冷拔无缝钢管内壁横向裂纹成因分析

冷 冷 拔 拔 无 无 缝 缝 钢 钢 管 管 内 内 壁 壁 横 横 向 向 裂 裂 纹 纹 成 成 因 因 分 分 析 析
Via 常 州 精 密 钢 管 博 客
摘 摘 要 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 裂 纹 纹 特 特 征 征 分 分 析 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 试 验 验 方 方 案 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 试 验 验 结 结 果 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 分 析 析 与 与 讨 讨 论 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 结 论 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 参 考 考 文 文 献 献 :
［1 ］ 王 洪 礼 ， 张 琪 昌 ． 非 线 性 动 力 学 理 论 以 及 应 用 ［M ］ ． 天 津: 天 津 科 学 技 术 出 版 社 ，2000 ．
［2 ］ 刘 延 柱 ， 陈 文 良 ， 陈 立 群 ， 等 ． 振 动 力 学 ［M ］ ． 北 京: 高 等 教 育 出 版 社 ，1998 ．
［3 ］ 张 琪 昌 ， 王 炜 ， 温 殿 英 ， 等 ． 高 道 次 冷 拔 管 抖 纹 问 题 分 析 ［J ］ ． 天 津 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) ，2005 ，38(4):303-306 ．
［4 ］ 南 清 安 ， 冯 彦 红 ． 钢 管 表 面 润 滑 工 艺 对 冷 拔 管 质 量 的 影 响 ［J ］ ． 煤 炭 科 学 技 术 ，1998 ，26(10):29-31 ．
［5 ］ 马 鹏 飞 ， 李 美 兰 ． 热 处 理 技 术 ［M ］ ． 北 京: 化 学 工 业 出 版 社 ，2008 ．
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向 裂 纹 ， 缺 陷 重 现 ， 无 缝 钢 管 ， 精 密 钢 管 生 产 技 术 ， | 添 加 评 论(0)
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