至德钢业不锈钢无缝管扩口性能研究分析

 浙江至德钢业有限公司通过对比进口料和国产料的组织，确定了提高不锈钢无缝管扩口性能组织的改进方向为细化组织晶粒度，消除组织各向异性。对比拉伸法和轧制法，发现轧制法生产的管材退火后组织晶粒更细小且各向异性更小。通过退火制度摸索，确定采用（470℃～490℃）4小时制度退火后的轧制管材组织的均匀程度最好，扩口成功率最高，完全可以达到实际应用需求。

 不锈钢无缝管具有优良的抗腐蚀性能和焊接性能，在油品化工行业应用广泛。而该合金无缝薄壁管材（壁厚小于5mm）因其具有良好的承压能力，经常用于油品化工行业设备相应的输油或带有腐蚀性液体的输送管道或零件上。在不同直径管道对接时，经常需要两端具有不同直径的空心管材零件。为获得两端不同直径的管材零件，需对管材一段进行扩口，以便于不同直径的管材进行连接。依据专门制作类似零件的某客户反馈，扩口后管材直径需达到原始直径的1.2倍至1.5倍，国产不锈钢无缝管在进行扩口时，扩口失败率较明显高于从日本进口的管材。目前，对不锈钢无缝管的扩口性能的公开报道和研究资料极少，浙江至德钢业有限公司通过对不同的压力加工工艺和热处理工艺进行研究分析，探索可以达到进口料扩口性能的生产工艺。

一、试验材料和方法

 1. 试验用料

  试验材料有两类，化学成分均满足表的要求：一类为日本进口ϕ28mm×3.0mm小段不锈钢无缝管试样和国产不锈钢无缝管ϕ28mm×3.0mm小段试样，主要用于对比组织差异；另一类为用于开展本文中各压力加工试验的铸锭坯料。

 2. 试验方法

 选取客户典型规格ϕ28mm×3.0mm不锈钢无缝管作为试验目标规格，分别采用挤压-拉伸和挤压-轧制两种常见的工艺方案进行对比，其加工工艺流程详见表。主要的加工过程为：由规格为ϕ270mm×ϕ160mm×760mm空心铸锭坯料经3500t挤压机首次挤压获得ϕ120mm×ϕ36mm×5500mm坯料管材；经过切断、车皮、镗孔后获得ϕ118mm×ϕ38mm×250mm二次挤压用坯料，然后采用600t挤压机二次挤压获得ϕ43mm×5.0mm管材坯料，最后经过轧制和拉伸获得规格为ϕ28mm×3.0mm的试验料。

 选择6种成品退火工艺进行试验，从中选择最佳退火工艺，具体退火工艺参数详见表。最后通过扩口试验（均按扩大1.5倍进行验证）和组织分析得出最佳的生产工艺。为保证试验检测数据的准确性，扩口试验按照GB/T 242-2007《金属管扩口试验方法》的规定执行。

二、试验结果与分析

1. 国产料与进口料组织对比

 为分析导致国产不锈钢无缝管与进口不锈钢无缝管扩口成功率差异的原因，对两种物料进行了组织对比分析，进口料组织详见，国产料的组织对比详见图。通过对比分析，进口料为完全的再结晶组织，国产料为不完全再结晶组织，方向性较强，明显沿加工方向变长。

 不锈钢无缝管扩口试验是管材常见工艺性能检测试验，主要检测管材由原始外径扩展到某特定外径而不产生裂纹的能力。由于扩口过程中，管材延外径向四周均匀进行扩展，组织的晶粒越均匀细小以及各向异性越小，扩口性能会越好。因此，后续加工方法和退火热处理制度的选择必须以使管材的组织晶粒均匀细小化和消除组织各向异性为导向。

 2.加工工艺结果与对比分析

 对两种生产工艺生产的不锈钢无缝管，在同一制度退火后（420℃～440℃，保温4小时），进行室温拉伸力学性能对比，检测数据详见表，可以看出两者的力学性能差异不大。

 为使试验结果更具有实用意义，扩口试验依据客户最大使用要求统一扩大1.5倍，既外径由28mm扩口至44mm。在同一制度退火后（420℃～440℃，保温4小时），对两种工艺生产的管材进行扩口试验，检测数据见表。通过数据对比可以看出，轧制法生产的管材扩口性能优于拉伸法生产的管材。

 为进一步分析，对两种工艺生产的上述不锈钢无缝管进行组织对比分析。通过对比图中不同方法生产管材退火前后组织，可见冷加工后的退火组织均发生再结晶。可见轧制法生产的管材经过退火后其组织比拉伸法生产的管材组织晶粒更加细小。

 不锈钢无缝管轧制过程中，金属受三向压应力，金属的组织破碎相对更充分、均匀，组织位错多；而在管材拉伸过程中，金属受两向拉应力和一向压应力，金属变形主要是沿着纵向（即轧制方向）延伸，组织晶粒主要被拉长，组织破碎程度没有轧制过程充分，组织位错少。位错可以作为退火过程再结晶形核质点。位错越多，形核质点越多，再结晶过程形成的晶粒越细小。因此，经在相同的退火制度处理后，使用轧制法生产的管材晶粒度更细小。

 3. 成品热处理制度的影响

 依据表中的热处理制度进行退火试验。每个制度选组20个采用轧制法生产的管材试样进行扩口试验，检测结果见表。从表试验结果可以看出，在相同的保温时间条件下，随着退火温度的升高，扩口合格率提高幅度非常明显，在470℃～490℃范围到达到最佳。在相同的退火温度下，依据扩口合格数对比，保温时间对扩口合格率的影响相对较小，绝对数差均在3个以内。

 图为不同热处理制度管材的组织照片。通过图进行组织对比可以看出，在相同的保温时间条件下，随着退火温度的升高，再结晶进行得越充分，晶粒细化越明显，组织的各项异性逐渐消除。在470℃～490℃退火温度范围，组织均为等轴再结晶晶粒，组织的各项异性全部消除。通过图进行组织对比可以看出，在相同的退火温度条件下，保温时间延长，晶粒发生了异常长大，组织均匀性变差。

三、结论

 1. 通过轧制法和拉伸法生产管材的扩口试验以及组织分析，实际生产过程应选用轧制法更有利于提高不锈钢无缝管的扩口性能。

 2. 经过冷加工的不锈钢无缝管，退火温度低于450℃时制品组织中再结晶不充分，存在各向异性。经过（470℃～490℃）4小时热处理制度退火后的轧制管材组织的均匀程度最好，扩口成功率最高，完全可以达到实际应用需求。