高精度冷拔钢管开裂原因分析
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【摘要】高精度冷拔钢管是以热轧无缝管或直缝焊管为坯料，经预处理后在高精度冷拔机2=iI过模具挤压使之垫陛变形的精密管材。这种管材不但尺寸精度高（达到H8-H11），表面粗糙度.好（0.2-3.2mm），而且机械强度高（较原材质热轧管提高20-35%）可直接、经珩磨或刮削工艺制成油缸或气缸缸体。同时还解决了用传统方法无法加工细长薄壁缸体的难题。这种工艺早在70年代就在工业发达国家推广，德国的洪培公司在70年代已研制了冷拔机组，可拔制内径达到500mm的精密缸体，并批量生产推向市场。
我国生产精密冷拔管起步较晚，虽在70年代就已生产内径但缸径太小，应用面较窄，难以推广。直到80年代，但因拔制力太小，可拔制的长度太短，远不能适应市场的需求。自90年代起，高精度冷拔钢管，已被煤矿井下支护、采油、治金、工程机械、汽车等行业普遍采用，并在不断扩展，需求量越来越大。但高精密冷拔管在生产过程中，工艺处理不当，会造成冷拔管开裂报废，给生产造成较大的经济损失。本公司在吸收国内外冷拔技术的基础上，结合实际操作中遇到的问题，对冷拔管开裂的原因，提出生产制造过程中产生开裂原因的几点看法并进行探讨。
1 原材料因素
由于钢管化学成份的波动，热轧管料尺寸的偏差，使得用相同退火、酸洗、工艺参数，相同的拔制方法，相同模具形式，拔制同规格的、同钢种的钢管，拔制力相差很大，即使拔制同一只钢管，瞬时拔制力也是波动的，其波动值有时大的惊人，即使拔制半成品或成品管，拔制力也是波动的，波动幅度也较大。因此拔制应采用优质的原材料，尽可能采用表面质量较好，尺寸偏差较小的管坯拔制，同时对管坯的机械性能有所掌握。在如钢管本身塑性差，组织粗大，纵裂出现的机率就会增加。
2 变形的不均匀性
钢管在拔制中金属的变形是不均匀的，由于变形不均匀，在拔制时会产生较大的附加应力，拔制后钢管内部则存在较大的残余应力，因此，容易产生表面裂纹等缺陷，所以对冷拔变形是不利的。
2.1的不均匀性
外摩擦和工具形状是导致空拔时金属流动和不均匀的重要因素，这可用坐标网格法研究圆棒拉伸时金属流动来说明。
把金属圆棒试样沿轴线纵向剖开，在剖面上刻上直角坐标网作，再把试样合在一起进行拉拔。拉拔时，沿变形区剖面上原来的坐标网格的形状和尺寸发生了如图1所示的变化，即：
2.1.1坐标网的各纵坐标线在拉伸前是直线，在拉伸过程中变成曲线，并且弯向拉伸方向，这线的曲率是在通过变形区时逐渐增大的；
2.1.2坐标网的横坐标线拉伸后仍然是直线，但在变形过程中产生两次弯折，第一次弯折发生在变形区的入口，第二次弯折发生在变形区的出口，弯折程度愈靠外层愈大
2.1.3靠近中心各层正方形的坐标网格变成了矩形，其内切圆变成正椭圆，在轴向被拉伸，在径向被压缩。而在靠近模子的外层，正方形的坐标网格变成了平行四边形，其内切圆变成了斜椭圆。
由于外摩擦的存在和外模形状的影响，圆棒有拉伸过程中金属的流动和变形是不均匀的，其特点是：
纵坐标张在通过变形区时弯曲的曲率逐渐增加。因为，变形内外层金属流动度的不一致，外层金属的流动受外摩擦的阻力较大，因此内层金属的流动速度比外层地大。外摩擦系数愈大内外层金属流动速度的差别愈大。
2.1.4靠近模壁的外层金属，存在着附加切变形。摩擦系数和模壁锥度愈大，附加切变形越大。
2.1.5靠近模壁的外层金属，拔制时还存在附加的弯曲变形。如外模入口部分是锥形的话，则外层金属的弯折角将与模子的锥角相同。锥角越大，则弯曲的程度越大。使用弧形模时，外层金属的弯折角度相当于接触面的最大切线角。
在钢管空拔过程中，由于外摩擦和工具形状而引起的沿径向金属流动速度和变形的不均匀分布是同样存在的，又因钢管是中空的，因而与拔制棒相比，沿径向金属流动速度和变形的不均匀分布程度减小，其大小决定于S/D值。S/D值大，从钢管的外表面到内表面金属的流动速度和形变的差别，即不均匀的程度大，反之则小。
2.2不均匀变形的后果
金属流动和变形不均匀性，对加工过程和产品质量，都有不利的影响，严重时会造成良的后果，主要是：产生附加应力。
由于几何因素的影响，钢管在空拔过程中，外层自然延伸比内层小，由于外摩擦的作用，内层金属的塑流速度比外层的大，这两个因素都使内层在轴向有更大的尺寸变化，但各层的尺寸变化不能破坏钢管的整体性，各层之间必然互相制约。因此在上述情况下变形趋势大的内层会传递给变形趋势小的外层一种力，其作用是增加后者变形，即外层将受到附加拉应力。反之，变形趋势小的外层传递给变形趋势大的内层一种力量，其作用是减小后者变形的，即内层将受到附加压应力。这些附加拉应力和压应力在钢管内部是互相平衡的，外表面有最大的附加拉应力，内表面有最大的附加压应力。
拔制时轴向的基本应力是拉应力，若外表面层存在附加拉应力，则和拔丝时的应力分布类似，如图2所示。外表面层的有效力是两个拉应力之和。而内表面层则相反，由于其附加应力是压应力，有效应力小于基本应力。在这种情况下钢管外表面容易发生破裂，这就是生产中出现横裂的力学条件。当钢管的壁较厚、减径量较大时，外表面层的附加拉应力增大，根据经验，S/D>7～10%时，外表面容易出现横裂。如果钢管本身塑性较差或酸洗后的氢脆、退火没有完全消除加工硬化、以及外表面已有裂纹存在等原因而降低了钢管加工时的塑性是，外表面出现横裂的机会就增加。在外环产生切向附加拉应力，外表面层产生较大的附加切向拉应力是纵裂的力学因素。
3 残余应力
因空拔而产生的纵裂，常在拔制后经一段时间才出现，这就是切向残余应力的结果。拔制后钢管内部存在着外拉内压的切向残余应力。存在于外表面的切向残余应力过大，将导致钢管的破裂而且出现纵裂。在有残余应力出现的情况下，时间久了，会因受浸蚀物质的浸蚀而更易引起物体的破坏。为了消除空拔过程中产生的残余应力，要进行热处理，必须及时送去退火。含碳0.14%、锰0.5%的钢管由φ43*4.2mm空拔到φ40mm时，存在于钢管内部的切向残余应力。
4 空拔后组织性能不均匀
由于变形的不均性，从外表面层到内表面层，变形成度是不一样的。靠近外表面层的附加弯曲变形和附加切变形比较大，所以总变形成度外层比内层大，因而，外层晶粒较细，硬度较高，内层则相反。若管壁越厚，摩擦系数越大，模具的锥角越大，内外层总变形程度的差别也越大，组织和性能的不均匀程度也增大。因为内外层变形程度不一样，变形后内外层的组织性能就不一致。
5 热处理
冷拔管的纵裂是冷拔生产中较为常见的一种缺陷，钢管冷拔后不及时退火的情况下易产生裂纹。在纵裂管中，绝大部分是无内模拔制即空拔后产生的，为了减小纵裂管的产生，尤其是一些塑性较差的碳素钢管和合金钢管，不得不采取限制拔制道次、变形量，增加中间退火次数等措施。
6 结语
导致钢管纵裂的原因是多方面的有材料的因素，也有工艺的因素。如钢管本身塑性差或退火不良，纵裂出现的机率就会增加，但根本原因在于冷拔后的钢管存在较高的残余应力。
作者简介：
柳永胜（1963-），安徽省矿业机电装备有限公司综采设备安装公司，工程师