不锈钢壳体热处理试验研究

王 波 张碧玉

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300381）

1 概述

不锈钢具有优秀的耐腐蚀性、耐热性和良的抛光性，且成本较低，是热电池壳体制造的主要材料。不锈钢电池壳体底部和侧壁是一体式结构，由板材成型，所采用工艺包括：热处理工艺，拉深工艺和旋压工艺等。其中，热处理工艺是关键辅助工艺，良好的热处理方案使材料获得适当的硬度和韧性，更好的加工性能。若热处理方法不当，一方面，表面脱碳，会降低表面质量水平；另一方面，晶体成长不完全，出现拉深过程中断裂、起皱等情况。因此设计合理热处理工艺，是不锈钢壳体加工关键技术之一。本文根据电池壳体的实际需求开展研究，从理论上分析不锈钢热处理的基本方法，并通过实验验证了热处理工艺的有效性，为电池壳体成型加工奠定了基础。

2 热处理工艺设计

2.1 钢的热处理是指钢在固态下采用适当方式进行加热、保温、并以一定的冷却速度冷却到室温，改变钢的组织从而改变其性能的一种工艺方法。热处理工艺设计实际上就是确定温度曲线，加热方式等关键步骤，进而获得良好的加工性能。本产品的热处理目的就是降低材料硬度，改善材料塑性、韧性，以利于拉深和旋压。因此可采用固溶时效处理，设定温度1050℃-1080℃，再根据产品壁厚，确定最低保温时间，从而使得碳化物充分溶解并保留与奥氏体中，从而在常温下获得单相奥氏体组织。

2.2 根据理论指导，确定工艺方案1。

工艺方案1：采用如图1 所示马弗炉（箱式电阻炉）设备，该设备采用双层壳体结构，保证高温实验炉的持续稳定工作，且核心部分炉膛采用高纯氧化铝多晶纤维，炉温均匀，保温效果好。

图1 电阻箱式炉

空炉加热到1050℃，打开炉门，放入工件（工件必须清洗干净，表面不允许有拉伸油或其他杂质，工件之间间隔一定的距离），快速关闭炉门，待温度再次达到1050℃后，计时10min，此时晶粒持续生长，直至完全固溶。由于奥氏体不锈钢经高温加热后缓慢冷却，会使碳化铬自奥氏体中析出，固化处理以后，如在460～800℃温度再加热，碳化铬的析出过程更强烈，（因固溶化处理以后, 所得到的奥氏体是一种过饱和固溶体,它是不稳定的），使钢对晶间腐蚀特别敏感。鉴于上述情况，高温加热后应快速冷却，应尽可能避免使钢受到敏化温度(460～800℃)的影响和缩短敏化处理的时间，以使碳化铬来不及自奥氏体中析出，必须迅速水冷。因此设计工件从打开炉门至完全浸入水中时间要小于12s，在水中观察工件完全由红变黑后拿出，并自然干燥。实验结果如图2 所示。一方面：由于采用水冷的冷却的方式，热处理后的不锈钢壳体硬度约25-28HRC，这是因为材料被加热的温度很高，遇到冷却介质表面急速收缩，而芯部收缩速度较慢，导致表面受到压应力，而芯部受到拉应力，这种应力作用使得壳体硬度较高，不利于后续的拉伸。另一方面：由于整个热处理过程中不可避免的和空气接触短暂的时间，发生氧化反应，产品表面有黑色碳化斑点，必须采用酸洗工序清楚氧化层后才能进行后续的加工，不仅增加了金属的损失和酸洗的成本，而且不环保。

2.3 为了避免实验一中现象，改进方案采用气氛保护炉设备进行热处理工艺。设备如图3 所示，是一种隧道炉，炉内采用氨分解气体保护，光亮退火（在密闭空间加热退火后让温度在密闭空间缓慢降温至少500 度以下再自然冷却）以避免产品表面脱碳。炉内温度升至1050℃后，将工件放置在传送带上，随传送带进入气氛保护炉，保温一段时间，使得碳化物全部溶解于奥氏体，然后迅速冷却到450℃以下，此时的冷却速率要求达到60℃/s，得到单相奥氏体组织，实验结果如图4 所示。

图4 产品效果图

与首次试验对比，产品有明显的改善。首先，硬度值降至HRC20，更利于拉深旋压。其次，由于整个热处理的过程中都在保护气体的氛围下进行，并且在冷却速率很快，迅速通过了敏化区域，表面无任何氧化现象，利于材料厚度控制，并且无需酸洗。

2.4 通过以上实验分析，确定的热处理工艺温度控制如下

温度升至1050℃到1080℃之间，预热温度一般需要40min左右，当达到温度后，即可连续作业。产品顺着传动带进入炉膛，设置皮带轮转速，保证产品在炉膛内时间在10min 左右后传送至冷却区域，冷却区域开始光亮退火，温度下降至450℃以下之后，即可随室温冷却。

3 加工实验验证

因为拉伸和旋压工艺所需要的产品加工性能要求较高。在确认前序是要所得的热处理工件的硬度、表面质量满足要求后。继续开展产品的加工实验尺寸、重量、表面质量均在合格区间内，证明了工艺方案的可行性。

4 结论

4.1 根据加工需求，确定采用固溶工艺温度进行热处理。设计热处理实验，并分析比对试验结果，确定了最佳热处理工艺。

4.2 采用所设计热处理工艺，结合拉深、旋压等技术，开展试生产，通过实际生产，证明了拉深、旋压所用的一体式不锈钢壳体的热处理可以应用该热处理方法。