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      液壓鋼筒用無縫鋼管用于制造各類工程機(jī)械設(shè)備和車輛的油缸，簡稱油缸管。大多采用冷拔+刮滾的工藝制造油缸管，具體工藝為原料鋼管的酸洗→磷化→皂化→減壁、減徑的冷拔變形→去應(yīng)力退火處理→鋼管內(nèi)壁刮滾處理。一般情況下，鋼管需要承受較大的冷拔加工應(yīng)力，這對鋼的材料、表面光滑度、平整度等提出了較高的要求，因此，需要對冷變形后的油缸管進(jìn)行500~700℃的去應(yīng)力退火處理。低合金鋼熱軋無縫鋼管的經(jīng)濟(jì)性和綜合力學(xué)性能都很好，經(jīng)常作為油缸管的管料使用。對于低合金鋼冷拔管外表面缺陷的研究結(jié)果顯示，冷拔生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)工藝及工藝材料是缺陷產(chǎn)生的主要原因，而油缸管內(nèi)表面出現(xiàn)的離散分布的凹坑、豁口、裂紋等缺陷也在冷拔及后續(xù)的精整過程中被發(fā)現(xiàn)，但該類缺陷不同于線性缺陷或純應(yīng)力開裂的裂紋，其沒有一定的規(guī)律可尋，無法通過調(diào)整冷拔工藝、冷拔工具、輔料等方式解決，這些是一直困擾油缸管制造企業(yè)的技術(shù)問題。截至目前，對低合金鋼油缸管的內(nèi)表面缺陷，尤其是不規(guī)則分布的凹坑、豁口、裂紋等缺陷的研究還比較少。研究人員采用金相檢驗、掃描電鏡（SEM）分析等方法，結(jié)合油缸管原料管坯的制造工藝，對上述不規(guī)則缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了研究，提出了改善方向。

 

1、 試驗材料及方法

 

      選取內(nèi)表面有典型不規(guī)則形貌缺陷的低合金鋼油缸管，將缺陷鋼管沿縱向剖開，油缸管內(nèi)表面不規(guī)則缺陷宏觀形貌如圖1所示。圖1a）為20鋼油缸管經(jīng)過冷拔+ 刮滾后的缺陷鋼管試樣，圖1b）為45鋼油缸管經(jīng)過冷拔+ 去應(yīng)力退火+ 刮滾后的缺陷鋼管試樣，圖1c）為25Mn鋼油缸管經(jīng)過冷拔+去應(yīng)力退火+刮滾后的缺陷鋼管試樣。在缺陷處截取規(guī)格為25mm×25mm（長度× 寬度）的試樣，將試樣的橫截面研磨拋光，將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察，用場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)一步觀察缺陷及缺陷周圍存在的異物，用能譜儀分析異物的化學(xué)成分。再用硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察缺陷周圍的腐蝕態(tài)形貌。

 

2、 試驗結(jié)果

 

2.1 油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的凹坑缺陷

 

2.1.1 宏觀分析

 

      管內(nèi)表面凹坑缺陷的宏觀形貌為橢圓形，長軸方向與鋼管的軸向一致，凹坑的長度一般為1~10mm，凹坑邊沿比較光滑，深度較淺。凹坑的分布沒有規(guī)律性，可初步排除冷拔工藝或模具因素。

 

2.1.2 微觀分析

 

     將缺陷放大觀察，凹坑深度為0.1~0.2mm，凹坑與基體有較圓滑的過渡，有壓入缺陷特征，不同于裂紋缺陷，也與冶金行業(yè)的氫致白點缺陷有本質(zhì)不同。用硝酸乙醇溶液腐蝕試樣后，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：缺陷與基體過渡區(qū)域無氧化脫碳現(xiàn)象，再仔細(xì)觀察缺陷與基體的接合部位，鋼材的組織晶粒無異常。根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，該試樣的組織晶粒度為8.5級以上，表明材料的晶粒較細(xì)。

 

 

     距缺陷邊部一段距離的一個疑似氧化物被基體包裹得很好，用能譜儀對該氧化物進(jìn)行定性和定量檢測，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：該氧化物為Si、Ca、Fe 元素的復(fù)合氧化物，屬于硅酸鹽類非金屬夾雜物的一種。又對凹坑缺陷與基體毗鄰部位進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)主要含有P、Zn、O、Fe元素，應(yīng)該為鋼管冷拔前潤滑工序的磷化液、皂化液殘留所致。

 

2.2 油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的豁口缺陷

 

2.2.1 宏觀分析

 

     油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的豁口缺陷兩端呈圓鈍形態(tài)，豁口全長10~50mm，長度方向與鋼管的軸向基本一致，豁口寬度較寬，兩側(cè)與鋼管基體交界部分呈鋸齒狀，該缺陷在鋼管內(nèi)表面出現(xiàn)的位置不固定，當(dāng)用刮刀對鋼管內(nèi)表面進(jìn)行加工時，會在豁口處跳刀，說明豁口內(nèi)明顯有異物存在。對異物進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：異物主要由Al、Ca、Si、Mn、K、Na、Fe等元素的氧化物組成。

 

2.2.2 微觀分析

 

     油缸管內(nèi)表面豁口缺陷微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：豁口缺陷邊沿有多個不規(guī)則小缺口，形似鋸齒，缺口深度一般不超過0.5mm，豁口缺陷與鋼管基體接合處無氧化脫碳。試樣經(jīng)過硝酸乙醇溶液腐蝕后，豁口缺陷附近的晶粒組織無異常，沒有金屬流變，與基體組織相同。

 

2.3 油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的裂紋缺陷

 

2.3.1 宏觀分析

 

     油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的裂紋缺陷很細(xì)小，長度方向與鋼管的軸向接近平行，一般長度為30~100mm，寬度幾乎可以忽略不計，該缺陷在鋼管內(nèi)表面出現(xiàn)的位置不固定，當(dāng)用刮刀對鋼管內(nèi)表面進(jìn)行加工時，會在細(xì)裂紋處出現(xiàn)拔絲現(xiàn)象。

 

2.3.2 微觀分析

 

     油缸管內(nèi)表面裂紋缺陷微觀形貌如圖6所示。由圖6可知：裂紋缺陷深度為0.1~0.5mm，與鋼管管壁約呈30°角，具有折疊特征，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳。裂紋內(nèi)有氧化鐵填充，用硝酸乙醇溶液腐蝕試樣后，裂紋兩側(cè)晶粒組織發(fā)生流變，并向管體徑向延伸，裂紋線條柔和，裂紋尖端不分叉，并且延伸走向發(fā)生改變。

 

 

 

 

3、 綜合分析

 

3.1 凹坑缺陷產(chǎn)生原因

 

     凹坑缺陷的尺寸較大，不屬于非金屬夾雜物導(dǎo)致的坑點狀缺陷。缺陷處無氧化脫碳現(xiàn)象，表明缺陷不可能產(chǎn)生于鋼管制管加熱以前，排除鋼坯缺陷遺傳的可能。該缺陷應(yīng)屬于異物壓入型缺陷，由鋼管內(nèi)壁硬物脫落造成。缺陷與基體接合部位的組織晶粒無異常粗大或流變現(xiàn)象，表明硬物壓入產(chǎn)生于制管加熱以后、組織轉(zhuǎn)變之前，在后續(xù)的酸洗或冷拔變形時，壓入物從鋼管內(nèi)壁剝離，加上鋼管冷拔變形時內(nèi)表面的拉應(yīng)力作用，凹坑缺陷進(jìn)一步變長，從而形成橢圓狀的形貌。而“壓入物”很可能是鋼管高溫變形過程中添加的硼砂潤滑劑結(jié)塊，或是石墨潤滑劑內(nèi)的硬質(zhì)異物，在高溫軋制過程中攆入鋼管內(nèi)壁表層形成缺陷源。作為硬質(zhì)核心，壓入物在受外力和流體腐蝕時，易與鋼管內(nèi)壁或內(nèi)壁淺層分離。Zn、P元素在鋼管磷化酸洗過程中滲入缺陷并留存于底部。因此，通過有針對性地控制制管時潤滑劑硼砂、石墨的質(zhì)量與潤滑工藝，該類缺陷得到了有效控制。

 

3.2 豁口缺陷產(chǎn)生原因

 

     SEM分析結(jié)果顯示，豁口缺陷底部黑色異物的化學(xué)成分主要為Al、Ca、Si、Mn、K、Na、Fe等元素，其中，Zn、P元素為冷拔酸洗磷化液的主要成分，Al、Si、Mn元素為煉鋼添加合金或脫氧劑的主要成分，Na、Ca、Al元素可能來自于冷拔皂化液，Ca、Na、K元素也可能來自于煉鋼的耐火材料保護(hù)渣，Na、K元素還可能來自于機(jī)械加工潤滑液。首先，豁口缺陷出現(xiàn)的位置不固定，沒有規(guī)律可循，可以排除冷拔工藝或工模具方面的原因。其次，豁口缺陷與基體過渡區(qū)域無氧化脫碳，可排除鋼坯原始缺陷的遺傳。而且，如果煉鋼保護(hù)渣卷入鋼中，除了Ca、Na、K元素會被檢測出以外，一般還會伴有一定量的F元素，故可排除Ca、Na、K元素來源于煉鋼耐火材料的情況。Na、Ca、Al元素主要來自于冷拔皂化液，K元素主要來自于機(jī)械加工潤滑液，說明缺陷在熱軋管料中已經(jīng)存在，根據(jù)原料管制造過程中常見的內(nèi)表面缺陷種類和豁口缺陷的形貌，推測缺陷為原料管的小內(nèi)折所導(dǎo)致，穿孔頂頭磨損嚴(yán)重，并且頂穿時過早形成孔腔，小折疊在油缸管內(nèi)壁用刮刀輥鏜時會進(jìn)一步破損，形成豁口狀的缺陷。所以，加強(qiáng)原料管穿孔工序的頂頭表面質(zhì)量控制，是減少豁口缺陷的關(guān)鍵點，同時對管坯的加熱和定心效果也應(yīng)予以適當(dāng)關(guān)注。后續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行管坯加熱規(guī)程，確保管坯加熱質(zhì)量，杜絕不合格頂頭的繼續(xù)使用，使得該類缺陷得以消除。

 

3.3 裂紋缺陷產(chǎn)生原因

 

     油缸管內(nèi)表面的裂紋缺陷呈無規(guī)律分布，裂紋尺寸較短小，線條柔和，尖端無分叉，可以排除鋼管冷拔工模具和冷拔變形應(yīng)力開裂的原因。裂紋兩側(cè)無氧化脫碳特征，排除鋼坯原始裂紋遺傳原因。該缺陷具有典型的折疊特征，而鋼管在穿孔過程中，內(nèi)壁出現(xiàn)內(nèi)折疊缺陷是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因，內(nèi)折缺陷往往會造成產(chǎn)品合格率下降，甚至導(dǎo)致鋼管直接報廢。鋼管內(nèi)折缺陷產(chǎn)生的原因主要有兩類：一類是鋼管的連鑄坯存在夾雜物超標(biāo)的情況，主要包括大型非金屬夾雜物導(dǎo)致的裂紋缺陷和結(jié)晶器保護(hù)渣，特征是裂紋兩側(cè)區(qū)域存在夾雜物聚集；另一類是鋼管制管過程中工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致的內(nèi)折缺陷，主要包括加熱內(nèi)折和孔腔內(nèi)折，由加熱制度不合理、穿孔工藝調(diào)整不當(dāng)造成。文中油缸管裂紋缺陷的兩側(cè)無氧化脫碳，沒有夾雜物存在，可排除第一類內(nèi)折產(chǎn)生的原因。該裂紋缺陷極有可能與芯棒、頂頭表面損傷有關(guān)，在鋼管的熱軋制管過程中產(chǎn)生，經(jīng)過之后的冷拔變形，裂紋兩側(cè)的金屬發(fā)生流變，裂紋的延展方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，組織晶粒被拉長。針對該類缺陷，應(yīng)加強(qiáng)軋管工具的表面質(zhì)量控制，重點包括穿孔機(jī)頂頭、頂桿及附屬機(jī)構(gòu)的狀態(tài)和芯棒表面質(zhì)量的規(guī)范檢查及分級。經(jīng)過驗證，油缸管內(nèi)表面不規(guī)則分布的裂紋缺陷開始大幅減少，并最終得到有效解決。

 

4、 結(jié)論與建議

 

     油缸管內(nèi)表面典型的不規(guī)則缺陷主要包括凹坑缺陷、豁口缺陷和裂紋缺陷3種類型。凹坑缺陷產(chǎn)生的根本原因與原料鋼管制管過程中的硼砂、石墨等潤滑劑的潤滑質(zhì)量太差有關(guān)，建議重視制管時潤滑劑硼砂、石墨的質(zhì)量與潤滑工藝的控制?；砜谌毕菀话闶怯芍乒苓^程中的內(nèi)折疊造成的，生產(chǎn)中要嚴(yán)禁不合格頂頭的超時服役使用。裂紋缺陷的兩側(cè)無氧化脫碳，與制管工模具的表面質(zhì)量不好有關(guān)，可通過穿孔機(jī)頂頭、頂桿及附屬機(jī)構(gòu)的狀態(tài)和芯棒表面質(zhì)量的規(guī)范檢查及分級措施予以預(yù)防。

 

作者：解德剛1，2，王善寶2，趙波1，2，袁琴2，王熙翔2

 

單位：1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室；

 

2.鞍鋼集團(tuán) 鋼鐵研究院

 

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期