不銹鋼殼體熱處理試驗研究

王 波 張碧玉

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300381）

1 概述

不銹鋼具有優(yōu)秀的耐腐蝕性、耐熱性和良的拋光性，且成本較低，是熱電池殼體制造的主要材料。不銹鋼電池殼體底部和側(cè)壁是一體式結(jié)構(gòu)，由板材成型，所采用工藝包括：熱處理工藝，拉深工藝和旋壓工藝等。其中，熱處理工藝是關(guān)鍵輔助工藝，良好的熱處理方案使材料獲得適當(dāng)?shù)挠捕群晚g性，更好的加工性能。若熱處理方法不當(dāng)，一方面，表面脫碳，會降低表面質(zhì)量水平；另一方面，晶體成長不完全，出現(xiàn)拉深過程中斷裂、起皺等情況。因此設(shè)計合理熱處理工藝，是不銹鋼殼體加工關(guān)鍵技術(shù)之一。本文根據(jù)電池殼體的實際需求開展研究，從理論上分析不銹鋼熱處理的基本方法，并通過實驗驗證了熱處理工藝的有效性，為電池殼體成型加工奠定了基礎(chǔ)。

2 熱處理工藝設(shè)計

2.1 鋼的熱處理是指鋼在固態(tài)下采用適當(dāng)方式進行加熱、保溫、并以一定的冷卻速度冷卻到室溫，改變鋼的組織從而改變其性能的一種工藝方法。熱處理工藝設(shè)計實際上就是確定溫度曲線，加熱方式等關(guān)鍵步驟，進而獲得良好的加工性能。本產(chǎn)品的熱處理目的就是降低材料硬度，改善材料塑性、韌性，以利于拉深和旋壓。因此可采用固溶時效處理，設(shè)定溫度1050℃-1080℃，再根據(jù)產(chǎn)品壁厚，確定最低保溫時間，從而使得碳化物充分溶解并保留與奧氏體中，從而在常溫下獲得單相奧氏體組織。

2.2 根據(jù)理論指導(dǎo)，確定工藝方案1。

工藝方案1：采用如圖1 所示馬弗爐（箱式電阻爐）設(shè)備，該設(shè)備采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，保證高溫實驗爐的持續(xù)穩(wěn)定工作，且核心部分爐膛采用高純氧化鋁多晶纖維，爐溫均勻，保溫效果好。

圖1 電阻箱式爐

空爐加熱到1050℃，打開爐門，放入工件（工件必須清洗干凈，表面不允許有拉伸油或其他雜質(zhì)，工件之間間隔一定的距離），快速關(guān)閉爐門，待溫度再次達到1050℃后，計時10min，此時晶粒持續(xù)生長，直至完全固溶。由于奧氏體不銹鋼經(jīng)高溫加熱后緩慢冷卻，會使碳化鉻自奧氏體中析出，固化處理以后，如在460～800℃溫度再加熱，碳化鉻的析出過程更強烈，（因固溶化處理以后, 所得到的奧氏體是一種過飽和固溶體,它是不穩(wěn)定的），使鋼對晶間腐蝕特別敏感。鑒于上述情況，高溫加熱后應(yīng)快速冷卻，應(yīng)盡可能避免使鋼受到敏化溫度(460～800℃)的影響和縮短敏化處理的時間，以使碳化鉻來不及自奧氏體中析出，必須迅速水冷。因此設(shè)計工件從打開爐門至完全浸入水中時間要小于12s，在水中觀察工件完全由紅變黑后拿出，并自然干燥。實驗結(jié)果如圖2 所示。一方面：由于采用水冷的冷卻的方式，熱處理后的不銹鋼殼體硬度約25-28HRC，這是因為材料被加熱的溫度很高，遇到冷卻介質(zhì)表面急速收縮，而芯部收縮速度較慢，導(dǎo)致表面受到壓應(yīng)力，而芯部受到拉應(yīng)力，這種應(yīng)力作用使得殼體硬度較高，不利于后續(xù)的拉伸。另一方面：由于整個熱處理過程中不可避免的和空氣接觸短暫的時間，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)品表面有黑色碳化斑點，必須采用酸洗工序清楚氧化層后才能進行后續(xù)的加工，不僅增加了金屬的損失和酸洗的成本，而且不環(huán)保。

2.3 為了避免實驗一中現(xiàn)象，改進方案采用氣氛保護爐設(shè)備進行熱處理工藝。設(shè)備如圖3 所示，是一種隧道爐，爐內(nèi)采用氨分解氣體保護，光亮退火（在密閉空間加熱退火后讓溫度在密閉空間緩慢降溫至少500 度以下再自然冷卻）以避免產(chǎn)品表面脫碳。爐內(nèi)溫度升至1050℃后，將工件放置在傳送帶上，隨傳送帶進入氣氛保護爐，保溫一段時間，使得碳化物全部溶解于奧氏體，然后迅速冷卻到450℃以下，此時的冷卻速率要求達到60℃/s，得到單相奧氏體組織，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 產(chǎn)品效果圖

與首次試驗對比，產(chǎn)品有明顯的改善。首先，硬度值降至HRC20，更利于拉深旋壓。其次，由于整個熱處理的過程中都在保護氣體的氛圍下進行，并且在冷卻速率很快，迅速通過了敏化區(qū)域，表面無任何氧化現(xiàn)象，利于材料厚度控制，并且無需酸洗。

2.4 通過以上實驗分析，確定的熱處理工藝溫度控制如下

溫度升至1050℃到1080℃之間，預(yù)熱溫度一般需要40min左右，當(dāng)達到溫度后，即可連續(xù)作業(yè)。產(chǎn)品順著傳動帶進入爐膛，設(shè)置皮帶輪轉(zhuǎn)速，保證產(chǎn)品在爐膛內(nèi)時間在10min 左右后傳送至冷卻區(qū)域，冷卻區(qū)域開始光亮退火，溫度下降至450℃以下之后，即可隨室溫冷卻。

3 加工實驗驗證

因為拉伸和旋壓工藝所需要的產(chǎn)品加工性能要求較高。在確認前序是要所得的熱處理工件的硬度、表面質(zhì)量滿足要求后。繼續(xù)開展產(chǎn)品的加工實驗尺寸、重量、表面質(zhì)量均在合格區(qū)間內(nèi)，證明了工藝方案的可行性。

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)加工需求，確定采用固溶工藝溫度進行熱處理。設(shè)計熱處理實驗，并分析比對試驗結(jié)果，確定了最佳熱處理工藝。

4.2 采用所設(shè)計熱處理工藝，結(jié)合拉深、旋壓等技術(shù)，開展試生產(chǎn)，通過實際生產(chǎn)，證明了拉深、旋壓所用的一體式不銹鋼殼體的熱處理可以應(yīng)用該熱處理方法。