UNS N08810 无缝钢管冷胀（拉拔）开裂的原因分析与控制

耐腐蚀合金 UNS N08810 具有面心立方晶格结构。 其中，Ni 约占 30%，Cr、Al 和 Ti 约占 20%，约占总数的 1%。 极低的碳含量和增加的 Ti：C 比提高了结构稳定性、抗敏化性和抗晶间腐蚀能力。 高镍含量在水腐蚀条件下具有出色的抗应力腐蚀开裂能力。 由于其铬含量高，具有较好的抗点腐蚀和缝隙腐蚀开裂能力，广泛用于换热器、汽轮机、石油和天然气管道等。 它是 XNUMX 种使用最广泛的耐腐蚀合金类型之一。 钢。

这种 UNS N08810 无缝钢管加工技术是在冷轧（拉拔）之前挤压和打开坯料。 该钢种的挤压和冷轧工艺非常成熟，产品的质量和性能始终稳定。 但随着市场的深入，Φ342mm×16mm、Φ123mm×13mm等非标组距管等规格需要挤出和冷扩才能生产成品。 但在生产过程中，冷胀直径为4-9mm，冷胀后管材外表面会出现严重的鱼鳞状开口裂纹。 UNS N08810 无缝钢管冷胀后，加工工艺优化，实现批量生产。

目录

1、冷胀外径加工路线及主要加工参数

2. 冷膨胀裂纹的原因及分析2.1 裂纹形态和金相结构2.2 扫描电子显微镜对裂纹位置进行能谱分析2.3 冷胀裂纹产生的原因分析2.3.1 晶粒尺寸对开裂的影响2.3.2 沉淀物与裂纹的关系

3. 优化工艺以减小颗粒尺寸

4. 结论

1、冷胀外径加工路线及主要加工参数

中间产品规格 Φ114.3mm×13.49mm、固溶矫直→ →矫直平头→酸洗→研磨→探伤→润滑→冷胀（Φ123 mm×13 mm）、→固溶→矫直→酸洗、发白。 黄油石灰用于润滑。 黄油与酸橙的比例为 1：3，酸橙与水的比例为 1：10。 使用 HNO 进行酸洗3+HF 溶液，HNO 浓度 16%3 HF 中为 4%。 冷拔机为T200.1型冷拔机，冷拔速度为0米/分钟，液压传动运行稳定。 中间产品的固溶温度应参照ASTM B407-2014《固溶体标准规范》。 镍铁铬合金无缝钢管“，设定至（1150±10）°C，保温20分钟，然后强制水冷。 UNS N08810 管坯的化学成分符合 ASTMB407-2014 标准的相应要求，如表 1 所示。

表 1 UNS N08810 合金钢管的化学成分（质量分数）%

C

四

锰

P

S

铬

0.06

0.45

0.92

0.016

0.001

19.8

镍

铝

钛

铁

N

铜

30.15

0.23

0.33

47.81

0.014

0.03

2. 冷膨胀裂纹的原因及分析

2.1 裂纹形态和金相结构

如果观察冷扩后管材的宏观形貌，可以看出冷扩后管材表面有严重的鱼鳞状开裂，裂纹长5-50毫米，沿纵向扩展。 UNS N08810 对裂纹的位置进行了取样，以了解冷膨胀裂纹的原因和裂纹的微观结构。 切出小至 20 mm × 25 mm 的样品，观察酸浸后的微观结构、裂纹位置和形貌。 管道的金相形态如图 1 所示。 从图 1 可以看出，粒度和分布并不均匀，有 3.5 级（约 600 μm）的超大晶粒，粗晶粒周围有细晶粒。 粒度差异超过5级，平均粒度为2.5~3.0，导致晶体混合异常。 图 2 显示了管道沉淀相的形态。 可以看出，在细粒度区域存在许多圆形、三角形和多边形的降水相位。

2.2 扫描电子显微镜对裂纹位置进行能谱分析

在典型的裂纹位置采集样品，并使用扫描电子显微镜 （SEM） 观察腐蚀后样品的形态。 裂纹的形态如图 3 所示。 从图 3 中可以观察到，裂纹沿晶界开裂，在外力作用下有效扩展，裂纹相交互连。 图 4 显示了裂纹的内部状态，图 5 显示了块状材料的 X 射线能谱分析。 在图的位置 1 中，有各种形状的灰白色块，例如三角形和矩形。 5. 漂浮在基板上，并遵循晶界方向。 颗粒内部也有灰白色的多边形块，一些沉淀物聚集在细长的条带中。 为了进一步了解这种亮白色块状物质的组成，选择了材料的一个集中区域进行 X 射线能谱分析。 结果发现，该物质的主要成分是TiC，Ti含量为42.15%，C含量为39.58%，并且含有少量的Cr和Fe元素。 文献表明，Ti 的碳化物主要由位错析出，其生长主要受 Ti 在奥氏体中的扩散速率控制。 当Ti含量超过0.04%时，Ti在低温奥氏体区、奥氏体和铁素体的两相区以及铁素体区扩散析出，可显著提高材料的强度。 在文献中，已经研究了 TiC 对钢屈服强度的贡献。 当 Ti 含量为 0.045%~0.130% 时，TiC 对钢屈服强度的贡献与合适的热处理工艺相结合达到 100~250MPa。

图 1 毛坯管的金相形态

图 2 管坯析出相形态

图 3 裂纹形态

图 4 裂纹的内部情况

图 5 块状材料的 X 射线能谱分析

2.3 冷胀裂纹产生的原因分析

2.3.1 晶粒尺寸对开裂的影响

金属的粒度对其许多特性有重大影响。 颗粒尺寸的影响是晶界区域尺寸的影响。 粒度越小、越均匀，晶界面积就越大，对金属性能的影响就越大。 至于金属在室温下的机械性能，粒径越小、越均匀，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。

UNS N08810 管坯经高温短时固溶后的平均粒径为 2.5 级，级差大于 5 级。 管坯表现出严重的晶粒不均匀性，尤其是小晶粒粘附在超大晶粒周边的混合晶粒现象，在一定程度上降低了钢的力学性能。 这是因为颗粒是均匀的，塑性变形可以分散成更多的颗粒，从而导致更均匀的塑性变形和更小的内应力集中。 此外，随着颗粒变得更加均匀和细小，将有更多的晶粒界面，晶界将更加曲折。 颗粒之间纠缠的机会越多，发生裂纹扩展和进展的可能性就越小，裂纹就越紧密，从而产生更大的强度和韧性。 相反，当粗颗粒和细颗粒共存时，晶粒界面大大减少，晶界变平，晶粒之间纠缠的机会大大减少，导致钢的力学性能显着下降。 在实际制造中，钢管在大载荷下会发生较大的塑性变形。 由于外力通过内模传递到钢管上，因此与内模接触的内层金属的流动较快，而外层金属的流动较慢。 这种冷膨胀方法产生较大的晶格应变，导致晶格能增加，金属内能增加，残余内应力增大。 当外层金属晶界的晶格应变超过晶界处的应力时，晶界被撕裂，并在外力的作用下继续膨胀。 这是冷膨胀开裂的主要原因。

2.3.2 沉淀物与裂纹的关系

图 5 中沉淀相的化学成分如表 2 所示。 如图 5 和表 2 所示，多边形析出物富含 42.15% 的 Ti 和 35.98% 的 C。 这 XNUMX 种元素结合形成 TiC。 一种常见的镍基合金 MC 型化合物。

表 2 光谱图 1 沉淀相的化学成分（质量分数）%

C

四

钛

铬

锰

铁

镍

39.58

0.4

42.15

3.59

0.81

8

5.47

使用 Thermo Cal 软件计算 UNS N08810 每个沉淀阶段的平衡固溶沉淀定律。 N08810 合金的 TiC（MC 相）在加热到 800 °C 时开始溶解，仅在 1220 °C 时完全溶解。 据认为，一些 TiC 在固溶过程中没有完全溶解，而是在晶界附近沉淀并保持在室温下。

研究表明，TiC 是一个脆性相。 当在晶界处形成大尺寸 TiC 薄膜时，由于这些相在晶界处的密集分布，晶粒通常被一层脆性薄膜包围。 薄膜成为裂纹扩展的低能通道，裂纹沿其晶界快速扩展，在宏观上可以表现为晶界裂纹。 晶粒内部的 TiC 析出物对裂纹扩展的影响很小。 由于 UNS N08810 合金的 Ti 含量高，晶界大量 TiC 的析出会导致晶界处的 Ti 富集和 Ti 在晶界的缺乏，这将大大降低合金的塑性。 因此，在应力下，裂纹源很可能沿着晶界出现，裂纹产生的趋势增加。

3. 优化工艺以减小颗粒尺寸

它结合了冷作和热处理工艺，采用大变形冷轧和冷固溶处理多道次，通过受控轧制和冷却技术达到精炼晶粒的目标。 首先，工艺设计应使用 50 道以上的冷轧道次，并将变形控制在 60%~1010% 以内。 粗晶粒经过大变形的冷轧后，沿轧制方向拉长或粉碎，形成带状或纤维状结构。 二是采用1050-5°C低温短时固溶处理，通过最大喷水强制水冷停止回收和再结晶过程中的晶粒生长。 将粒径控制在 133 级以上，以获得均匀小型化的微结构颗粒。 实验设计是将 Φ 13.49mm × 108mm 轧制至 Φ 8mm × 76mm，然后进一步轧制至 Φ 5mm × 83mm，然后展开至 Φ 5mm × XNUMXmm。 在实际实验中，经过 XNUMX 道次冷轧、固溶处理后，微观组织的粒度可以达到 5 级。 低温固溶体后的粒径如图 6 所示，随后× Φ83mm 扩大到 5mm，但没有发生开裂。 膨胀的表面是一根形状如图 7 所示的钢管，正在批量生产。

图 6 低温固溶后晶粒尺寸示意图

图 7 钢管扩管后表面示意图及绘图

4. 结论

（1）UNS N08810挤压管的显微组织粒度差大，混合异常，降低了合金的强度、塑性和韧性。 当外金属边界的晶格应变超过晶界应力时，晶界撕裂，这是冷膨胀开裂的主要原因。

（2）UNS N08810合金管的Ti含量相对较高，脆性TiC颗粒在晶界附近析出，为裂纹扩展提供了低能通道，易于裂纹扩展，增加了裂纹发展的趋势。

（3）采用多道次大变形冷轧变形及控制热处理工艺和冷却方法，有效将晶粒尺寸减小到5级以上，减少伸长开裂和拉拔开裂的发生。