集滤器管破损分析及工艺改进

张怀青，韩常德，李淞，董国胜，宗先富

潍柴重机股份有限公司 山东潍坊 262737

1 序言

某单位生产的集滤器管形状如图1所示，由两部分组成，A部分为扩孔端，B部分为联接端。所用原材料是φ45mm×2mm的10号无缝钢管，工艺流程：冷拔钢管退火→下料→加工→抛丸→扩孔。在进行最后扩孔工序时出现破损，破损率较高，严重时超过50%，与技术要求的≤5%相差甚远。解决破损率较高这一难题，具有重要的现实意义。

图1 集滤器管形状

2 试验方法

采用OBLF直读光谱仪对破损集滤器管进行化学成分分析；用手动便携式切割机截取试样，并将试样镶嵌、研磨、抛光后，用4%硝酸酒精进行浸蚀；用OLYMPUS GX51奥林巴斯金相显微镜检验金相组织；用THB-3000电子布氏硬度计检验硬度。

3 试验结果与分析

3.1 化学成分分析

用直读光谱仪对集滤器管进行化学成分分析，结果见表1。符合《GB/T 699—2015优质碳素结构钢》标准要求。

3.2 宏观观察

从图2所示的集滤器管裂口宏观形态照片中可以看出，集滤器管扩孔端（A部分）边缘有一处或多处裂口，有的裂口由外向内继续扩展至管子底部；破裂端面凹凸、弯曲不平整，与集滤器管扩孔主应力约呈45°；裂口呈暗灰色、纤维状，似为撕裂的断口，从断口观察，属明显的韧性断裂。

图2 集滤器管裂口宏观形态

表1 集滤器管化学成分（质量分数） （%）

3.3 金相检验

观察未破裂端集滤器管联接端（B部分）的金相组织，如图3所示。从图3a中可以看出，显微组织无可见变化，只是晶体中的缺陷密度和它们的分布发生了改变，铁素体晶粒仍然是沿冷拔方向而变形，呈长条状分布，且铁素体内有少量的黑色条状滑移线；分布于铁素体晶界处的珠光体也呈长条状；如果再继续增加变形量，钢管极易发生破裂[1]。由于没有生成无畸变的再结晶等轴状晶粒代替原来的变形晶粒，说明无缝钢管冷作硬化后的热处理再结晶过程未完全进行，即再结晶退火效果欠佳[2]。因此，需要对退火工艺进行优化改进。

图3 破裂的集滤器管金相组织（200×）

从图3b中可以看出，在变形的铁素体晶粒基体上，局部有许多顺着变形方向分布的细小颗粒状三次渗碳体，有的沿晶界析出并呈链状分布。这种聚集分布形态的三次渗碳体，破坏金属基体的连续性，降低钢管的冲压性能，易使钢管在扩孔时沿着它的分布方向开裂[1]，因而，集滤器管在扩孔时出现破裂。

3.4 硬度检验

检查集滤器管原材料退火前后和破裂集滤器管扩孔端（A部分）、联接端（B部分）表面硬度，结果见表2。集滤器管原料和集滤器管扩孔端硬度分别为196HBW、192HBW和160HBW、158HBW，硬度相对较高，是由于无缝钢管在冷拔和集滤器管扩孔的过程中，产生了加工硬化现象，且前者硬化效果更显著。而集滤器管原料退火后硬度为128HBW、132HBW，硬度降低，则是由于退火后，材料的弹性畸变能下降，晶粒之间相互牵制的作用减弱，微观内应力降低，组织趋于稳定，各种力学性能得到一定程度恢复的缘故[1]。破裂集滤器管联接端B部分同样为退火状态，硬度为132HBW、126HBW，与原料退火后的硬度趋于一致，表明退火后，晶粒得到了一定程度的恢复。

表2 集滤器管表面硬度

4 工艺分析及改进

φ45mm×2mm的10号无缝钢管退火是在辊底式连续炉中进行的，三区加热温度分别为780℃、800℃、760℃，进炉至出炉时间约20min。由于无缝钢管密布在炉底部，受热均匀性差，运行时间较短，再结晶退火后的效果不能满足使用要求[3]。为了彻底消除加工硬化现象，根据参考文献[4]，一般金属材料的最低再结晶温度T再与其熔点T熔之间的近似对应关系T再≈0.4T熔（K）及预防晶粒长大等因素，将工艺改进为：分别降低三区加热温度至700℃、680℃、680℃，增加进炉至出炉时间为约50min。

5 工艺验证

应用改进后的工艺参数进行退火，检验退火后无缝钢管的硬度为120HBW、124HBW，较前述的退火前硬度196HBW、192HBW明显下降，数值达72HBW；金相组织如图4所示，铁素体晶粒通过形核、长大，由退火前的长条状改变为等轴状；生产的600支无缝钢管，下料7825件集滤器管，扩孔破裂141件，破损率为1.8%，完全满足≤5%的技术要求。

图4 工艺改进后钢管退火前后金相组织（200×）

6 结束语

1）集滤器管扩孔破损主要原因是原材料钢管退火加热保温时间短，晶粒未完全进行再结晶。

2）通过优化退火工艺，降低加热温度、延长保温时间，有效地解决了集滤器管扩孔破损率较高的问题。