魏玉明

（天津冶金集團天材科技發(fā)展有限公司，天津 300308）

0 引言

根據(jù)不銹鋼無縫鋼管的生產(chǎn)工藝特點，管材的主要缺陷有劃痕、裂紋、折疊、翹皮和夾雜等。對于高檔不銹鋼管材，按照有關標準要求需要對管材內(nèi)、外表面逐根進行超聲波探傷。天津某公司生產(chǎn)的不銹鋼無縫鋼管主要是用于航空領域，鑒于航空領域使用的特殊性，必須按照GJB2296A-2005標準要求對管材進行內(nèi)、外壁超聲波探傷檢測，合格后方可交付客戶使用。無縫鋼管的內(nèi)壁缺陷因不能直觀目測檢視，而成為檢測難點，導致生產(chǎn)過程中無法做到有效規(guī)避存在內(nèi)壁缺陷的風險，致使自檢成品的合格率嚴重下降。對該公司近五年航空用不銹鋼管材的超聲探傷數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結果顯示合格率偏低，存在內(nèi)壁缺陷的管材占比高。存在內(nèi)壁缺陷管材因不能滿足GJB2296A-2005要求，處理方式只能為報廢，年經(jīng)濟損失約達數(shù)百萬元。

綜上原因，該公司開展了航空用不銹鋼管內(nèi)壁質(zhì)量缺陷的研究，通過對其內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生原因的分析，確定了管坯原始遺留缺陷、管材軋制加工過程缺陷、管材去油不凈造成的燒結物等為管材內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生的主要原因。本文基于管材內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生的原因，提出了工藝改進措施，并對改進措施的實施效果進行了總結。

1 航空用不銹鋼管材缺陷統(tǒng)計

1.1 超聲波探傷不合格品統(tǒng)計

圖1為該公司2017～2021年期間所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統(tǒng)計結果。由于管材內(nèi)壁缺陷不能直觀檢視，僅能通過剖切等破壞性方法進行驗證，故而將內(nèi)壁缺陷單獨列出。其中管材合格品比例基本維持在60.0～70.0%，因內(nèi)壁缺陷導致的不合格品比例為20.0～30.0%，其它類不合格品比例（包括外壁劃傷、凹坑、尺寸超差、彎曲等缺陷）基本為10.0%以下。由此可見，內(nèi)壁缺陷已成為制約合格率提高的主要因素。

圖1 2017～2021年期間所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統(tǒng)計結果

1.2 管材內(nèi)壁缺陷類型統(tǒng)計

由于超聲波檢測最重要的是對反射體進行定位、定量、定性，此三定是超聲波探傷的基本法則[1]。故對該公司2021～2022年的超聲波探傷內(nèi)壁不合格管材，累計共200組試樣，通過超聲探傷設備精準定位內(nèi)壁缺陷的位置，然后進行管材剖切，并采用掃描電鏡進行檢測。對超聲探傷檢測出的內(nèi)壁缺陷進行統(tǒng)計、分類，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷類型主要分為以下三類：

（1）管坯原始缺陷遺留。此類缺陷代表特征為內(nèi)壁掉肉或起刺。管坯原始缺陷遺留電鏡掃描形貌如圖2所示。

圖2 管坯原始缺陷遺留物形貌

（2）管材軋制加工過程缺陷。此類缺陷代表特征為內(nèi)壁線性劃傷，有明顯的金屬碾壓流動痕跡。管材軋制加工過程缺陷電鏡掃描形貌如圖3所示。

圖3 管材軋制加工過程缺陷形貌

（3）管材去油殘留固溶處理燒結物殘留。此類缺陷代表特征為固溶處理后的內(nèi)壁燒結物，呈不規(guī)則波紋狀。管材去油殘留固溶處理燒結物殘留電鏡掃描形貌如圖4所示。

圖4 管材去油殘留固溶處理燒結物殘留形貌

內(nèi)壁剖切試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如表1所示。其中軋制加工缺陷占比最高，為51%；其次為去油殘留固溶處理后燒結，占比為35%；原始缺陷殘留占比最少，為14%。

表1 內(nèi)壁剖切試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

2 管材內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生原因分析及控制

2.1 原料管坯缺陷殘留

2.1.1 管坯缺陷殘留原因分析

鑄坯在澆鑄過程中會產(chǎn)生成分及組織偏析，軋制后的熱軋管坯可能會呈現(xiàn)嚴重的帶狀組織。另外鋼中會存在非金屬夾雜，它是鋼中的鐵及其他合金元素與O、S、N等非金屬元素形成的化合物，當管坯的非金屬夾雜物含量太高，特別是呈簇狀分布而形成大型夾雜物后，由于該部分已失去金屬特性，與鋼基體無聯(lián)系，在加工過程中容易產(chǎn)生脫落、開裂。

從冶煉技術本身出發(fā)，控制好冶煉過程中各個參數(shù)，降低待軋制管坯中的冶金缺陷率，消除或減少各類夾雜物、元素偏析，是從源頭上解決問題的方法。

2.1.2 管坯缺陷殘留控制

不銹鋼無縫管材成品的加工以“冷拔+冷軋”相結合，配以合理的熱處理工藝進行，生產(chǎn)過程中雖會消除部分存在于管材表面的開放性缺陷，如底部平滑的凹坑等，但效果有限。為了實現(xiàn)最終成品零缺陷的目標，需要對所用原料管坯質(zhì)量加以控制，對其進行同等標準的超聲探傷檢測，確保按接近成品的標準控制管坯質(zhì)量，保證投入原料探傷合格率可達到100%，以規(guī)避掉管坯原始缺陷，避免遺傳到后道工序，同時防止其與后道加工工序的缺陷產(chǎn)生混淆，導致無法正確判斷缺陷是遺傳自原料還是加工過程產(chǎn)生。

在控制原料管坯質(zhì)量的基礎上，對規(guī)格為采用“一軋一退”工藝出成品的管材按照原工藝進行試軋，成品管材超聲探傷合格率可以達到90%，證明管坯原料確保超聲探傷合格，確實會有助于管材成品超聲探傷合格率的提高。

選取2016年2月～2018年7月本院收治的急性心肌梗死患者80例作為研究對象，根據(jù)確診時間先后將其分為兩組，各40例。其中，女34例、男46例，年齡40～75歲，平均年齡（62.15±6.52）歲。兩組患者經(jīng)血管內(nèi)超聲檢查、冠狀動脈造影均符合急性心肌梗死臨床診斷標準；排除惡性腫瘤、藥物過敏反應、臟器功能不全者[2] 。所有患者在癥狀表現(xiàn)、病因、病程等一般資料上比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2.2 管材軋制加工缺陷

由于管材加工過程中內(nèi)壁缺陷的產(chǎn)生多為接觸性的缺陷，并且管材在軋制開始前均為固溶狀態(tài)，硬度在HV170以下，加工過程中在壓應力的作用下，工藝件或異物等不確定性因素很容易對管材表面產(chǎn)生損傷。通過對該公司生產(chǎn)過程的長期跟蹤、分析，匯總出以下五個方面因素，并提出了相應的解決方法：

2.2.1 軋制芯棒末端的棱角對內(nèi)壁產(chǎn)生壓傷

原有的芯棒因兩端的機加工痕跡未完全去除，芯棒前端面與芯棒中心線垂直，周圈存在尖銳棱角。當芯棒向后撤，致使芯棒的前端處于孔型預精整部分時，芯棒的尖銳端面就會在管子的內(nèi)表面壓出一些環(huán)形的壓痕[2]。

解決方法：將芯棒前端倒角，使芯棒前端為光滑球面，將點、線接觸形式優(yōu)化為面接觸，從而消除芯棒前端對管材內(nèi)壁的損傷。

2.2.2 連桿的表面缺陷造成內(nèi)壁劃傷

因連桿大多為自制，且不具備有效的表面處理手段，導致連桿外表面缺陷偏多。軋制過程中，連桿在管材內(nèi)孔中會產(chǎn)生彎曲變形，送進過程中會與管材內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，連桿表面脫落的金屬碎屑會進一步加重對管材內(nèi)壁的損傷。

解決方法：將現(xiàn)有所有連桿更換為Ra≤0.5μm的光棒，同時將連桿的連接方式由焊接改為螺紋連接，目的為了減少連接的焊點數(shù)量。同時，每次使用前進行外壁拋光，消除連桿的表面缺陷及附著的金屬碎屑等，避免對管材內(nèi)壁的劃傷。

2.2.3 軋制油的潤滑充分性對內(nèi)壁質(zhì)量的影響

軋制過程因金屬變形流動會嚴重發(fā)熱，需要采用潤滑油進行充分冷卻。原有的軋制油潤滑形式為連桿涂抹潤滑油或來料內(nèi)孔灌油，但這兩種方式均存在內(nèi)壁油膜不充分的問題，軋制過程中管材內(nèi)壁可能會與芯棒發(fā)生粘連，形成內(nèi)壁缺陷。

解決方法：在軋機上料端加裝浸泡油槽，同時輔以循環(huán)裝置，保證管材的充分潤滑。通過控制浸泡時間、上料長度、上料支數(shù)等細節(jié)，軋制油潤滑充分性可得到完美解決。此外需要注意軋制油的清潔性，因為在長期的循環(huán)使用過程中，潤滑油中不可避免會存在許多金屬屑，潤滑油管路上也會附著金屬屑，在軋制過程中會壓入到管材表面形成壓坑。因此保證潤滑油充分浸潤的同時，需保證潤滑油的清潔、干凈，定期清理油內(nèi)摻雜物。

2.2.4 上道次端口毛刺、內(nèi)壁雜質(zhì)等造成內(nèi)壁嚴重損傷

軋機來料一般是截切磨頭狀態(tài)，原有處理方式為砂輪片切割后磨頭處理，砂輪切割粉塵嚴重，切斷后砂輪屑顆粒會進入鋼管內(nèi)表面。同時，在切頭尾時，個別鋼管切斷部位的細小毛刺也可能由于操作問題，未清除干凈而殘留在管材端部，嚴重影響內(nèi)壁質(zhì)量。

解決方法：采用合金刀片切割加倒角方式。其一，消除切割過程中產(chǎn)生的粉塵、碎屑，其二，倒角為車削加工，端面呈光滑的梯形端面，可以滿足防止碎屑帶入的要求，從而保證每支管的軋制過程中不會帶入或再產(chǎn)生金屬碎屑，避免產(chǎn)生內(nèi)壁壓坑或劃傷。

2.2.5 工藝參數(shù)的設置影響內(nèi)壁質(zhì)量

軋制時要嚴格控制送進量、軋制車速、變形量等參數(shù)。管材軋制過程中，管材的變形主要沿軋制方向發(fā)生縱向變形，但這種延伸變形在管坯工作錐的橫截面方向分布是不均勻的。對于加工硬化快的材料，應適當降低軋制車速并控制合理的送進量，確保管坯軋制過程中單位面積的受力最小。送進量一般可按照精整長度來確認：

式中：m為送進量，mm；L1為孔型精整段長度，mm，λ∑為軋制總延伸系率，%；K為系數(shù)，一般取2～2.5。計算出的送進量m值，需根據(jù)現(xiàn)場具體情況進行調(diào)整[3]。

2.3 管材去油殘留在后續(xù)固溶處理時燒結

由于該公司成品管材最后一道次冷加工均為冷軋，在進行固溶處理前需進行去油處理，并用去離子水沖洗管材內(nèi)外壁，完全去除管材內(nèi)外表面的軋制油后方可轉(zhuǎn)入固溶處理工序。但目前管材內(nèi)孔直徑為φ8mm以下，直徑過小，在去離子水沖洗過程中，管材表面剝離的油脂、去油劑均不能保證完全去除干凈，待管材干燥后殘存的油脂顆粒會存在于管材表面。管材在隨后的固溶處理過程中，經(jīng)過1000℃左右高溫加熱后，殘存的油脂顆粒會發(fā)生碳化，附著于管材內(nèi)壁形成附著物。對某規(guī)格的0Cr18Ni9管材內(nèi)壁附著物能譜分析結果如圖5所示。由圖5可以看出，該部分C、O元素含量遠高于基體含量，在成品超聲波探傷檢測過程中，可以被檢測識別為缺陷，導致管材合格率下降。

圖5 某規(guī)格的0Cr18Ni9管材內(nèi)壁附著物能譜分析結果

此問題通過進行去油設備升級改造，采用合理的工裝卡具以及電控系統(tǒng)配合，延長單支管材的沖洗時間至10min，并在沖洗后及時采用熱風烘干方式可以解決。

3 改進效果

采用以上各項改進措施后，該公司2022年1～5月所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統(tǒng)計結果如圖6所示。由圖6可以看出，合格品比例已提升至85%以上，由內(nèi)壁缺陷導致的不合格品比例已降至10%以下，質(zhì)量提升效果顯著。

圖6 2022年1～5月所有航空用不銹鋼管材一次探傷合格率統(tǒng)計結果

4 結語

借助超聲波探傷、掃描電鏡和能譜分析等手段，對天津某公司生產(chǎn)的航空用不銹鋼管材內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生的原因進行了研究，通過分析該公司200組超聲波探傷內(nèi)壁不合格試樣的檢測結果，最終確定了管坯原始遺留缺陷、管材軋制加工過程缺陷、管材去油不凈造成的燒結物等為管材內(nèi)壁缺陷產(chǎn)生的主要原因，據(jù)此提出了工藝改進措施。

在控制原料管坯質(zhì)量的基礎上，制定了改進軋制芯棒端部形狀、改善連桿表面光潔度、優(yōu)化軋制油潤滑方式、改變端口毛刺去除工藝、升級成品管去油設備以及設置合理的軋制工藝參數(shù)等一系列工藝措施。上述工藝措施實施后，改善了管材內(nèi)壁質(zhì)量，降低了管材由于內(nèi)壁缺陷造成的不合格品率，管材合格品比例由60.0～70.0%提升至85%以上，由內(nèi)壁缺陷導致的不合格品比例由20.0～30.0%已降至10%以下。