关于难变形钢和合金管坯的二辊斜轧穿孔问题

关于难变形钢和合金管坯的二辊斜轧穿孔问题田党(天津钢管公司)摘要结合国内从60年代开始的高温合金无缝管材的试制和生产，对难变形钢和合金管坯在二辊斜轧穿孔机上穿孔的主要技术问题进行了讨论和总结。关键词难变形钢和合金斜轧穿孔变形分布轧辊转速前进角分层缺陷PIERCINGOFLESS-DEFORMABLESTEELANDALLOYONTWO-HIGHSKEWROLLINGPIERCINGMILLTIANDang(TianjinPipeCorporation)ABSTRACTInthearticle，summarizingthesurperalloyseamlesspipeproductionsince1960sinChina,themaintechnologicalproblemsofthepiercingofless-deformablesteelandalloyontwo-highskewpiercingarediscussed.KEYWORDSless-deformablesteelandalloy,skew,deformationdistribution,rollrotationalspeed,advanceangle,laminationdefects1问题的提出难变形钢和合金是指化学成分复杂、合金元素含量高，在热加工变形过程中具有变形抗力大、塑性低和变形温度范围窄等特点的一类金属材料。高温合金就是其典型代表。一般认为，难变形钢和合金管坯不适于在二辊斜轧穿孔机(桶形轧辊，下同)上穿孔［1］。对于穿孔的主要问题和原因以及解决办法，尽管国内外已有了许多宝贵的实践，仍然有必要进一步探讨［2～8］。从60年代开始，国内的高温合金和钢管工作者对22个牌号的难变形钢和合金管坯做穿孔试验，其中12个牌号已能穿出合格的毛管。本文对这一技术的主要问题进行了讨论和总结。2难变形钢和合金的分类一般将难变形钢和合金分为五类［9］：第一类是固溶强化的钢和合金，其组织是高强度固溶体。第二类至第五类是时效强化的钢和合金，从高温冷却下来形成过饱和固溶体，并析出γ′相Ni3(Ti、Al)粒子：第二类γ′相析出量较少(10%～15%)，析出温度较低(800～850℃)；第三类γ′相析出量增加到20%～25%，析出温度提高到900～930℃；第四类γ′相析出量增加到30%～35%，析出温度提高到950～980℃；第五类是特别难变形合金，γ′相析出量达到40%～50%，析出温度为1000～1050℃，仅有50～70℃的变形温度范围。通常所说的不适于在二辊斜轧穿孔机上穿孔的难变形钢和合金，大体上是指第一类和第二类难变形钢和合金。国内已经能生产出合格毛管的部分高温合金牌号及化学成分列于表1。至于第三至五类难变形钢和合金，并没有提出试制无缝管材的要求。3难变形钢和合金管坯穿孔时的主要问题难变形钢和合金管坯在二辊斜轧穿孔机上穿孔，主要工艺质量问题有三类［8］：①管坯二次咬入困难。管坯接触顶头以后，在轧辊轧制带区域打滑、轧卡；②毛管裂碎。轻者毛管内外表面裂纹遍布，重者毛管完全破碎，并相应出现掉块、剥皮和“链带”现象；③毛管分层。轻者只有毛管尾部有分层，重者毛管全长上都有分层。难变形钢和合金管坯穿孔时，毛管仍有可能出现内折缺陷，但是，主要缺陷不是内折而是分层。在76mm穿孔机上，曾对五种合金159支管坯分批进行穿孔试验，结果轧卡62支(占39%)，穿碎22支(占14%)，分层67支(占42%)，正常8支(占5%)。4难变形钢和合金管坯穿孔时的变形分布对碳钢和低合金钢管坯穿孔变形区的变形分表1高温合金牌号及化学成分Table1Gradeandchemicalcompositionofsuperalloy牌号CNiCrWMoAlTiFeNbVGH30≤0.12余19～22——≤0.150.15～0.35≤1.5——GH39≤0.08余19～22—1.8～2.30.35～0.750.35～0.75≤3.00.9～1.3—GH140≤0.1235～4020～231.4～1.82.0～2.50.20～0.600.70～1.20余——GH132≤0.0824～2713～16—1.0～1.5≤0.401.75～2.30余—0.1～0.5GH984≤0.0840～4218～20—2.0～2.40.20～0.500.90～1.30余——GH131≤0.1025～3019～224.6～6.02.8～3.5——余——布，文献［10，11］确定：坯料中心金属断裂发展过程可用纵向五区横向三层加以概括，圆坯横截面沿直径变形强度的分布呈W形，即边缘区和中心区变形强度较大，中间过渡区变形强度较小，简称W分布。这种W分布可说明孔腔是怎样形成的，但不能解释分层缺陷出现的原因。对于难变形钢和合金管坯穿孔时的变形分布，文献［12］进行了研究，结果见图1。研究结果认为，难变形钢和合金管坯在斜轧穿孔变形区各段横截面变形强度沿直径分布的规律，可以用［(U1+W)+2U2］表示，式中U1表示穿孔准备段的U形分布区，W表示穿孔准备段的W形分布区，U2表示穿孔段和碾轧段的U形分布区，系数2表示在直径方向这种U形分布区有2个，并把上述变形强度的分布规律简称为［(U1+W)+2U2］分布。这种分布既反映了斜轧穿孔变形区变形强度变化的阶段性，又反映了各变形阶段变形强度变化的特点，是一种普遍规律。文献［12］指出，人们以往只注意了变形强度的W形分布，而忽视了W区前后的U1区和U2区。实际上，工业纯铝的变形分布也有U1区，只是长度较短，相当于直径压下量的0%～1.1%［1］，而难变形钢和合金U1区较长，相当于直径压下量的0%～10%。这种［(U1+W)+2U2］分布，由于钢种、工艺因素和设备条件不同，在某一种情况下，又具有特殊性。变形分布是一种动态的概念。难变形钢和合金与碳钢比较，变形分布的特点是，U1区长，W区短，U2区变形不均匀性严重。在轧辊转速较高时，某些难变形钢和合金没有W区，只有U1区。在U2区管壁上的变形，有时是半个U形分布，有时U形分布消失。采用大延伸系数穿轧高合金钢使质量明显改善，就是因为消除了碾轧段的U形分布，减轻了不均匀变形的结果。图1二辊斜轧穿孔难变形钢和合金管坯的变形分布［12］Fig.1Thedeformationdistributionofless-deformablesteelandalloypipebilletduringpiercingontwo-highskewrollingpiercingmachine［12］5难变形钢和合金管坯穿孔时的轧辊转速轧辊转速对管坯和毛管的变形和破裂有重要影响。在这方面，对碳钢和低合金钢已有研究［13］；对难变形钢和合金，文献［14］给出了规律性的结果。研究结果指出，在二辊斜轧穿孔过程中，轧辊转速对难变形钢和合金管坯和毛管破裂影响的规律性，可以概括为：轧辊转速较低时，管坯容易形成孔腔；轧辊转速较高时，管坯和毛管容易形成分层；轧辊转速由低向高变化过程中，存在一个开始出现分层的临界轧辊转速；随着轧辊转速由低向高变化，管坯出现孔腔的临界变形量和管坯出现分层的临界变形量(毛管无分层部分相对长度)，呈“人”字形分布(图2)。对于GH131合金锥形试样斜轧，出现孔腔和分层的临界变形量与轧辊转速的关系表示为UH＝aebnvU1＝nv/anv-b(nv≥n0)式中UH——出现孔腔时的临界变形量/%；U1——出现分层时的临界变形量/%；nv——轧辊转速/r*min-1；n0——出现分层的临界轧辊转速/r*min-1。轧辊转速对管坯和毛管破裂的影响，仅仅在合金化程度较高的合金中才明显表现出来。在轧辊转速50～250r/min(轧辊直径130mm)范围内，塑性较差的GH131合金管坯既出现孔腔又出现分层，而塑性稍好的GH30合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢管坯只出现孔腔而不出现分层，对于碳钢管坯，既不出现孔腔也不出现分层。图2轧辊转速对难变形钢和合金管坯和毛管破裂的影响［16］Fig.2Effectofrollrotationalspeedoncrackingofless-deformablesteelandalloypipebilletandshell［16］6难变形钢和合金管坯穿孔时的前进角关于前进角对二辊斜轧穿孔金属变形的作用，有人认为［1］前进角增大使20钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢形成孔腔的临界变形量略有增加，即形成孔腔的倾向性减小。然而，对于难变形钢和合金管坯穿孔，却得出了相反的结果。文献［14］指出，将难变形钢和合金锥形试样斜轧成柱形试样，前进角从7.5°提高到10.5°，出现孔腔的临界变形量降低，即前进角提高，容易出现孔腔(表2)；将柱形试样穿成毛管，前进角从5°提高到7.5°，使毛管出现分层的临界轧辊转速从100r/min提高到150r/min，即前进角提高，有利于消除分层。文献［15］的试验结果说明，前进角从5°提高到7.5°，将柱形试样穿成毛管，毛管扭转螺距增大40mm，扭转角减小，文献［1］也得出了同样的结果。总之，提高前进角，降低了出现孔腔的临界轧辊转速，减小了扭转变形，有利于消除分层。这是提高前进角增加斜轧穿孔变形的深透性、减小不均匀变形的结果。表2前进角对锥形试样出现孔腔临界变形量的影响Table2Effectofadvanceangleontheholecriticaldeformationofholeintaperedsample牌号轧辊转速/r*min-1临界变形量/%前进角7.5°前进角10.5°1Cr18Ni9Ti125＞23.017.8GH3050＞23.015.2GH30125＞23.017.5GH1405015.812.57讨论7.1难变形钢和合金管坯穿孔主要问题分析难变形钢和合金管坯在二辊斜轧穿孔时出现的三类工艺质量问题，是难变形钢和合金热加工性能特点在二辊斜轧穿孔变形方式中的反映。管坯二次咬入困难，主因是难变形钢和合金变形抗力大，变形难以深透，表层变形严重。解剖轧卡管坯试样，发现中心没有形成疏松，穿孔过程实际是用顶头“硬顶”；其次，顶头前压下量较小；第三，轧辊转速较高，磨擦因数小，管坯前进的拉力较小。毛管裂碎，主因是管坯加热温度较高，往往是按同合金自由锻造的加热温度对管坯加热；二辊斜轧穿孔变形激烈，热效应显著，而且穿孔过程管坯的“温升”又不能像自由锻造那样可人工控制。管坯实际是在低塑性状态下甚至过热或过烧状态下变形。毛管分层，有外分层和内分层两种。外分层靠近毛管外表面，内分层靠近毛管内表面。所有分层裂纹前端和两侧都未见异常夹杂物存在，说明分层并非是夹杂物所引起。管坯和毛管的分层缺陷形成机理，根据分层形成过程的特点，可作如下解释［16］：难变形钢和合金变形抗力大，变形不容易深透，顶头前形成(U1+W)分布。U形分布的特点是表层金属的激烈变形。表层激烈变形的金属，必然要向切向、纵向和横向流动，并发生扭转，管坯表层金属趋向于周长增大和鼓胀，在外表层和过渡层金属之间产生附加拉应力。经过一定的碾轧过程或外表层金属运动受阻发生金属堆积时，金属产生破裂，这就是外分层。毛管在轧辊和顶头之间碾轧，管壁金属的变形呈U形分布。毛管管壁内表层金属在顶头的作用下发生激烈变形，表层激烈变形的金属也必然要向切向、纵向和横向流动，并发生扭转。管壁内表层金属也趋向周长增大和鼓胀，在内表层和过渡层金属之间产生附加拉应力。经过一定的碾轧过程，或内表层金属周长增大到一定程度发生金属堆积和皱曲时，金属发生破裂，这就是内分层。76mm高温合金毛管轧卡时曾经观察到同时形成外分层和内分层的典型低倍组织。管坯和毛管的分层是由于U形分布表面激烈变形的结果，而毛管内折是由于W形分布形成孔腔并在顶头上碾轧所造成的。从它们与变形分布的关系来讲，可以说分层和内折是具有相同性质的缺陷，在本质上，它们都是二辊斜轧穿孔不均匀变形的产物；但是，从缺陷在变形区的位置和它们与变形区应力应变关系来讲，它们又有明显区别，它们是在不同变形条件下，在不同应力作用下产生的两种不同形式的缺陷，它们之间表现