20钢管套圈表面起泡原因分析

黄莉 宋锦柱

【摘 要】采用直读光谱分析、金相分析、扫描电子显微分析等方法，对20钢管不同起泡部位成分、金相组织、微观形貌进行了分析，讨论了钢管起泡的原因。结果表明：因热处理不当（包括加热温度偏高，或高温停留时间太长等）使低熔点相在高温奥氏体晶界偏聚，并形成过热组织，是导致20钢管起泡的主要原因。

【关键词】20钢管 起泡 过热

某钢管厂生产的20钢管在车加工后出现内外表面起泡现象，为找出事故原因，避免类似情况发生，对钢管起泡原因进行了分析。

1 样品及背景情况介绍

样品数量2只，见图1；图1为待分析钢管样品宏观照片及金相镶嵌试样照片。钢管牌号为20，钢管规格：Φ50.8×9 mm钢管生产工艺：由坯料Φ75mm管坯，经穿孔（温度：1180-1220℃），冷拔成Φ50.8×9的钢管，成品去应力退火后，在车加工后出现内外表面起泡现象。图2和图3分别为钢管内壁、外壁起泡宏观照片。

图1 钢管样品宏观照片及金相镶嵌试样照片 图2 表面有镀层样品内壁气泡的宏观形貌

图3 表面无镀层样品外壁起泡的宏观形貌

2 分析方式、取样位置及检测方法

分析方式、取样位置及检测方法见表1。

表1 分析方式、取样位置及检测方法

序号 分析方式 取样位置 试验方法

1 直读光谱成分分析 表面有镀层和表面无镀层的钢管各切取1块。 GB/T4336-2002《碳素钢和中低合金钢 火花源原子发射光谱分析方法》

2 宏观分析 见图1。 肉眼或放大镜

3 高倍组织 见图2、图3，内壁起泡处，外壁起泡处各1。 GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》等

4 微观分析 见图2，内壁起泡处 JB/T6842-1993《扫描电子显微镜试验方法》

3 试验过程及结果

3.1 直读光谱成分分析结果见表2

表2 钢管直读光谱成分分析结果 单位：%

元素 表面有镀层 表面无镀层 备注

C 0.25～0.50 0.24～0.50 先靠近样品外表面激发，最高碳含量均为0.50%，随着磨削量增加，碳含量逐步下降，最低检测值分别为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中为直读光谱成分分析结果，可以看出表面有镀层和无镀层的样品呈现同样特征，从外壁到样品壁厚中部，C元素的含量逐渐下降，从0.50%降至0.25%左右，而20钢的C含量应在0.20%左右，明显不符合20钢的要求。其它元素成分则不随磨削量增加而改变。

3.2 金相分析

图4和图5是表面有镀层样品内壁表面一个起泡的显微金相分析照片。由内壁起泡完全沿晶界（高温奥氏体晶界）分离，晶界表现出明显的弱化迹象。图6和图7是表面无镀层样品外壁表面一个起泡的显微金相分析照片。外壁出现的起泡与内壁的起泡一样，也是完全沿晶界（高温奥氏体晶界）分离的，其晶界也表现出明显的弱化迹象。

图4 内壁一个起泡的显微金相分析照片 图5 图4的局部放大照片

图6 外壁表面一个起泡的显微金相分析照片 图7 图6的局部放大照片

图8（a-f）为两个样品横截面，外壁、中部、内壁位置显微金相分析照片，可以看出，晶粒不均匀，部分晶粒已经长大，存在魏氏组织。中部组织中铁素体含量较高，呈网状分布。而靠近内壁、外壁位置则不存在铁素体组织，这也印证了成分分析中C含量分布的检测结果。

a有镀层样品-内壁 d无镀层样品-内壁

b 有镀层样品-中部 e无镀层样品-中部

c 有镀层样品-外壁 f 无镀层样品-外壁

图8 两个样品横截面显微金相分析照片

3.3 扫描电镜分析

图9（a-d）是表面有镀层样品内壁表面一个起泡的扫描电镜分析照片。清晰可见起泡的两端部（A处、C处）出现沿晶“液化”分离，从B处放大形貌可看出起泡的中部为沿晶分离，在扫描电镜下发现管件的显微组织中存在过热组织。

a 全貌 b A处放大形貌

c B处放大形貌 d C处放大形貌

图9 内壁一个起泡的扫描电镜分析照片

4 分析说明

（1）20#钢管的内外壁起泡是完全沿晶界的，而且是沿着高温奥氏体晶界发展的。（2）碳钢材料高温奥氏体晶界的弱化，通常与不当热处理有关，包括加热温度偏高，或高温停留时间太长等都会引起低熔点相在高温奥氏体晶界的偏聚，而使晶界弱化。（3）从成分分析和金相分析结果看出，钢管的内、外壁存在渗碳现象。（4）在扫描电镜及金相显微镜下（观察）发现钢管材料存在过热显微组织，进一步证实材料的热处理出现问题。

5 结语

综上所述，因热处理不当（包括加热温度偏高，或高温停留时间太长等）使低熔点相在高温奥氏体晶界偏聚，并形成过热组织，是导致20钢管起泡的主要原因。

参考文献：

[1] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006：317.

[2] 屠海令.金属材料理化测试全书[M].北京：化学工业出版社，2007：35.