20鋼管套圈表面起泡原因分析

黃莉 宋錦柱

【摘 要】采用直讀光譜分析、金相分析、掃描電子顯微分析等方法，對20鋼管不同起泡部位成分、金相組織、微觀形貌進行了分析，討論了鋼管起泡的原因。結果表明：因熱處理不當（包括加熱溫度偏高，或高溫停留時間太長等）使低熔點相在高溫奧氏體晶界偏聚，并形成過熱組織，是導致20鋼管起泡的主要原因。

【關鍵詞】20鋼管 起泡 過熱

某鋼管廠生產的20鋼管在車加工后出現內外表面起泡現象，為找出事故原因，避免類似情況發生，對鋼管起泡原因進行了分析。

1 樣品及背景情況介紹

樣品數量2只，見圖1；圖1為待分析鋼管樣品宏觀照片及金相鑲嵌試樣照片。鋼管牌號為20，鋼管規格：Φ50.8×9 mm鋼管生產工藝：由坯料Φ75mm管坯，經穿孔（溫度：1180-1220℃），冷拔成Φ50.8×9的鋼管，成品去應力退火后，在車加工后出現內外表面起泡現象。圖2和圖3分別為鋼管內壁、外壁起泡宏觀照片。

圖1 鋼管樣品宏觀照片及金相鑲嵌試樣照片 圖2 表面有鍍層樣品內壁氣泡的宏觀形貌

圖3 表面無鍍層樣品外壁起泡的宏觀形貌

2 分析方式、取樣位置及檢測方法

分析方式、取樣位置及檢測方法見表1。

表1 分析方式、取樣位置及檢測方法

序號 分析方式 取樣位置 試驗方法

1 直讀光譜成分分析 表面有鍍層和表面無鍍層的鋼管各切取1塊。 GB/T4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發射光譜分析方法》

2 宏觀分析 見圖1。 肉眼或放大鏡

3 高倍組織 見圖2、圖3，內壁起泡處，外壁起泡處各1。 GB/T13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》等

4 微觀分析 見圖2，內壁起泡處 JB/T6842-1993《掃描電子顯微鏡試驗方法》

3 試驗過程及結果

3.1 直讀光譜成分分析結果見表2

表2 鋼管直讀光譜成分分析結果 單位：%

元素 表面有鍍層 表面無鍍層 備注

C 0.25～0.50 0.24～0.50 先靠近樣品外表面激發，最高碳含量均為0.50%，隨著磨削量增加，碳含量逐步下降，最低檢測值分別為0.24%和0.25%。

Si 0.28 0.27 -

Mn 0.46 0.46 -

P 0.014 0.010 -

S 0.003 0.004 -

Cr 0.02 0.03 -

Ni 0.01 0.01 -

Cu 0.03 0.04 -

表2中為直讀光譜成分分析結果，可以看出表面有鍍層和無鍍層的樣品呈現同樣特征，從外壁到樣品壁厚中部，C元素的含量逐漸下降，從0.50%降至0.25%左右，而20鋼的C含量應在0.20%左右，明顯不符合20鋼的要求。其它元素成分則不隨磨削量增加而改變。

3.2 金相分析

圖4和圖5是表面有鍍層樣品內壁表面一個起泡的顯微金相分析照片。由內壁起泡完全沿晶界（高溫奧氏體晶界）分離，晶界表現出明顯的弱化跡象。圖6和圖7是表面無鍍層樣品外壁表面一個起泡的顯微金相分析照片。外壁出現的起泡與內壁的起泡一樣，也是完全沿晶界（高溫奧氏體晶界）分離的，其晶界也表現出明顯的弱化跡象。

圖4 內壁一個起泡的顯微金相分析照片 圖5 圖4的局部放大照片

圖6 外壁表面一個起泡的顯微金相分析照片 圖7 圖6的局部放大照片

圖8（a-f）為兩個樣品橫截面，外壁、中部、內壁位置顯微金相分析照片，可以看出，晶粒不均勻，部分晶粒已經長大，存在魏氏組織。中部組織中鐵素體含量較高，呈網狀分布。而靠近內壁、外壁位置則不存在鐵素體組織，這也印證了成分分析中C含量分布的檢測結果。

a有鍍層樣品-內壁 d無鍍層樣品-內壁

b 有鍍層樣品-中部 e無鍍層樣品-中部

c 有鍍層樣品-外壁 f 無鍍層樣品-外壁

圖8 兩個樣品橫截面顯微金相分析照片

3.3 掃描電鏡分析

圖9（a-d）是表面有鍍層樣品內壁表面一個起泡的掃描電鏡分析照片。清晰可見起泡的兩端部（A處、C處）出現沿晶“液化”分離，從B處放大形貌可看出起泡的中部為沿晶分離，在掃描電鏡下發現管件的顯微組織中存在過熱組織。

a 全貌 b A處放大形貌

c B處放大形貌 d C處放大形貌

圖9 內壁一個起泡的掃描電鏡分析照片

4 分析說明

（1）20#鋼管的內外壁起泡是完全沿晶界的，而且是沿著高溫奧氏體晶界發展的。（2）碳鋼材料高溫奧氏體晶界的弱化，通常與不當熱處理有關，包括加熱溫度偏高，或高溫停留時間太長等都會引起低熔點相在高溫奧氏體晶界的偏聚，而使晶界弱化。（3）從成分分析和金相分析結果看出，鋼管的內、外壁存在滲碳現象。（4）在掃描電鏡及金相顯微鏡下（觀察）發現鋼管材料存在過熱顯微組織，進一步證實材料的熱處理出現問題。

5 結語

綜上所述，因熱處理不當（包括加熱溫度偏高，或高溫停留時間太長等）使低熔點相在高溫奧氏體晶界偏聚，并形成過熱組織，是導致20鋼管起泡的主要原因。

參考文獻：

[1] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京：機械工業出版社，2006：317.

[2] 屠海令.金屬材料理化測試全書[M].北京：化學工業出版社，2007：35.