20# bešavne čelične cijevi je vrsta materijala navedena u GB3087-2008 "Bešavne čelične cijevi za kotlove niskog i srednjeg tlaka". To je visokokvalitetna bešavna čelična cijev od ugljičnog konstrukcijskog čelika prikladna za proizvodnju raznih niskotlačnih i srednjetlačnih kotlova. To je uobičajeni materijal za čelične cijevi velikog volumena. Kada je proizvođač kotlovske opreme proizvodio kolektor niskotemperaturnog grijača, otkriveno je da postoje ozbiljne poprečne pukotine na unutarnjoj površini desetaka spojeva cijevi. Materijal spoja cijevi bio je čelik 20 sa specifikacijom Φ57mm×5mm. Pregledali smo napuknutu čeličnu cijev i proveli niz testova kako bismo reproducirali nedostatak i otkrili uzrok poprečne pukotine.

1. Analiza značajki pukotina
Morfologija pukotine: Može se vidjeti da postoji mnogo poprečnih pukotina raspoređenih duž uzdužnog smjera čelične cijevi. Pukotine su uredno raspoređene. Svaka pukotina ima valovito obilježje, s blagim otklonom u uzdužnom smjeru i bez uzdužnih ogrebotina. Između pukotine i površine čelične cijevi postoji određeni kut otklona i određena širina. Na rubu pukotine postoje oksidi i dekarburizacija. Dno je tupo i nema znakova proširenja. Struktura matrice je normalni ferit + perlit, koji je raspoređen u traci i ima veličinu zrna 8. Uzrok pukotine povezan je s trenjem između unutarnje stijenke čelične cijevi i unutarnjeg kalupa tijekom proizvodnje čelična cijev.

Prema makroskopskim i mikroskopskim morfološkim karakteristikama pukotine može se zaključiti da je pukotina nastala prije završne toplinske obrade čelične cijevi. Čelična cijev koristi gredicu okrugle cijevi Φ90 mm. Glavni procesi oblikovanja kojima prolazi su vruća perforacija, vruće valjanje i smanjenje promjera te dva hladna izvlačenja. Specifičan postupak je taj da se okrugla cijev Φ90 mm valja u grubu cijev Φ93 mm × 5,8 mm, a zatim se toplo valja i reducira na Φ72 mm × 6,2 mm. Nakon dekapiranja i podmazivanja provodi se prvo hladno izvlačenje. Specifikacija nakon hladnog izvlačenja je Φ65mm×5.5mm. Nakon međužarenja, luženja i podmazivanja, provodi se drugo hladno izvlačenje. Specifikacija nakon hladnog izvlačenja je Φ57mm×5mm.

Prema analizi proizvodnog procesa, čimbenici koji utječu na trenje između unutarnje stijenke čelične cijevi i unutarnje matrice uglavnom su kvaliteta podmazivanja, a također su povezani s plastičnošću čelične cijevi. Ako je plastičnost čelične cijevi loša, mogućnost stvaranja pukotina će se uvelike povećati, a loša plastičnost povezana je s toplinskom obradom žarenjem za ublažavanje srednjeg naprezanja. Na temelju toga, zaključuje se da pukotine mogu nastati u procesu hladnog izvlačenja. Osim toga, budući da pukotine nisu u velikoj mjeri otvorene i nema očitih znakova širenja, to znači da pukotine nisu iskusile utjecaj sekundarne deformacije izvlačenja nakon što su nastale, pa se nadalje zaključuje da je najvjerojatnije vrijeme za stvaranje pukotina trebalo bi biti drugi postupak hladnog izvlačenja. Najvjerojatniji čimbenici utjecaja su loše podmazivanje i/ili loše žarenje za ublažavanje naprezanja.

Kako bi se utvrdio uzrok pukotina, provedena su ispitivanja reprodukcije pukotina u suradnji s proizvođačima čeličnih cijevi. Na temelju gornje analize provedena su sljedeća ispitivanja: Pod uvjetom da postupci smanjenja promjera perforacije i vrućeg valjanja ostaju nepromijenjeni, mijenjaju se uvjeti toplinske obrade podmazivanja i/ili ublažavanja naprezanja žarenja, a izvučene čelične cijevi se pregledavaju kako bi pokušajte reproducirati iste nedostatke.

2. Plan ispitivanja
Predloženo je devet planova ispitivanja promjenom parametara procesa podmazivanja i procesa žarenja. Među njima, zahtjev za normalnim vremenom fosfatiranja i podmazivanja je 40 minuta, zahtjev za normalnom temperaturom žarenja za ublažavanje srednjeg naprezanja je 830 ℃, a zahtjev za normalnim vremenom izolacije je 20 minuta. Proces ispitivanja koristi jedinicu za hladno izvlačenje od 30 t i peć za toplinsku obradu s valjkastim dnom.

3. Rezultati ispitivanja
Pregledom čeličnih cijevi proizvedenih prema gore navedenih 9 shema, utvrđeno je da osim shema 3, 4, 5 i 6, sve druge sheme imaju trešnje ili poprečne pukotine u različitim stupnjevima. Među njima, shema 1 imala je prstenasti korak; sheme 2 i 8 imale su poprečne pukotine, a morfologija pukotina bila je vrlo slična onoj pronađenoj u proizvodnji; sheme 7 i 9 bile su potresene, ali nisu pronađene poprečne pukotine.

4. Analiza i rasprava
Kroz niz testova, u potpunosti je potvrđeno da podmazivanje i srednje žarenje za ublažavanje naprezanja tijekom procesa hladnog izvlačenja čeličnih cijevi imaju vitalan utjecaj na kvalitetu gotovih čeličnih cijevi. Konkretno, sheme 2 i 8 reproduciraju iste nedostatke na unutarnjoj stijenci čelične cijevi pronađene u gornjoj proizvodnji.

Shema 1 je izvođenje prvog hladnog izvlačenja na toplo valjanoj matičnoj cijevi smanjenog promjera bez izvođenja procesa fosfatiranja i podmazivanja. Zbog nedostatka podmazivanja, opterećenje potrebno tijekom postupka hladnog izvlačenja doseglo je maksimalno opterećenje stroja za hladno izvlačenje. Proces hladnog crtanja je vrlo naporan. Trešenje čelične cijevi i trenje s kalupom uzrokuju očite korake na unutarnjoj stijenci cijevi, što ukazuje na to da kada je plastičnost matične cijevi dobra, iako nepodmazani crtež ima negativan učinak, nije lako uzrokovati poprečne pukotine. U Shemi 2, čelična cijev sa slabim fosfatiranjem i podmazivanjem kontinuirano se hladno vuče bez žarenja za ublažavanje naprezanja, što rezultira sličnim poprečnim pukotinama. Međutim, u shemi 3 nisu pronađeni nedostaci u kontinuiranom hladnom izvlačenju čelične cijevi s dobrim fosfatiranjem i podmazivanjem bez srednjeg žarenja za ublažavanje naprezanja, što preliminarno ukazuje da je loše podmazivanje glavni uzrok poprečnih pukotina. Sheme 4 do 6 trebaju promijeniti proces toplinske obrade uz osiguravanje dobrog podmazivanja i kao rezultat toga nije došlo do grešaka pri izvlačenju, što ukazuje da žarenje srednjeg naprezanja nije dominantan čimbenik koji dovodi do pojave poprečnih pukotina. Sheme 7 do 9 mijenjaju proces toplinske obrade dok se vrijeme fosfatiranja i podmazivanja skraćuje za pola. Kao rezultat toga, čelične cijevi shema 7 i 9 imaju linije potresanja, a shema 8 proizvodi slične poprečne pukotine.

Gornja usporedna analiza pokazuje da će se poprečne pukotine pojaviti u oba slučaja lošeg podmazivanja + bez međužarenja i lošeg podmazivanja + niske temperature međužarenja. U slučajevima lošeg podmazivanja + dobrog međužarenja, dobrog podmazivanja + bez međužarenja i dobrog podmazivanja + niske temperature međužarenja, iako će se pojaviti defekti linije potresanja, neće se pojaviti poprečne pukotine na unutarnjoj stijenci čelične cijevi. Loše podmazivanje je glavni uzrok poprečnih pukotina, a loše žarenje za ublažavanje srednjeg naprezanja je pomoćni uzrok.

Budući da je napon izvlačenja čelične cijevi proporcionalan sili trenja, loše podmazivanje će dovesti do povećanja sile izvlačenja i smanjenja brzine izvlačenja. Brzina je mala kada se čelična cijev prvi put izvlači. Ako je brzina niža od određene vrijednosti, to jest, dosegne točku bifurkacije, trn će proizvesti samopobudnu vibraciju, što će rezultirati linijama podrhtavanja. U slučaju nedovoljnog podmazivanja, aksijalno trenje između površine (osobito unutarnje površine) metala i matrice tijekom izvlačenja se znatno povećava, što rezultira otvrdnućem. Ako je temperatura toplinske obrade čelične cijevi za ublažavanje naprezanja žarenja nedovoljna (kao što je oko 630 ℃ postavljeno u testu) ili nema žarenja, lako je uzrokovati površinske pukotine.

Prema teoretskim proračunima (najniža temperatura rekristalizacije ≈ 0,4 × 1350 ℃), temperatura rekristalizacije čelika 20# je oko 610 ℃. Ako je temperatura žarenja blizu temperature rekristalizacije, čelična cijev se ne uspijeva u potpunosti rekristalizirati, a otvrdnjavanje nije uklonjeno, što rezultira slabom plastičnošću materijala, protok metala je blokiran tijekom trenja, a unutarnji i vanjski slojevi metala ozbiljno su oštećeni neravnomjerno deformiran, stvarajući tako veliko dodatno aksijalno naprezanje. Kao rezultat toga, aksijalno naprezanje metala unutarnje površine čelične cijevi premašuje svoju granicu, stvarajući tako pukotine.

5. Zaključak
Stvaranje poprečnih pukotina na unutarnjoj stijenci 20# bešavne čelične cijevi uzrokovano je kombiniranim učinkom lošeg podmazivanja tijekom izvlačenja i nedovoljne toplinske obrade žarenjem za ublažavanje srednjeg naprezanja (ili bez žarenja). Među njima, loše podmazivanje je glavni uzrok, a loše srednje žarenje za ublažavanje naprezanja (ili bez žarenja) je pomoćni uzrok. Kako bi se izbjegli slični nedostaci, proizvođači trebaju zahtijevati od rukovatelja radionica da se strogo pridržavaju relevantnih tehničkih propisa procesa podmazivanja i toplinske obrade u proizvodnji. Osim toga, budući da je peć za kontinuirano žarenje s valjkastim dnom peć za kontinuirano žarenje, iako je prikladna i brza za punjenje i pražnjenje, teško je kontrolirati temperaturu i brzinu materijala različitih specifikacija i veličina u peći. Ako se ne provodi striktno u skladu s propisima, lako je uzrokovati neujednačenu temperaturu žarenja ili prekratko vrijeme, što rezultira nedovoljnom rekristalizacijom, što dovodi do nedostataka u daljnjoj proizvodnji. Stoga bi proizvođači koji koriste peći za kontinuirano žarenje s valjkastim dnom za toplinsku obradu trebali kontrolirati različite zahtjeve i stvarne postupke toplinske obrade.