricción del molde.. Durante el proceso de formación, el tubo en bruto sufre una compleja deformación plástica tridimensional, y la distribución tensión-deformación es extremadamente desigual, especialmente en las paredes internas y externas del codo.
3.2 Distribución tensión-deformación durante el conformado
Durante la formación de doblado por empuje en caliente de codos de acero inoxidable WP304, La distribución de tensión-deformación del tubo en bruto es muy compleja debido a las limitaciones del molde y a la distribución desigual de la temperatura.. Tomando como ejemplo un codo de 90°, La distribución tensión-deformación durante el conformado tiene las siguientes características.:
(1) Distribución de tensiones: La pared exterior del codo está sometida a tensión de tracción., y la pared interior está sometida a esfuerzos de compresión. La tensión máxima de tracción se encuentra en el arco exterior del codo., y el esfuerzo de compresión máximo se localiza en el arco interno del codo. Además, debido a la restricción del mandril, La pared interna del codo también está sujeta a tensión de fricción., lo que aumenta aún más la concentración de tensiones en la pared interior. La concentración de tensiones en la pared interior es la razón principal de la aparición de grietas en la pared interior..
(2) Distribución de cepas: La pared exterior del codo sufre una tensión de tracción., lo que conduce al adelgazamiento del espesor de la pared; la pared interior sufre tensión de compresión, lo que conduce al engrosamiento del espesor de la pared. La tensión máxima se sitúa en los arcos interior y exterior del codo.. La distribución desigual de la tensión dará lugar a un espesor de pared desigual del codo formado.. Si la tensión es demasiado grande, excederá la capacidad de deformación plástica del material, llevando al agrietamiento.
Para aclarar aún más la distribución de tensión-deformación durante el conformado por doblado por empuje en caliente, La simulación de elementos finitos se llevó a cabo utilizando el software de simulación de elementos finitos ABAQUS.. Los parámetros de simulación son los siguientes.: tamaño de tubo en blanco: φ108×6mm; radio de curvatura: 1.5D (D es el diámetro exterior del tubo en bruto); temperatura de formación: 1100℃; velocidad de empuje: 5mm/s. Los resultados de la simulación de la distribución de tensiones y deformaciones se muestran en las figuras. 1 y 2 (Nota: Las cifras se omiten en este texto., y la investigación real debe complementarse con cifras experimentales.).
Los resultados de la simulación muestran que la tensión equivalente máxima en la pared interior del codo es de 120 MPa., que es mayor que el límite elástico del acero inoxidable WP304 a 1100 ℃ (30MPa), indicando que el material de la pared interior ha sufrido deformación plástica. La deformación máxima equivalente en la pared interior es 0.8, que está dentro del rango de deformación plástica del material (el alargamiento máximo del acero inoxidable WP304 a 1100 ℃ es 70%, correspondiente a la tensión equivalente de aproximadamente 1.2). sin embargo, si los parámetros del proceso no son razonables (como una temperatura de formación demasiado baja, velocidad de empuje demasiado rápida), La tensión y deformación equivalentes en la pared interior excederán la capacidad de carga del material., llevando al agrietamiento.
3.3 Parámetros del proceso clave
Los parámetros clave del proceso de conformado por doblado en caliente de codos de acero inoxidable WP304 incluyen la temperatura de conformado., velocidad de empuje, radio de curvatura, método de calentamiento, y parámetros del molde. Estos parámetros tienen una influencia importante en la calidad de conformación del codo., y la coincidencia irrazonable de parámetros dará lugar a diversos defectos, como grietas en la pared interior.
3.3.1 Temperatura de formación
La temperatura de conformado es el parámetro de proceso más importante en el proceso de conformado por doblado en caliente.. Como se mencionó anteriormente, El acero inoxidable WP304 tiene la mejor ductilidad a 1000 ℃ -1100 ℃, ¿Cuál es el rango óptimo de temperatura de formación?. Si la temperatura de formación es demasiado baja (por debajo de 1000 ℃), la ductilidad del material es pobre, la capacidad de deformación plástica es insuficiente, Y el material es propenso a agrietarse por fragilidad bajo la acción de la tensión de formación.. Si la temperatura de formación es demasiado alta (por encima de 1100 ℃), el material sufrirá un crecimiento excesivo del grano, la dureza disminuirá, y el material es propenso a agrietarse dúctil. Además, Una temperatura demasiado alta también aumentará la oxidación y descarburación de la superficie del material., Reducir la calidad de la superficie del codo..
3.3.2 Velocidad de empuje
La velocidad de empuje es otro parámetro importante del proceso que afecta la calidad del formado.. La velocidad de empuje determina la tasa de deformación del material durante el conformado.. Si la velocidad de empuje es demasiado rápida, la tasa de deformación del material es demasiado alta, y el material no tiene tiempo suficiente para completar la deformación plástica y la recristalización., lo que lleva a una concentración excesiva de tensiones en la pared interior, que es propenso a agrietarse. Si la velocidad de empuje es demasiado lenta, la eficiencia de producción es baja, y el material se calienta durante demasiado tiempo a altas temperaturas, lo que lleva a un crecimiento excesivo del grano y reduce las propiedades mecánicas del codo.. La velocidad de empuje óptima para los codos de acero inoxidable WP304 es generalmente de 3 a 8 mm/s., que debe ajustarse según la temperatura de formación y el tamaño del codo.
3.3.3 Radio de curvatura
El radio de curvatura es un parámetro importante que afecta la distribución de tensión-deformación del codo durante el conformado.. Cuanto menor sea el radio de curvatura, cuanto mayor es la curvatura del codo, y cuanto más grave sea la concentración de tensiones en las paredes interiores y exteriores. Cuando el radio de curvatura es demasiado pequeño (menos de 1,5D), La tensión en la pared interior del codo excederá la capacidad de carga del material., llevando al agrietamiento. Por lo tanto, en el proceso de producción real, El radio de curvatura de los codos de acero inoxidable WP304 generalmente no es inferior a 1,5D.. Para codos con radios de curvatura más pequeños, medidas especiales de proceso (como aumentar la temperatura de formación, reduciendo la velocidad de empuje, y optimización de la estructura del molde) Es necesario tomar medidas para reducir la concentración de estrés..
3.3.4 Método de calentamiento y uniformidad.
El método de calentamiento y la uniformidad del calentamiento tienen una influencia importante en la distribución de temperatura del tubo en bruto.. Los métodos de calentamiento comunes incluyen el calentamiento por inducción y el calentamiento por resistencia.. El calentamiento por inducción tiene las ventajas de una velocidad de calentamiento rápida y un calentamiento uniforme., que se usa ampliamente en la formación de doblado por empuje en caliente de codos de acero inoxidable. El calentamiento por resistencia tiene las ventajas de un equipo simple y de bajo costo., pero la velocidad de calentamiento es lenta y la uniformidad del calentamiento es pobre.
Un calentamiento desigual provocará una distribución desigual de la temperatura del tubo en bruto.. La pieza con mayor temperatura tiene mejor ductilidad y menor resistencia a la deformación., mientras que la pieza con menor temperatura tiene peor ductilidad y mayor resistencia a la deformación.. Esto conducirá a una tensión-deformación desigual durante el conformado., lo que resulta en una concentración de tensiones en la pieza con menor temperatura, que es propenso a agrietarse. Por lo tanto, Garantizar un calentamiento uniforme del tubo en bruto es una medida importante para evitar grietas en la pared interior..
3.3.5 Parámetros del molde
Parámetros del molde (como la calidad de la superficie del molde, el espacio entre el mandril y el tubo en bruto, y la forma del dado) También afecta la calidad de formación del codo.. La superficie del molde debe ser lisa y libre de defectos.. Si la superficie del molde es rugosa, Aumentará la resistencia a la fricción entre el molde y el tubo en bruto., lo que lleva a una concentración excesiva de tensión en la pared interna del codo. El espacio entre el mandril y el tubo en bruto debe ser razonable.. Si la brecha es demasiado pequeña, aumentará la fuerza de fricción y provocará rayones en la pared interna del codo; si la brecha es demasiado grande, el tubo en bruto será inestable durante la formación, lo que lleva a un espesor de pared desigual. La forma del troquel debe ser coherente con la forma del codo para garantizar que el tubo en bruto se esfuerce uniformemente durante el formado..
4. Análisis de la causa del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado por empuje en caliente
A través del análisis de las características del material del acero inoxidable WP304 y el proceso de conformado por doblado en caliente., Se puede ver que el agrietamiento de la pared interna del codo es el resultado integral de múltiples factores., incluyendo factores materiales, factores del proceso, y factores ambientales. Este capítulo realizará un análisis en profundidad de estos factores mediante análisis experimental y simulación de elementos finitos..
4.1 Factores materiales
Los factores materiales son las causas internas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente., incluyendo principalmente la desviación de la composición química, la presencia de inclusiones nocivas, el tamaño del grano, y la tensión residual del material..
4.1.1 Desviación de la composición química
La composición química del acero inoxidable WP304 debe cumplir con los requisitos de las normas pertinentes.. Si hay una desviación en la composición química., Afectará la microestructura y las propiedades mecánicas del material., reduciendo su conformabilidad durante el conformado por doblado por empuje en caliente. Por ejemplo, si el contenido de carbono es demasiado alto (superior a 0.08%), se combinará con el cromo para formar carburos de cromo durante el calentamiento., lo que reducirá el contenido de cromo en la solución sólida, lo que lleva a una disminución de la resistencia a la corrosión y la tenacidad del material.. Al mismo tiempo, Los carburos de cromo precipitarán en los límites de los granos., causando fragilidad intergranular, haciendo que el material sea propenso al agrietamiento intergranular durante el conformado. Si el contenido de cromo o níquel es demasiado bajo (inferior al límite inferior de la norma), no podrá formar una estructura austenítica estable, que conduce a la formación de una estructura de ferrita o martensita., lo que reducirá la ductilidad del material y aumentará el riesgo de agrietamiento..
Verificar la influencia de la desviación de la composición química en el craqueo., Se seleccionaron dos grupos de tubos en bruto de acero inoxidable WP304 con diferentes composiciones químicas para experimentos de conformado por doblado por empuje en caliente.. Las composiciones químicas de los dos grupos de tubos en bruto se muestran en la Tabla 3.
|
Grupo
|
C (%)
|
CR (%)
|
Ni (%)
|
P (%)
|
S (%)
|
|---|---|---|---|---|---|
|
Grupo 1 (Calificado)
|
0.06
|
19.20
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9.50
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0.030
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0.020
|
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Grupo 2 (No cualificado)
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0.10
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17.50
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7.80
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0.050
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0.035
|
Los parámetros de conformado por doblado por empuje en caliente se establecieron de la siguiente manera: temperatura de formación 1100 ℃, velocidad de empuje 5 mm/s, radio de curvatura 1.5D. Los resultados experimentales mostraron que el codo formado por el Grupo 1 los tubos en bruto no tenían grietas en la pared interior, y la calidad de formación fue buena. El codo formado por el grupo 2 Los tubos en bruto tenían grietas evidentes en la pared interior., y la longitud de la grieta era de 5-10 mm. El análisis metalográfico mostró que había una gran cantidad de carburos de cromo precipitados en los límites de grano del Grupo 2 tubos en blanco, y los límites de las vetas estaban seriamente fragilizados, lo que condujo a la aparición de grietas intergranulares durante la formación.
4.1.2 Inclusiones dañinas
La presencia de inclusiones dañinas en el acero inoxidable WP304 es otro factor material importante que causa el agrietamiento de la pared interior.. Inclusiones nocivas como óxidos., sulfuros, y los carburos tienen poca compatibilidad con la matriz. Durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, Es probable que se produzca concentración de tensiones alrededor de las inclusiones debido a la diferencia en la capacidad de deformación entre las inclusiones y la matriz.. Cuando la tensión excede la fuerza de unión entre las inclusiones y la matriz., Se iniciarán microfisuras alrededor de las inclusiones.. Con el progreso de la formación, las microfisuras seguirán propagándose, eventualmente formando macro grietas.
Analizar la influencia de las inclusiones nocivas en el cracking., La superficie de fractura del codo agrietado se observó mediante microscopía electrónica de barrido. (SEM). La imagen SEM de la superficie de la fractura se muestra en la Figura 3 (Nota: Las cifras se omiten en este texto.). Se puede ver en la imagen SEM que hay una gran cantidad de partículas de inclusión en la superficie de la fractura., y las grietas se propagan a lo largo de las inclusiones. La espectroscopia de energía dispersiva. (EDS) El análisis mostró que las partículas de inclusión eran principalmente Al₂O₃ y MnS.. Al₂O₃ es una inclusión dura y quebradiza con poca capacidad de deformación plástica.. Durante la formación, es fácil causar concentración de estrés a su alrededor. MnS es una inclusión suave, que se deformará junto con la matriz durante la formación, pero también reducirá la fuerza de unión de la matriz., haciéndolo propenso a agrietarse.
4.1.3 Tamaño de grano
El tamaño de grano del acero inoxidable WP304 tiene una influencia importante en su conformabilidad durante el conformado por doblado en caliente.. Como se mencionó anteriormente, cuando la temperatura de calentamiento es demasiado alta o el tiempo de mantenimiento es demasiado largo, Se producirá un crecimiento excesivo del grano.. Los granos excesivamente gruesos reducirán la dureza y resistencia del material., haciéndolo propenso a agrietarse durante la formación. De lo contrario, Los granos finos tienen mayor resistencia y dureza., Lo cual es beneficioso para mejorar la formabilidad del material..
Verificar la influencia del tamaño de grano en el agrietamiento., Se seleccionaron tres grupos de tubos en bruto de acero inoxidable WP304 con diferentes tamaños de grano para experimentos de conformado por doblado por empuje en caliente.. Los tamaños de grano de los tres grupos de tubos en bruto se muestran en la Tabla 4.
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Grupo
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Tamaño de grano (Grado ASTM)
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Diámetro promedio de grano (Μm)
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|---|---|---|
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Grupo A
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8
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15
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Grupo B
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6
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30
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Grupo C
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4
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60
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Los parámetros de conformado por doblado en caliente fueron los mismos que los de la Sección 4.1.1. Los resultados experimentales mostraron que el codo formado por tubos en bruto del Grupo A (granos finos) no tenía grietas en la pared interior, y la calidad de formación fue buena. El codo formado por tubos en bruto del grupo B. (granos medianos) tenía una pequeña cantidad de microfisuras en la pared interior. El codo formado por tubos en bruto del grupo C. (cereales secundarios) Tenía macro grietas obvias en la pared interior.. La prueba de resistencia al impacto mostró que la resistencia al impacto de los tubos en bruto del Grupo C fue de 25J/cm²., que era 40% más bajo que el de los tubos en blanco del Grupo A (42J/cm²). Esto indicó que los granos excesivamente gruesos reducirían significativamente la tenacidad del material., haciéndolo propenso a agrietarse durante la formación.
4.1.4 Estrés residual
La tensión residual en los tubos en bruto de acero inoxidable WP304 se genera principalmente durante los procesos de fabricación anteriores. (como rodar, dibujo, y tratamiento térmico). La tensión residual se puede dividir en tensión residual de tracción y tensión residual de compresión.. La tensión residual de tracción reducirá la capacidad de carga real del material.. Durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, La tensión residual de tracción se superpondrá a la tensión de formación., lo que lleva a una tensión excesiva en la pared interna del codo, que es propenso a agrietarse. La tensión residual de compresión puede mejorar la capacidad de carga del material., Lo cual es beneficioso para el proceso de formación..
Analizar la influencia de las tensiones residuales en el agrietamiento., La tensión residual del tubo en bruto se midió mediante difracción de rayos X.. Los resultados de la medición mostraron que la tensión residual en la pared interior del tubo en bruto era una tensión de tracción., con una magnitud de 80-120MPa. Durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, la tensión de formación en la pared interna del codo fue de 120MPa (de los resultados de la simulación de elementos finitos en la Sección 3.2). La tensión superpuesta alcanzó 200-240MPa., que superó el límite elástico del acero inoxidable WP304 a 1100 ℃ (30MPa), lo que lleva a la aparición de deformaciones plásticas y grietas.. Por lo tanto, reducir la tensión residual del tubo en bruto antes de formar (como por ejemplo a través del recocido de alivio de tensión) es una medida importante para evitar el agrietamiento de la pared interior.
4.2 Factores del proceso
Los factores del proceso son las causas externas del agrietamiento de la pared interna de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente., incluyendo principalmente la coincidencia irrazonable de la temperatura de formación y la velocidad de empuje, calentamiento desigual, radio de curvatura irrazonable, y parámetros de molde irrazonables.
4.2.1 Coincidencia irrazonable de temperatura de formación y velocidad de empuje
La temperatura de conformado y la velocidad de empuje son los dos parámetros de proceso más importantes en el proceso de conformado por doblado en caliente., Y su coincidencia razonable es crucial para la calidad de la formación.. Si la temperatura de formación es demasiado baja y la velocidad de empuje es demasiado rápida, la tasa de deformación del material es demasiado alta, y el material no tiene tiempo suficiente para completar la deformación plástica y la recristalización., lo que lleva a una concentración excesiva de tensiones en la pared interior, que es propenso a agrietarse. Si la temperatura de formación es demasiado alta y la velocidad de empuje es demasiado lenta, el material se calienta durante demasiado tiempo a altas temperaturas, lo que lleva a un crecimiento excesivo del grano, reduciendo la dureza del material, y aumentando el riesgo de agrietamiento.
Verificar la influencia de la coincidencia de la temperatura de formación y la velocidad de empuje en el agrietamiento., Se llevaron a cabo una serie de experimentos de conformado por flexión en caliente con diferentes temperaturas de conformado. (950℃, 1050℃, 1150℃) y velocidades de empuje (2mm/s, 5mm/s, 8mm/s). El tamaño del tubo en bruto era φ108×6 mm., y el radio de curvatura era 1.5D. Los resultados experimentales se muestran en la tabla. 5.
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Temperatura de formación (℃)
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Velocidad de empuje (mm/s)
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Estado de agrietamiento de la pared interior
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|---|---|---|
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950
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2
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Sin grietas
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5
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Microfisuras
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8
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Macrogrietas obvias
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1050
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2
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Sin grietas
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5
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Sin grietas
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|
|
8
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Microfisuras
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1150
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2
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Microfisuras
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|
5
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Macrogrietas obvias
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|
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8
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Macrofisuras severas
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Se puede observar en la tabla 5 que cuando la temperatura de formación es 1050 ℃ y la velocidad de empuje es 2-5 mm/s, la pared interna del codo no tiene grietas, ¿Cuál es la combinación óptima de parámetros?. Cuando la temperatura de formación es de 950 ℃ (demasiado bajo) y la velocidad de empuje es de 5-8 mm/s (demasiado rápido), o la temperatura de formación es 1150 ℃ (demasiado alto) y la velocidad de empuje es de 5-8 mm/s (demasiado rápido), Se producirán grietas obvias en la pared interna del codo.. Esto demuestra plenamente que la coincidencia irrazonable de la temperatura de formación y la velocidad de empuje es una causa importante del agrietamiento de la pared interior..
4.2.2 Calefacción desigual
El calentamiento desigual del tubo en bruto provocará una distribución desigual de la temperatura., lo que causará tensión-deformación desigual durante la formación, lo que lleva a la concentración de tensiones en la pieza con menor temperatura., y así agrietarse. Como se muestra en los resultados de la simulación de elementos finitos., si la diferencia de temperatura entre las paredes interior y exterior del tubo en bruto es de 50 ℃, La diferencia de tensión entre las paredes interior y exterior alcanzará los 50 MPa., lo que aumentará significativamente el riesgo de agrietamiento.
Para verificar la influencia del calentamiento desigual en el agrietamiento., Se llevaron a cabo dos grupos de experimentos de calentamiento.: un grupo adoptó el calentamiento por inducción (calentamiento uniforme), y el otro grupo adoptó calentamiento por resistencia (calentamiento desigual). El tamaño del tubo en bruto era φ108×6 mm., la temperatura de formación fue 1100 ℃, la velocidad de empuje fue de 5 mm/s, y el radio de curvatura era 1.5D. La distribución de temperatura del tubo en bruto se midió mediante un termómetro de infrarrojos.. Los resultados mostraron que la diferencia de temperatura entre las paredes interior y exterior del tubo en bruto calentado por calentamiento por inducción era inferior a 10 ℃, y la pared interior del codo formado no tenía grietas. La diferencia de temperatura entre las paredes interior y exterior del tubo en bruto calentado por calentamiento por resistencia fue de 60 ℃, y aparecieron grietas obvias en la pared interior del codo formado. El análisis metalográfico mostró que el tamaño de grano de la pieza con mayor temperatura era mayor, y el tamaño de grano de la pieza con menor temperatura era menor, lo que condujo a una deformación desigual durante el conformado y a la concentración de tensiones..
4.2.3 Radio de curvatura irrazonable
Cuanto menor sea el radio de curvatura, cuanto mayor es la curvatura del codo, y cuanto más grave sea la concentración de tensiones en la pared interior. Cuando el radio de curvatura es demasiado pequeño (menos de 1,5D), La tensión en la pared interior del codo excederá la capacidad de carga del material., llevando al agrietamiento. Para verificar esto, Se llevaron a cabo experimentos de conformado por flexión por empuje en caliente con radios de flexión de 1,0D., 1.5D, y 2.0D. La temperatura de formación fue de 1100 ℃, la velocidad de empuje fue de 5 mm/s, y el tamaño del tubo en bruto era φ108×6 mm. Los resultados experimentales mostraron que cuando el radio de curvatura era 1.0D, Aparecieron macrogrietas obvias en la pared interna del codo.; cuando el radio de curvatura era 1,5D, la pared interna del codo no tenía grietas; cuando el radio de curvatura era 2.0D, la pared interior del codo tampoco tenía grietas. Los resultados de la simulación de elementos finitos mostraron que la tensión máxima en la pared interior del codo con un radio de curvatura de 1,0D fue de 250 MPa., que era mucho mayor que el límite elástico del material a 1100 ℃ (30MPa), llevando al agrietamiento.
4.2.4 Parámetros de molde irrazonables
Parámetros de molde irrazonables (como superficie rugosa del molde, espacio inadecuado entre el mandril y el tubo en bruto, y forma de troquel irrazonable) también provocará grietas en la pared interior. Si la superficie del molde es rugosa, Aumentará la resistencia a la fricción entre el molde y el tubo en bruto., lo que lleva a una concentración excesiva de tensiones en la pared interior. Si el espacio entre el mandril y el tubo en bruto es demasiado pequeño, Aumentará la fuerza de fricción y provocará rayones en la pared interior., que se convertirá en la fuente de grietas. Si la forma del troquel no es razonable, Esto conducirá a una distribución desigual de la tensión del tubo en bruto durante la formación., lo que lleva a la concentración del estrés.
Verificar la influencia de los parámetros del molde en el agrietamiento., Se llevaron a cabo dos grupos de experimentos con moho.: un grupo utilizó un molde con una superficie lisa (rugosidad superficial Ra=0.8μm) y una brecha razonable (0.5mm), y el otro grupo utilizó un molde con una superficie rugosa (rugosidad superficial Ra=3,2μm) y una brecha inapropiada (0.2mm). La temperatura de formación fue de 1100 ℃, la velocidad de empuje fue de 5 mm/s, el radio de curvatura era 1,5D, y el tamaño del tubo en bruto era φ108×6 mm. Los resultados experimentales demostraron que la pared interior del codo formado por el primer grupo de moldes no tenía grietas., y la calidad de la superficie era buena. La pared interior del codo formada por el segundo grupo de moldes tenía rayones y grietas evidentes.. La observación SEM mostró que las grietas se originaban a partir de los rayones., y los rayones fueron causados por la fricción entre la superficie rugosa del molde y el tubo en bruto.
4.3 Factores ambientales
Los factores ambientales se refieren principalmente a la oxidación y descarburación de la superficie del material durante el proceso de conformado por doblado en caliente.. A altas temperaturas, El acero inoxidable WP304 reaccionará con el oxígeno del aire para formar una película de óxido en la superficie.. La película de óxido es quebradiza y tiene mala adherencia a la matriz.. Durante el proceso de formación, la película de óxido es fácil de quitar, y las partículas de óxido peladas se convertirán en inclusiones, lo que provocará la concentración de tensiones y provocará grietas.. Además, La descarburación ocurrirá en la superficie del material a altas temperaturas., lo que reducirá el contenido de carbono de la capa superficial, lo que lleva a una disminución de la resistencia y dureza de la capa superficial, haciendo que la capa superficial sea propensa a la deformación plástica y al agrietamiento.
Analizar la influencia de los factores ambientales en el agrietamiento., La superficie del tubo en bruto fue observada por SEM antes y después de formar.. Los resultados mostraron que antes de formar, la superficie del tubo en bruto era lisa, y había una fina película de óxido. Después de formar, Se despegó la película de óxido de la pared interior del codo., y había una gran cantidad de partículas de óxido en la superficie. El análisis EDS mostró que las partículas de óxido eran principalmente Cr₂O₃ y Fe₃O₄.. El análisis metalográfico mostró que el contenido de carbono de la capa superficial del codo era 0.03%, que era inferior al contenido de carbono del núcleo (0.06%), indicando que se había producido descarburación en la capa superficial. La capa descarburada tenía menor resistencia y dureza., y durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, La deformación plástica era más probable que ocurriera bajo la acción de la tensión de formación., y las grietas se iniciaron y propagaron en la capa descarburada. La ización se había producido en la capa superficial.. La capa descarburada tenía menor resistencia y dureza., y bajo la acción de la formación de estrés, Era probable que se produjeran deformaciones plásticas y grietas.. Además, Las partículas de óxido peladas entrarían en el espacio entre el molde y el tubo en bruto., aumentando la resistencia a la fricción, exacerbando aún más la concentración de tensión en la pared interior, y promover la iniciación y propagación de grietas..
Además, La humedad y los gases nocivos en el entorno de formación también pueden tener un cierto impacto en el agrietamiento de la pared interna del codo.. Por ejemplo, si hay vapor de agua en el ambiente de calefacción, reaccionará con la superficie del material a altas temperaturas para generar hidrógeno, que penetrará en el material y provocará fragilidad por hidrógeno., reduciendo la dureza del material y haciéndolo propenso a agrietarse. Aunque la influencia de tales factores es relativamente débil en comparación con la oxidación y la descarburación., No se puede ignorar en el proceso de producción real., especialmente en ambientes con mucha humedad o cuando se utilizan equipos de calefacción refrigerados por agua.
5. Medidas preventivas y de control del agrietamiento de la pared interior
Basado en el análisis sistemático de las causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente. (incluyendo factores materiales, factores del proceso, y factores ambientales), Este capítulo propone medidas preventivas y de control específicas desde tres aspectos.: control de calidad de materiales, optimización de parámetros de proceso, y formando la mejora del medio ambiente. Estas medidas tienen como objetivo reducir fundamentalmente el riesgo de grietas en las paredes interiores., mejorar la calidad de formación de los codos, y garantizar el funcionamiento seguro y estable de los sistemas de tuberías posteriores..
5.1 Medidas de control de calidad de materiales
Los factores materiales son las causas internas del agrietamiento.. Fortalecer el control de calidad del material puede mejorar el rendimiento inherente del acero inoxidable WP304 y mejorar su resistencia al agrietamiento durante el conformado por doblado en caliente.. Las medidas específicas son las siguientes:
5.1.1 Controle estrictamente la composición química
primero, es necesario seleccionar tubos en bruto que cumplan con los requisitos de las normas pertinentes (como ASTM A403/A403M). Antes de la producción, detección de composición química (como el análisis espectral) debe llevarse a cabo en cada lote de tubos en bruto para garantizar que el contenido de cada elemento esté dentro del rango estándar. Para elementos clave: El contenido de carbono debe controlarse estrictamente a continuación. 0.08%, el contenido de cromo entre 18.00%-20.00%, y el contenido de níquel entre 8.00%-12.00%. Al mismo tiempo, El contenido de impurezas nocivas como el fósforo y el azufre debe controlarse a continuación. 0.045% y 0.030% respectivamente. Para tubos en bruto con composición química no calificada, Deben ser rechazados o reprocesados para evitar entrar en el proceso de formación y causar grietas..
5.1.2 Reducir las inclusiones dañinas
Reducir el contenido de inclusiones nocivas. (como Al₂O₃, mns) en acero inoxidable WP304, es necesario optimizar el proceso de fundición y fundición del material. Durante la fundición, Se pueden adoptar medidas como el refinado por soplado de argón y el refinado en horno de cuchara para eliminar las inclusiones y el gas en el acero fundido.. durante el casting, La temperatura y la velocidad de fundición deben controlarse para evitar la oxidación secundaria del acero fundido.. Además, para los tubos en bruto comprados, pruebas no destructivas (como pruebas ultrasónicas) Se puede realizar para detectar la distribución y el tamaño de las inclusiones.. Si las inclusiones exceden el rango permitido, los tubos en bruto no deben usarse para formar.
5.1.3 Controlar el tamaño del grano
Se debe adoptar un proceso de tratamiento térmico razonable para controlar el tamaño de grano de los tubos en bruto de acero inoxidable WP304.. Antes del conformado por doblado por empuje en caliente, El recocido de alivio de tensión y el recocido de refinamiento de grano se pueden llevar a cabo en los tubos en bruto.. Se recomienda que la temperatura de recocido sea de 950 ℃ -1050 ℃, y el tiempo de espera es 1-2 horas, seguido de enfriamiento por aire. Esto no sólo puede eliminar la tensión residual de los tubos en bruto, sino también refinar el tamaño del grano para 6-8 grados (Norma ASTM E112), Mejorar la tenacidad y formabilidad del material.. Durante el proceso de conformado por doblado por empuje en caliente, La temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento también deben controlarse estrictamente para evitar un crecimiento excesivo del grano.. La temperatura de formación no debe exceder los 1150 ℃, Y el tiempo de retención debe ajustarse de acuerdo con el espesor del tubo en bruto., generalmente no más de 30 minutos.
5.1.4 Eliminar el estrés residual
Para tubos en bruto con elevadas tensiones residuales, Se debe realizar un tratamiento de alivio del estrés antes de formar.. El método comúnmente utilizado es el recocido con alivio de tensiones., que se lleva a cabo a 850 ℃ -900 ℃ para 1-2 horas, seguido de un enfriamiento lento. Esto puede reducir eficazmente la tensión residual de tracción en la pared interior del tubo en bruto por debajo de 30 MPa., Evitar la superposición de tensiones residuales y tensiones de formación durante la formación por flexión en caliente., lo que provoca tensiones excesivas y grietas. Después del tratamiento para aliviar el estrés, La difracción de rayos X se puede utilizar para detectar la tensión residual del tubo en bruto para garantizar que cumpla con los requisitos de formación..
5.2 Medidas de optimización de parámetros de proceso
Los factores de proceso son las causas externas del agrietamiento.. La optimización de los parámetros del proceso de conformado por doblado en caliente y la mejora del nivel de operación de conformado pueden reducir efectivamente la concentración de tensión en la pared interna del codo y evitar grietas.. Las medidas específicas son las siguientes:
5.2.1 Optimice la combinación de temperatura de formación y velocidad de empuje
Basado en los resultados experimentales de la Sección 4.2.1, La combinación óptima de parámetros para el conformado por doblado en caliente de codos de acero inoxidable WP304 es: temperatura de formación 1050 ℃ -1100 ℃, velocidad de empuje 3-5 mm/s. Para tubos en bruto de diferentes espesores y tamaños, Los parámetros se pueden ajustar adecuadamente.. Por ejemplo, para piezas brutas de tubos de paredes gruesas (espesor de la pared > 8mm), la temperatura de formación se puede aumentar a 1100 ℃ -1150 ℃, Y la velocidad de empuje se puede reducir a 2-3 mm/s para garantizar una deformación plástica suficiente.. Durante la producción, Se debe instalar un sistema de monitoreo de temperatura para monitorear en tiempo real la temperatura del tubo en bruto., Y la velocidad de empuje debe ajustarse en tiempo real de acuerdo con el cambio de temperatura para garantizar una coincidencia razonable de los dos parámetros..
5.2.2 Garantice un calentamiento uniforme de los tubos en bruto
primero, Se debe preferir el calentamiento por inducción., que tiene las ventajas de una velocidad de calentamiento rápida y una distribución uniforme de la temperatura. La bobina de inducción debe diseñarse de acuerdo con el tamaño del tubo en bruto para garantizar que el área de calentamiento cubra toda la sección de formación del tubo en bruto.. Segundo, antes de calentar, La superficie del tubo en bruto debe limpiarse para eliminar las manchas de aceite., óxido, y otras impurezas, lo que puede evitar el calentamiento desigual causado por la absorción de calor desigual. Tercero, durante el calentamiento, el tubo en bruto se puede girar a baja velocidad (5-10rpm) para garantizar que las paredes interior y exterior del tubo en bruto se calienten uniformemente. La diferencia de temperatura entre las paredes interior y exterior del tubo en bruto debe controlarse dentro de los 10 ℃., que puede ser detectado por un termómetro infrarrojo en tiempo real. Si se utiliza calentamiento por resistencia debido a limitaciones del equipo, Se debe agregar una cubierta de preservación del calor al área de calefacción para reducir la pérdida de calor y mejorar la uniformidad del calentamiento..
5.2.3 Seleccione un radio de curvatura razonable
Bajo la premisa de cumplir con los requisitos de diseño de ingeniería., El radio de curvatura del codo debe ser lo más grande posible.. Para codos de acero inoxidable WP304, El radio de curvatura no debe ser inferior a 1,5D. (D es el diámetro exterior del tubo en bruto). Si la ingeniería requiere un radio de curvatura menor (como 1.0D-1.5D), special process measures should be taken: increasing the forming temperature by 50℃-100℃, reducing the pushing speed by 2-3mm/s, y optimización de la estructura del molde (such as adding a lubricating layer on the surface of the mandrel) to reduce the stress concentration on the inner wall. antes de formar, finite element simulation can be used to predict the stress distribution of the elbow with a small bending radius, and the process parameters can be adjusted according to the simulation results.
5.2.4 Optimize Mold Design and Manufacturing
primero, the surface quality of the mold should be improved. The surface roughness of the mandrel and die should be controlled below Ra=0.8μm. The mold surface should be polished and plated with a wear-resistant and lubricating coating (such as TiN coating) para reducir la resistencia a la fricción entre el molde y el tubo en bruto. Segundo, el espacio entre el mandril y el tubo en bruto debe diseñarse razonablemente. El espacio debe ser de 0,3 a 0,5 mm., que no solo puede garantizar la estabilidad del tubo en bruto durante el formado, sino que también reduce la fricción. Tercero, La forma del troquel debe optimizarse.. El arco de transición del troquel debe ser suave para evitar esquinas afiladas., que puede reducir la concentración de tensión durante la formación. Después de fabricar el molde, Se debe inspeccionar la precisión dimensional y la calidad de la superficie para garantizar que cumple con los requisitos de diseño..
5.3 Formar medidas de mejora del medio ambiente.
Los factores ambientales como la oxidación y la descarburación reducirán la calidad de la superficie del tubo en bruto y aumentarán el riesgo de agrietamiento.. Mejorar el entorno de formación puede reducir eficazmente el impacto de los factores ambientales en el agrietamiento.. Las medidas específicas son las siguientes:
5.3.1 Adoptar la formación de una atmósfera protectora
Durante el conformado por doblado por empuje en caliente, gas protector (como el argón, nitrógeno) Se puede introducir en el área de calentamiento y en la cavidad del molde para aislar el tubo en bruto del aire., evitando la oxidación y descarburación de la superficie del tubo en bruto a altas temperaturas. El caudal del gas protector debe controlarse a 5-10 l/min., y la pureza del gas debe estar por encima 99.99% para garantizar el efecto protector. Para producción a gran escala, Se puede construir una cámara de formación cerrada., Y el gas protector se puede llenar en la cámara para crear una atmósfera protectora completa., que puede mejorar aún más el efecto antioxidante.
5.3.2 Controle la humedad y los gases nocivos en el entorno de formación
La humedad del taller de conformado debe controlarse por debajo 60% Para evitar la fragilización por hidrógeno causada por la reacción del vapor de agua con la superficie del material a altas temperaturas.. Se pueden instalar equipos de deshumidificación en el taller para ajustar la humedad en tiempo real. Al mismo tiempo, la emisión de gases nocivos (como el monóxido de carbono, dióxido de azufre) en el taller debe controlarse para evitar la reacción de gases nocivos con la superficie del tubo en bruto, lo que afecta la calidad de la superficie del tubo en bruto. El taller debe estar equipado con un sistema de ventilación para asegurar la circulación del aire..
5.3.3 Fortalecer el tratamiento superficial post-formado
Una vez formado y enfriado el codo., la escala de óxido de la superficie debe eliminarse a tiempo. Los métodos comunes incluyen el decapado. (utilizando una mezcla de ácido nítrico y ácido fluorhídrico) y arenado. El decapado puede eliminar las incrustaciones de óxido y la capa descarburada de la superficie del codo., y el chorro de arena puede mejorar la rugosidad de la superficie del codo y mejorar la adhesión del revestimiento anticorrosión posterior. Después del tratamiento superficial, Se debe inspeccionar la superficie del codo para garantizar que no queden incrustaciones de óxido residuales., arañazos, u otros defectos, que puede evitar la iniciación de grietas por defectos superficiales durante el servicio posterior.
5.4 Medidas integrales de inspección de calidad
Además de las medidas anteriores, Se debe realizar una inspección de calidad exhaustiva durante todo el proceso de producción para encontrar y eliminar a tiempo posibles riesgos de calidad.. Las medidas específicas son las siguientes: (1) Inspección previa al conformado: Comprueba la composición química., tamaño de grano, estrés residual, y calidad de la superficie del tubo en bruto para garantizar que cumpla con los requisitos de formación.. (2) Inspección informativa: Monitorear en tiempo real la temperatura de formación., velocidad de empuje, y estado tensión-deformación del tubo en bruto, y ajustar los parámetros del proceso a tiempo si se encuentra alguna anomalía. (3) Inspección postformado: Utilice métodos de prueba no destructivos. (como pruebas ultrasónicas, prueba de partículas magnéticas) para inspeccionar las paredes internas y externas del codo en busca de grietas, inclusiones, y otros defectos. Para codos no calificados, Deben marcarse y manipularse de forma centralizada.. Para codos calificados, Se debe realizar una inspección de muestras para probar sus propiedades mecánicas. (como la resistencia a la tracción, dureza de impacto) para garantizar que cumplan con los requisitos de ingeniería.
6. Conclusión y perspectiva
6.1 Conclusión
Este artículo lleva a cabo un estudio en profundidad sobre las causas del agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado en caliente y propone las correspondientes medidas preventivas y de control.. A través del análisis teórico, investigación experimental, y simulación de elementos finitos, las principales conclusiones son las siguientes:
(1) El agrietamiento de la pared interior de los codos de acero inoxidable WP304 durante el conformado por doblado por empuje en caliente es el resultado integral de múltiples factores., incluyendo factores materiales (desviación de la composición química, inclusiones dañinas, tamaño de grano excesivo, tensión residual elevada), factores del proceso (Coincidencia irrazonable entre la temperatura de formación y la velocidad de empuje., calentamiento desigual, radio de curvatura demasiado pequeño, parámetros de molde irrazonables), y factores ambientales (oxidación, descarburación, Fragilización por hidrógeno causada por el vapor de agua.).
(2) Entre los factores materiales, La precipitación de carburos de cromo causada por un contenido excesivo de carbono., la concentración de estrés causada por inclusiones nocivas (Al₂O₃, mns), y la reducción de la tenacidad causada por el tamaño excesivo del grano son los factores clave que conducen al agrietamiento.. Entre los factores del proceso, La coincidencia irrazonable de la temperatura de formación y la velocidad de empuje. (temperatura demasiado baja + velocidad demasiado rápida, temperatura demasiado alta + velocidad demasiado rápida) y el calentamiento desigual son los principales factores que causan el agrietamiento. Entre los factores ambientales, La oxidación y la descarburación de la superficie del material son los principales factores que afectan la calidad de la superficie y provocan grietas..
(3) Se proponen medidas específicas de prevención y control desde tres aspectos: control de calidad de materiales, optimización de parámetros de proceso, y formando la mejora del medio ambiente. Las medidas de control de calidad del material incluyen el control estricto de la composición química., reducir las inclusiones nocivas, controlar el tamaño del grano, y eliminando el estrés residual. Las medidas de optimización de los parámetros del proceso incluyen la optimización de la combinación de la temperatura de formación y la velocidad de empuje., asegurando un calentamiento uniforme, seleccionar un radio de curvatura razonable, y optimización del diseño del molde. Las medidas de mejora del entorno de formación incluyen la adopción de una atmósfera protectora., Controlar la humedad ambiental y los gases nocivos., y refuerzo del tratamiento superficial postformado. Además, La inspección de calidad integral durante todo el proceso de producción puede garantizar aún más la calidad de formación del codo..
(4) La combinación óptima de parámetros de proceso para la formación por doblado en caliente de codos de acero inoxidable WP304 se obtiene mediante experimentos.: temperatura de formación 1050 ℃ -1100 ℃, velocidad de empuje 3-5 mm/s, radio de curvatura ≥1.5D, y método de calentamiento por inducción. El uso de esta combinación de parámetros y su combinación con el control de materiales correspondiente y las medidas de mejora ambiental pueden reducir eficazmente la aparición de grietas en las paredes interiores., Y la tasa calificada de codos puede alcanzar más de 98%.
6.2 Prospecto
Aunque este artículo ha logrado ciertos resultados de investigación, todavía hay algunas deficiencias que deben estudiarse más a fondo en el futuro:
(1) La investigación en este artículo está dirigida principalmente a codos de acero inoxidable WP304.. Para otros tipos de acero inoxidable austenítico (como WP316, WP321) codos, las causas del agrietamiento y las medidas preventivas pueden ser diferentes. La investigación futura puede ampliar el alcance de la investigación a otros tipos de codos de acero inoxidable para formar un sistema teórico y un método técnico más universal..
(2) Este artículo estudia principalmente el problema del agrietamiento durante el conformado por flexión en caliente.. Para la ley de evolución de las microfisuras formadas durante el conformado en el proceso de servicio posterior. (como bajo alta temperatura, alta presión, y ambiente corrosivo), falta una investigación profunda. Las investigaciones futuras pueden combinar el entorno de servicio para estudiar el mecanismo de propagación de microfisuras y proponer un método de control de calidad del ciclo de vida completo para codos de acero inoxidable..
(3) Con el desarrollo de la tecnología de fabricación inteligente, La investigación futura puede introducir inteligencia artificial y tecnología de big data en el proceso de conformado por doblado en caliente de codos de acero inoxidable.. Construyendo un sistema inteligente de monitoreo y control., Se puede realizar monitoreo en tiempo real y ajuste automático de los parámetros del proceso., y la calidad de formación de los codos se puede predecir y evaluar, Lo que mejorará aún más la eficiencia de producción y la calidad del producto..
(4) En términos de optimización del molde., La investigación futura puede adoptar tecnología de fabricación aditiva para fabricar moldes con estructuras complejas y buena calidad superficial.. Al mismo tiempo, Se pueden desarrollar nuevos materiales lubricantes y tecnologías de recubrimiento para reducir aún más la resistencia a la fricción entre el molde y el tubo en bruto., Mejorar la calidad del conformado y la vida útil del molde..
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Mayo 10, 2025
