摘要:
分析了某鋼管生產廠家制造的中低壓鍋爐用20冷拔無縫鋼管內壁橫向裂紋的特征，并通過一系列的試驗實現了缺陷的重現，證明了橫向裂紋的產生與鋼管制造過程中潤滑不良及退火軟化不良有直接聯系，是兩者共同作用的結果，并對如何預防此類缺陷提出了建議措施。關鍵詞:20鋼;冷拔無縫鋼管;橫向裂紋;缺陷重現.
20無縫鋼管是GB3087－2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》中規定的材料牌號，是適用于制造各種低壓和中壓鍋爐用的優質碳素結構鋼無縫鋼管，是使用普通且用量很大的一種鋼管材料。某鍋爐設備制造廠在制造低溫再熱器集箱時，發現有數十個管接頭內表面存在嚴重橫向裂紋缺陷，管接頭材料為20鋼，規格為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
鋼管的化學成分檢測結果見表1，可見其化學成分滿足GB/T699－1999《優質碳素結構鋼》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時鋼管內壁與內模的摩擦有關。
根據裂紋的宏微觀形貌特征，可以推斷裂紋產生于鋼管最終熱處理之前。該鋼管采用Φ90mm的圓管坯，經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，冷拔后規格為Φ65mm×5.5mm，經過中間退火、酸洗潤滑后進行第二次冷拔，冷拔后規格為Φ57mm×5mm。
根據生產工藝分析，影響鋼管內壁與內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。如果鋼管塑性不良，出現拔制開裂的可能性大大增加，而塑性不良顯然與中間去應力退火熱處理有關，據此推斷裂紋可能產生于冷拔過程。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，未經歷過二次拉拔變形的影響，所以進一步推斷裂紋產生的最大可能時機應該是第二次冷拔過程。最大可能的影響因素是潤滑不良和/或去應力退火不良。
為確定裂紋成因，與鋼管生產廠家合作開展裂紋重現試驗。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/或去應力退火熱處理條件，對拔制出的鋼管進行檢驗，嘗試重現相同缺陷。
2.試驗方案
通過改變潤滑工藝和退火工藝參數，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.試驗結果
通過對以上9種方案生產的鋼管進行檢查發現:除第3，4，5，6方案外，其他方案均不同程度地出現抖紋或橫向裂紋。其中方案1出現環向臺階;方案2與方案8出現橫向裂紋，且與生產中發現的裂紋形態極為相似;方案7與方案9出現抖紋，但未發現橫向裂紋，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力退火對成品鋼管質量有著至關重要的影響。尤其是方案2和方案8，重現了上述生產中發現的鋼管內壁同類缺陷。
方案1是對熱軋減徑的母管，在未執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，使管子內壁出現明顯臺階，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力退火的情況下連續冷拔，結果出現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力退火的情況下，連續冷拔未發現任何缺陷，初步說明潤滑不良是產生橫向裂紋的主因。方案4～6是在保證潤滑良好的情況下，改變熱處理工藝，結果均沒有出現拔制缺陷，說明中間去應力退火不是導致橫向裂紋出現的主導因素。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，結果方案7和方案9的鋼管出現抖紋，方案8產生了同類橫向裂紋。
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，雖會產生抖紋類缺陷，但不會引起鋼管內壁產生橫向裂紋。顯然，潤滑不良是導致橫向裂紋的主因，中間去應力退火不良是輔因。
由于鋼管的拉拔應力與摩擦力成正比［1－2］，潤滑不良將導致拉拔力增加，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，芯棒即產生自激振動，導致抖紋產生［3］。而在潤滑不充分的情況下，拔制時表面(尤其是內表面)金屬與模具的軸向摩擦力大大增加，產生加工硬化［4］，如鋼管在隨后的去應力退火熱處理溫度不足(如試驗所設的630℃左右)或不退火的情況下，均易導致表面裂紋。
根據理論推算(最低再結晶溫度≈0．4×1350℃)［5］，20鋼的再結晶溫度約為610℃，如退火溫度接近再結晶溫度時，鋼管未能進行充分再結晶，加工硬化未得到完全消除，導致材料塑性不良，摩擦時金屬流動受阻，內外層金屬不均勻變形嚴重，從而產生極大的軸向附加應力，結果使鋼管內表層金屬的軸向應力超過其極限，從而產生裂紋。
5.結論
20無縫鋼管內壁橫向裂紋的產生是拔制過程中潤滑不良和中間去應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，中間去應力退火不良(或未退火)是輔因。
為避免類似缺陷的產生，生產廠家應要求車間操作人員在生產中嚴格按照潤滑的相關技術規定及熱處理工藝進行操作。另外，由于輥底式連續退火爐為連續退火，雖然裝料出爐方便迅速，但是對于不同規格尺寸的材料在爐內處理的溫度和速度難以控制，如果不嚴格按照規程執行，容易造成退火溫度不均勻或時間過短，從而造成再結晶不充分，導致后續生產時出現缺陷。因此使用輥底式連續退火爐進行熱處理的生產廠家，應控制好熱處理的各項要求和實際操作。
參考文獻:
［1］王洪禮，張琪昌．非線性動力學理論以及應用［M］．天津:天津科學技術出版社，2000．
［2］劉延柱，陳文良，陳立群，等．振動力學［M］．北京:高等教育出版社，1998．
［3］張琪昌，王煒，溫殿英，等．高道次冷拔管抖紋問題分析［J］．天津大學學報(自然科學版)，2005，38(4):303-306．
［4］南清安，馮彥紅．鋼管表面潤滑工藝對冷拔管質量的影響［J］．煤炭科學技術，1998，26(10):29-31．
［5］馬鵬飛，李美蘭．熱處理技術［M］．北京:化學工業出版社，2008．
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