摘要:
分析了某鋼管生產(chǎn)廠家制造的中低壓鍋爐用20冷拔無縫鋼管內(nèi)壁橫向裂紋的特征，并通過一系列的試驗實現(xiàn)了缺陷的重現(xiàn)，證明了橫向裂紋的產(chǎn)生與鋼管制造過程中潤滑不良及退火軟化不良有直接聯(lián)系，是兩者共同作用的結(jié)果，并對如何預(yù)防此類缺陷提出了建議措施。關(guān)鍵詞:20鋼;冷拔無縫鋼管;橫向裂紋;缺陷重現(xiàn).
20無縫鋼管是GB3087－2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定的材料牌號，是適用于制造各種低壓和中壓鍋爐用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼無縫鋼管，是使用普通且用量很大的一種鋼管材料。某鍋爐設(shè)備制造廠在制造低溫再熱器集箱時，發(fā)現(xiàn)有數(shù)十個管接頭內(nèi)表面存在嚴重橫向裂紋缺陷，管接頭材料為20鋼，規(guī)格為Φ57mm×5mm。筆者對開裂鋼管進行了檢驗，并且進行了一系列的試驗重現(xiàn)了該缺陷，查找出了橫向裂紋的形成原因。
1.裂紋特征分析
鋼管的化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1，可見其化學(xué)成分滿足GB/T699－1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。
裂紋形貌見圖1，可見沿鋼管縱向分布眾多橫向裂紋，裂紋排列較整齊，每條裂紋呈波浪形特征，縱向略有偏轉(zhuǎn)度，無縱向劃道。由圖2可見，裂紋與鋼管表面有一定的偏折角度，有一定寬度，裂縫邊緣存在氧化物和脫碳現(xiàn)象，底部較鈍，無擴展跡象，基體組織為正常的鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，晶粒度8級。顯然，裂紋的成因與鋼管生產(chǎn)時鋼管內(nèi)壁與內(nèi)模的摩擦有關(guān)。
根據(jù)裂紋的宏微觀形貌特征，可以推斷裂紋產(chǎn)生于鋼管最終熱處理之前。該鋼管采用Φ90mm的圓管坯，經(jīng)歷的主要成型工序有:熱穿孔、熱軋減徑、兩次冷拔，具體工藝流程為Φ90mm的圓管坯通過穿軋成Φ93mm×5.8mm的荒管，再熱軋減徑為Φ72mm×6.2mm，進行酸洗潤滑后進行第一次冷拔，冷拔后規(guī)格為Φ65mm×5.5mm，經(jīng)過中間退火、酸洗潤滑后進行第二次冷拔，冷拔后規(guī)格為Φ57mm×5mm。
根據(jù)生產(chǎn)工藝分析，影響鋼管內(nèi)壁與內(nèi)模摩擦力的因素主要是潤滑的好壞，同時也與鋼管的塑性有關(guān)。如果鋼管塑性不良，出現(xiàn)拔制開裂的可能性大大增加，而塑性不良顯然與中間去應(yīng)力退火熱處理有關(guān)，據(jù)此推斷裂紋可能產(chǎn)生于冷拔過程。此外，因裂紋的張開程度不大，且無明顯的擴展跡象，說明裂紋在形成后，未經(jīng)歷過二次拉拔變形的影響，所以進一步推斷裂紋產(chǎn)生的最大可能時機應(yīng)該是第二次冷拔過程。最大可能的影響因素是潤滑不良和/或去應(yīng)力退火不良。
為確定裂紋成因，與鋼管生產(chǎn)廠家合作開展裂紋重現(xiàn)試驗。基于以上分析，進行以下試驗:在穿孔、熱軋減徑工藝不變的情況下，改變潤滑和/或去應(yīng)力退火熱處理條件，對拔制出的鋼管進行檢驗，嘗試重現(xiàn)相同缺陷。
2.試驗方案
通過改變潤滑工藝和退火工藝參數(shù)，提出9種試驗方案，如表2所示。其中，正常磷化與潤滑時間要求為40min，正常中間去應(yīng)力退火溫度要求為830℃，正常保溫時間要求為20min。試驗過程系采用30t冷拔機組以及輥底式熱處理爐。
3.試驗結(jié)果
通過對以上9種方案生產(chǎn)的鋼管進行檢查發(fā)現(xiàn):除第3，4，5，6方案外，其他方案均不同程度地出現(xiàn)抖紋或橫向裂紋。其中方案1出現(xiàn)環(huán)向臺階;方案2與方案8出現(xiàn)橫向裂紋，且與生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋形態(tài)極為相似;方案7與方案9出現(xiàn)抖紋，但未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，缺陷形貌見圖3～7。
4.分析與討論
通過一系列試驗，充分驗證了鋼管在冷拔過程中潤滑與中間去應(yīng)力退火對成品鋼管質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。尤其是方案2和方案8，重現(xiàn)了上述生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的鋼管內(nèi)壁同類缺陷。
方案1是對熱軋減徑的母管，在未執(zhí)行磷化與潤滑工序的情況下進行第一次冷拔，由于未潤滑，冷拔過程中需要的載荷已基本達到冷拔機的最大載荷，冷拔過程非常費力，鋼管的抖動加上與磨具的摩擦，使管子內(nèi)壁出現(xiàn)明顯臺階，說明在母管塑性良好的情況下，無潤滑拔制雖有不利影響，但不易出現(xiàn)橫向裂紋。方案2中，磷化與潤滑不良的鋼管在未進行中間去應(yīng)力退火的情況下連續(xù)冷拔，結(jié)果出現(xiàn)了類似橫向裂紋的情況。然而方案3對磷化與潤滑良好的鋼管在未進行中間去應(yīng)力退火的情況下，連續(xù)冷拔未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，初步說明潤滑不良是產(chǎn)生橫向裂紋的主因。方案4～6是在保證潤滑良好的情況下，改變熱處理工藝，結(jié)果均沒有出現(xiàn)拔制缺陷，說明中間去應(yīng)力退火不是導(dǎo)致橫向裂紋出現(xiàn)的主導(dǎo)因素。方案7～9是在磷化與潤滑時間縮短一半的情況下，改變熱處理工藝，結(jié)果方案7和方案9的鋼管出現(xiàn)抖紋，方案8產(chǎn)生了同類橫向裂紋。
通過上述對比分析，表明在潤滑不良+不進行中間退火處理和潤滑不良+中間退火溫度偏低這兩種情況下，均會產(chǎn)生橫向裂紋，而在潤滑不良+中間退火良好、潤滑良好+不進行中間退火處理和潤滑良好+中間退火溫度偏低的情況下，雖會產(chǎn)生抖紋類缺陷，但不會引起鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生橫向裂紋。顯然，潤滑不良是導(dǎo)致橫向裂紋的主因，中間去應(yīng)力退火不良是輔因。
由于鋼管的拉拔應(yīng)力與摩擦力成正比［1－2］，潤滑不良將導(dǎo)致拉拔力增加，拉拔速率下降。鋼管剛開始拉拔時速率較低，若速率低于某一值即達到分岔點，芯棒即產(chǎn)生自激振動，導(dǎo)致抖紋產(chǎn)生［3］。而在潤滑不充分的情況下，拔制時表面(尤其是內(nèi)表面)金屬與模具的軸向摩擦力大大增加，產(chǎn)生加工硬化［4］，如鋼管在隨后的去應(yīng)力退火熱處理溫度不足(如試驗所設(shè)的630℃左右)或不退火的情況下，均易導(dǎo)致表面裂紋。
根據(jù)理論推算(最低再結(jié)晶溫度≈0．4×1350℃)［5］，20鋼的再結(jié)晶溫度約為610℃，如退火溫度接近再結(jié)晶溫度時，鋼管未能進行充分再結(jié)晶，加工硬化未得到完全消除，導(dǎo)致材料塑性不良，摩擦時金屬流動受阻，內(nèi)外層金屬不均勻變形嚴重，從而產(chǎn)生極大的軸向附加應(yīng)力，結(jié)果使鋼管內(nèi)表層金屬的軸向應(yīng)力超過其極限，從而產(chǎn)生裂紋。
5.結(jié)論
20無縫鋼管內(nèi)壁橫向裂紋的產(chǎn)生是拔制過程中潤滑不良和中間去應(yīng)力退火熱處理不充分(或未退火)兩者綜合作用所致。其中，潤滑不良是主因，中間去應(yīng)力退火不良(或未退火)是輔因。
為避免類似缺陷的產(chǎn)生，生產(chǎn)廠家應(yīng)要求車間操作人員在生產(chǎn)中嚴格按照潤滑的相關(guān)技術(shù)規(guī)定及熱處理工藝進行操作。另外，由于輥底式連續(xù)退火爐為連續(xù)退火，雖然裝料出爐方便迅速，但是對于不同規(guī)格尺寸的材料在爐內(nèi)處理的溫度和速度難以控制，如果不嚴格按照規(guī)程執(zhí)行，容易造成退火溫度不均勻或時間過短，從而造成再結(jié)晶不充分，導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)時出現(xiàn)缺陷。因此使用輥底式連續(xù)退火爐進行熱處理的生產(chǎn)廠家，應(yīng)控制好熱處理的各項要求和實際操作。
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