Il tubo in acciaio senza saldatura 20# è il grado di materiale specificato in GB3087-2008 "Tubi in acciaio senza saldatura per caldaie a bassa e media pressione". Si tratta di un tubo in acciaio senza saldatura in acciaio strutturale al carbonio di alta qualità adatto alla produzione di varie caldaie a bassa e media pressione. È un materiale per tubi in acciaio comune e di grande volume. Quando un produttore di apparecchiature per caldaie stava producendo un collettore di riscaldamento a bassa temperatura, si è riscontrato che erano presenti gravi difetti trasversali sulla superficie interna di dozzine di giunti di tubi. Il materiale del giunto del tubo era acciaio 20 con una specifica di Φ57mm×5mm. Abbiamo ispezionato il tubo d'acciaio rotto e condotto una serie di test per riprodurre il difetto e scoprire la causa della fessura trasversale.

1. Analisi delle caratteristiche delle cricche
Morfologia delle fessure: si può vedere che sono presenti numerose fessure trasversali distribuite lungo la direzione longitudinale del tubo di acciaio. Le crepe sono disposte ordinatamente. Ciascuna fessura presenta un aspetto ondulato, con una leggera deflessione in direzione longitudinale e assenza di graffi longitudinali. Esiste un certo angolo di deflessione tra la fessura e la superficie del tubo d'acciaio e una certa larghezza. Sono presenti ossidi e decarburazione sul bordo della fessura. Il fondo è smussato e non vi è alcun segno di espansione. La struttura della matrice è normale ferrite + perlite, che è distribuita a fascia ed ha granulometria 8. La causa della cricca è legata all'attrito tra la parete interna del tubo d'acciaio e lo stampo interno durante la produzione del tubo d'acciaio.

Dalle caratteristiche morfologiche macroscopiche e microscopiche della fessura si può dedurre che la fessura si sia generata prima del trattamento termico finale del tubo di acciaio. Il tubo d'acciaio utilizza una billetta a tubo tondo da Φ90 mm. I principali processi di formatura a cui viene sottoposto sono la perforazione a caldo, la laminazione a caldo e riduzione di diametro, e due trafilature a freddo. Il processo specifico prevede che la billetta del tubo tondo da Φ90 mm venga laminata in un tubo grezzo da Φ93 mm×5,8 mm, quindi laminata a caldo e ridotta a Φ72 mm×6,2 mm. Dopo il decapaggio e la lubrificazione viene effettuata la prima trafilatura a freddo. La specifica dopo la trafilatura a freddo è Φ65mm×5,5mm. Dopo la ricottura intermedia, il decapaggio e la lubrificazione, viene eseguita la seconda trafilatura a freddo. La specifica dopo la trafilatura a freddo è Φ57mm×5mm.

Secondo l'analisi del processo di produzione, i fattori che influenzano l'attrito tra la parete interna del tubo d'acciaio e la matrice interna sono principalmente la qualità della lubrificazione e sono legati anche alla plasticità del tubo d'acciaio. Se la plasticità del tubo d'acciaio è scarsa, la possibilità di creare crepe aumenterà notevolmente e la scarsa plasticità è correlata al trattamento termico di ricottura di distensione intermedia. Sulla base di ciò si deduce che le cricche possono essere generate nel processo di trafilatura a freddo. Inoltre, poiché le fessure non sono aperte in larga misura e non vi è alcun segno evidente di espansione, significa che le fessure non hanno subito l'influenza della deformazione secondaria per imbutitura dopo la loro formazione, quindi si deduce inoltre che il più probabile Il momento in cui si generano le cricche dovrebbe essere il secondo processo di trafilatura a freddo. I fattori che influenzano più probabilmente sono la scarsa lubrificazione e/o la scarsa ricottura di distensione.

Per determinare la causa delle cricche, sono stati eseguiti test di riproduzione delle cricche in collaborazione con i produttori di tubi in acciaio. Sulla base dell'analisi di cui sopra, sono state eseguite le seguenti prove: A condizione che i processi di perforazione e riduzione del diametro di laminazione a caldo rimangano invariati, le condizioni di lubrificazione e/o trattamento termico di ricottura di distensione siano modificate e i tubi di acciaio trafilati siano ispezionati per provare a riprodurre gli stessi difetti.

2. Piano di prova
Vengono proposti nove piani di test modificando il processo di lubrificazione e i parametri del processo di ricottura. Tra questi, il normale requisito di tempo di fosfatazione e lubrificazione è di 40 minuti, il normale requisito di temperatura di ricottura intermedia per distensione è di 830 ℃ e il normale tempo di isolamento richiesto è di 20 minuti. Il processo di prova utilizza un'unità di trafilatura a freddo da 30 t e un forno per il trattamento termico del fondo a rulli.

3. Risultati dei test
Attraverso l'ispezione dei tubi di acciaio prodotti dai 9 schemi sopra menzionati, si è riscontrato che, ad eccezione degli schemi 3, 4, 5 e 6, tutti gli altri schemi presentavano scuotimenti o cricche trasversali di vario grado. Tra questi, lo schema 1 prevedeva un gradino anulare; gli schemi 2 e 8 presentavano fessurazioni trasversali e la morfologia della fessura era molto simile a quella riscontrata in produzione; gli schemi 7 e 9 avevano scosso, ma non sono state riscontrate crepe trasversali.

4. Analisi e discussione
Attraverso una serie di test, è stato pienamente verificato che la lubrificazione e la ricottura di distensione intermedia durante il processo di trafilatura a freddo dei tubi di acciaio hanno un impatto fondamentale sulla qualità dei tubi di acciaio finiti. In particolare gli schemi 2 e 8 riproducevano gli stessi difetti sulla parete interna del tubo d'acciaio riscontrati nella produzione sopra citata.

Lo schema 1 prevede l'esecuzione della prima trafilatura a freddo del tubo madre di diametro ridotto laminato a caldo senza eseguire il processo di fosfatazione e lubrificazione. A causa della mancanza di lubrificazione, il carico richiesto durante il processo di trafilatura a freddo ha raggiunto il carico massimo della trafilatrice a freddo. Il processo di trafilatura a freddo è molto laborioso. Lo scuotimento del tubo d'acciaio e l'attrito con lo stampo provocano evidenti gradini sulla parete interna del tubo, indicando che quando la plasticità del tubo madre è buona, anche se il disegno non lubrificato ha un effetto negativo, non è facile causare crepe trasversali. Nello Schema 2, il tubo d'acciaio con scarsa fosfatazione e lubrificazione viene trafilato continuamente a freddo senza ricottura intermedia di distensione, con conseguente cricche trasversali simili. Tuttavia, nello Schema 3, non sono stati riscontrati difetti nella trafilatura continua a freddo del tubo di acciaio con buona fosfatazione e lubrificazione senza ricottura intermedia di distensione, il che indica preliminarmente che la scarsa lubrificazione è la causa principale delle cricche trasversali. Gli schemi da 4 a 6 prevedono di modificare il processo di trattamento termico garantendo al contempo una buona lubrificazione e di conseguenza non si sono verificati difetti di trafilatura, indicando che la ricottura di distensione intermedia non è il fattore dominante che porta alla comparsa di cricche trasversali. Gli schemi da 7 a 9 modificano il processo di trattamento termico riducendo della metà i tempi di fosfatazione e lubrificazione. Di conseguenza, i tubi d'acciaio degli schemi 7 e 9 presentano linee di scuotimento e lo schema 8 produce cricche trasversali simili.

L'analisi comparativa di cui sopra mostra che si verificheranno cricche trasversali in entrambi i casi di scarsa lubrificazione + nessuna ricottura intermedia e scarsa lubrificazione + bassa temperatura di ricottura intermedia. Nei casi di scarsa lubrificazione + buona ricottura intermedia, buona lubrificazione + nessuna ricottura intermedia e buona lubrificazione + bassa temperatura di ricottura intermedia, sebbene si verifichino difetti sulla linea di scuotimento, non si verificheranno crepe trasversali sulla parete interna del tubo d'acciaio. La scarsa lubrificazione è la causa principale delle cricche trasversali e la scarsa ricottura intermedia di distensione è la causa ausiliaria.

Poiché lo sforzo di trazione del tubo d'acciaio è proporzionale alla forza di attrito, una scarsa lubrificazione porterà ad un aumento della forza di trazione e ad una diminuzione della velocità di trazione. La velocità è bassa quando il tubo d'acciaio viene disegnato per la prima volta. Se la velocità è inferiore ad un certo valore, cioè raggiunge il punto di biforcazione, il mandrino produrrà vibrazioni autoeccitate, dando luogo a linee di vibrazione. In caso di lubrificazione insufficiente, l'attrito assiale tra la superficie metallica (soprattutto quella interna) e la matrice durante la trafilatura aumenta notevolmente, con conseguente incrudimento. Se la successiva temperatura di trattamento termico di ricottura di distensione del tubo di acciaio è insufficiente (ad esempio circa 630 ℃ impostata nel test) o nessuna ricottura, è facile causare crepe superficiali.

Secondo i calcoli teorici (la temperatura di ricristallizzazione più bassa ≈ 0,4×1350℃), la temperatura di ricristallizzazione dell'acciaio 20# è di circa 610℃. Se la temperatura di ricottura è vicina alla temperatura di ricristallizzazione, il tubo d'acciaio non riesce a ricristallizzarsi completamente e l'incrudimento non viene eliminato, con conseguente scarsa plasticità del materiale, il flusso del metallo viene bloccato durante l'attrito e gli strati interno ed esterno del metallo sono gravemente deformato in modo non uniforme, generando così una grande sollecitazione assiale aggiuntiva. Di conseguenza, la sollecitazione assiale della superficie metallica interna del tubo d'acciaio supera il suo limite, generando cricche.

5. Conclusione
La generazione di cricche trasversali sulla parete interna di un tubo in acciaio senza saldatura 20# è causata dall'effetto combinato di scarsa lubrificazione durante la trafilatura e di un trattamento termico di ricottura di distensione intermedia insufficiente (o assenza di ricottura). Tra questi, la scarsa lubrificazione è la causa principale, e la scarsa ricottura intermedia di distensione (o nessuna ricottura) è la causa ausiliaria. Per evitare difetti simili, i produttori dovrebbero richiedere agli operatori delle officine di seguire rigorosamente le norme tecniche pertinenti del processo di lubrificazione e trattamento termico nella produzione. Inoltre, poiché il forno di ricottura continua a fondo a rulli è un forno di ricottura continua, sebbene sia comodo e veloce da caricare e scaricare, è difficile controllare la temperatura e la velocità dei materiali di diverse specifiche e dimensioni nel forno. Se non viene implementato rigorosamente secondo le normative, è facile causare temperature di ricottura non uniformi o tempi troppo brevi, con conseguente ricristallizzazione insufficiente, con conseguenti difetti nella produzione successiva. Pertanto, i produttori che utilizzano forni di ricottura continua a fondo a rulli per il trattamento termico dovrebbero controllare i vari requisiti e le effettive operazioni del trattamento termico.