摘要:
分析了某钢管生产厂家制造的中低压锅炉用20冷拔无缝钢管内壁横向裂纹的特征，并通过一系列的试验实现了缺陷的重现，证明了横向裂纹的产生与钢管制造过程中润滑不良及退火软化不良有直接联系，是两者共同作用的结果，并对如何预防此类缺陷提出了建议措施。关键词:20钢;冷拔无缝钢管;横向裂纹;缺陷重现.
20无缝钢管是GB3087－2008《低中压锅炉用无缝钢管》中规定的材料牌号，是适用于制造各种低压和中压锅炉用的优质碳素结构钢无缝钢管，是使用普通且用量很大的一种钢管材料。某锅炉设备制造厂在制造低温再热器集箱时，发现有数十个管接头内表面存在严重横向裂纹缺陷，管接头材料为20钢，规格为Φ57mm×5mm。笔者对开裂钢管进行了检验，并且进行了一系列的试验重现了该缺陷，查找出了横向裂纹的形成原因。
1.裂纹特征分析
钢管的化学成分检测结果见表1，可见其化学成分满足GB/T699－1999《优质碳素结构钢》的要求。
裂纹形貌见图1，可见沿钢管纵向分布众多横向裂纹，裂纹排列较整齐，每条裂纹呈波浪形特征，纵向略有偏转度，无纵向划道。由图2可见，裂纹与钢管表面有一定的偏折角度，有一定宽度，裂缝边缘存在氧化物和脱碳现象，底部较钝，无扩展迹象，基体组织为正常的铁素体+珠光体，呈带状分布，晶粒度8级。显然，裂纹的成因与钢管生产时钢管内壁与内模的摩擦有关。
根据裂纹的宏微观形貌特征，可以推断裂纹产生于钢管最终热处理之前。该钢管采用Φ90mm的圆管坯，经历的主要成型工序有:热穿孔、热轧减径、两次冷拔，具体工艺流程为Φ90mm的圆管坯通过穿轧成Φ93mm×5.8mm的荒管，再热轧减径为Φ72mm×6.2mm，进行酸洗润滑后进行第一次冷拔，冷拔后规格为Φ65mm×5.5mm，经过中间退火、酸洗润滑后进行第二次冷拔，冷拔后规格为Φ57mm×5mm。
根据生产工艺分析，影响钢管内壁与内模摩擦力的因素主要是润滑的好坏，同时也与钢管的塑性有关。如果钢管塑性不良，出现拔制开裂的可能性大大增加，而塑性不良显然与中间去应力退火热处理有关，据此推断裂纹可能产生于冷拔过程。此外，因裂纹的张开程度不大，且无明显的扩展迹象，说明裂纹在形成后，未经历过二次拉拔变形的影响，所以进一步推断裂纹产生的最大可能时机应该是第二次冷拔过程。最大可能的影响因素是润滑不良和/或去应力退火不良。
为确定裂纹成因，与钢管生产厂家合作开展裂纹重现试验。基于以上分析，进行以下试验:在穿孔、热轧减径工艺不变的情况下，改变润滑和/或去应力退火热处理条件，对拔制出的钢管进行检验，尝试重现相同缺陷。
2.试验方案
通过改变润滑工艺和退火工艺参数，提出9种试验方案，如表2所示。其中，正常磷化与润滑时间要求为40min，正常中间去应力退火温度要求为830℃，正常保温时间要求为20min。试验过程系采用30t冷拔机组以及辊底式热处理炉。
3.试验结果
通过对以上9种方案生产的钢管进行检查发现:除第3，4，5，6方案外，其他方案均不同程度地出现抖纹或横向裂纹。其中方案1出现环向台阶;方案2与方案8出现横向裂纹，且与生产中发现的裂纹形态极为相似;方案7与方案9出现抖纹，但未发现横向裂纹，缺陷形貌见图3～7。
4.分析与讨论
通过一系列试验，充分验证了钢管在冷拔过程中润滑与中间去应力退火对成品钢管质量有着至关重要的影响。尤其是方案2和方案8，重现了上述生产中发现的钢管内壁同类缺陷。
方案1是对热轧减径的母管，在未执行磷化与润滑工序的情况下进行第一次冷拔，由于未润滑，冷拔过程中需要的载荷已基本达到冷拔机的最大载荷，冷拔过程非常费力，钢管的抖动加上与磨具的摩擦，使管子内壁出现明显台阶，说明在母管塑性良好的情况下，无润滑拔制虽有不利影响，但不易出现横向裂纹。方案2中，磷化与润滑不良的钢管在未进行中间去应力退火的情况下连续冷拔，结果出现了类似横向裂纹的情况。然而方案3对磷化与润滑良好的钢管在未进行中间去应力退火的情况下，连续冷拔未发现任何缺陷，初步说明润滑不良是产生横向裂纹的主因。方案4～6是在保证润滑良好的情况下，改变热处理工艺，结果均没有出现拔制缺陷，说明中间去应力退火不是导致横向裂纹出现的主导因素。方案7～9是在磷化与润滑时间缩短一半的情况下，改变热处理工艺，结果方案7和方案9的钢管出现抖纹，方案8产生了同类横向裂纹。
通过上述对比分析，表明在润滑不良+不进行中间退火处理和润滑不良+中间退火温度偏低这两种情况下，均会产生横向裂纹，而在润滑不良+中间退火良好、润滑良好+不进行中间退火处理和润滑良好+中间退火温度偏低的情况下，虽会产生抖纹类缺陷，但不会引起钢管内壁产生横向裂纹。显然，润滑不良是导致横向裂纹的主因，中间去应力退火不良是辅因。
由于钢管的拉拔应力与摩擦力成正比［1－2］，润滑不良将导致拉拔力增加，拉拔速率下降。钢管刚开始拉拔时速率较低，若速率低于某一值即达到分岔点，芯棒即产生自激振动，导致抖纹产生［3］。而在润滑不充分的情况下，拔制时表面(尤其是内表面)金属与模具的轴向摩擦力大大增加，产生加工硬化［4］，如钢管在随后的去应力退火热处理温度不足(如试验所设的630℃左右)或不退火的情况下，均易导致表面裂纹。
根据理论推算(最低再结晶温度≈0．4×1350℃)［5］，20钢的再结晶温度约为610℃，如退火温度接近再结晶温度时，钢管未能进行充分再结晶，加工硬化未得到完全消除，导致材料塑性不良，摩擦时金属流动受阻，内外层金属不均匀变形严重，从而产生极大的轴向附加应力，结果使钢管内表层金属的轴向应力超过其极限，从而产生裂纹。
5.结论
20无缝钢管内壁横向裂纹的产生是拔制过程中润滑不良和中间去应力退火热处理不充分(或未退火)两者综合作用所致。其中，润滑不良是主因，中间去应力退火不良(或未退火)是辅因。
为避免类似缺陷的产生，生产厂家应要求车间操作人员在生产中严格按照润滑的相关技术规定及热处理工艺进行操作。另外，由于辊底式连续退火炉为连续退火，虽然装料出炉方便迅速，但是对于不同规格尺寸的材料在炉内处理的温度和速度难以控制，如果不严格按照规程执行，容易造成退火温度不均匀或时间过短，从而造成再结晶不充分，导致后续生产时出现缺陷。因此使用辊底式连续退火炉进行热处理的生产厂家，应控制好热处理的各项要求和实际操作。
参考文献:
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