CN101952472B - 用于制造可焊接的高强度热轧无缝钢管的低合金钢的钢合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造高强度度、可焊接的热轧无缝钢管材尤其是结构管材的低合金钢的钢合金，具有如下化学组成(以质量％计)：0.15-0.18％C；0.20-0.40％Si；1.40-1.60％Mn；最高0.05％P；最高0.01％S；＞0.50-0.90％Cr；＞0.50-0.80％Mo；＞0.10-0.15％V；0.60-1.00％W；0.0130-0.0220％N；余量的铁以及由冶炼引起的杂质，任选地加入选自Al、Ni、Nb和Ti中的一种或多种元素，前提是，V/N的比值为4-12并且所述钢的Ni含量不超过0.40％。
Description
本发明涉及根据权利要求1的用于制造高强度无缝钢管材的低合金钢的钢合金。
本发明尤其涉及管材，其还可以具有非圆形的横截面并且作为结构管材用于特高负荷的焊接钢结构，例如在起重机、桥梁、船舶、升降装置和载重车辆的结构中。
这样的管材除了圆形截面之外，还可根据要求和使用领域而具有例如正方形、矩形或还有多边形的横截面。
例如，由DE 199 42 641A1已知用于这类钢管材的钢合金。这种常规钢合金除了少量添加铬、钼和钒之外，作为低合金钢的特点，在舍弃镍的情况下，还添加0.30-1.00％的钨。
通过舍弃在其它情况下强制要求的镍或者至少将镍含量限制到低浓度，旨在用于抑制发粘的氧化皮并由此改善表面品质，尤其是在由这类钢进行皮尔格热轧管材(Warmpilgern von Rohren)期间，并避免在其他情况下所需的高成本的对表面的切削后加工。
用于上述应用领域的结构管材在最低至-40℃的低温下承受在强度和韧性上的极高负荷要求。
为了达到所要求的性能，必须在热轧之后对所述管材进行调质处理。
采用由DE 199 42 641 A1以FGS 70形式已知的钢，达到了所有对于屈服极限、拉伸强度、断裂延伸率和缺口冲击能所要求的最低值。
但是，对用于上述应用领域的结构管材的要求近年来一直在不断提高，使得现今越来越需要具有以下要求的结构管材：
●屈服极限Rp0.2最低：960MPa
●拉伸强度Rm：980-1150MPa
●缺口冲击能Av(纵向)：在-40℃下为27J
●保证一般的可焊性
●低的或者有限的Ni含量。
在用于所述应用领域的热加工的无缝管材具有足够韧性的情况下所要求的强度提高，需要研发出新的合金方案(Legierungskonzepte)。特别是在屈服极限范围为约1000MPa时，传统的合金方案不能在低温下达到足够的韧性。
已知增加强度同时导还致韧性增加的机制是降低晶粒尺寸。这可例如通过将镍或钼添加到合金中并与此相关地降低转化温度而降低晶粒尺寸。
但是，这些合金方案导致碳当量的增加并与此相关地导致较差的可焊性。此外，镍和钼使得合金成本显著升高并且镍还使得热轧管材的表面品质劣化。
但是，提高碳含量以增加强度的明显可能性会导致韧性的劣化和碳当量的显著提高。
钒同样用于提高强度。该方案基于在回火处理期间钒的混晶硬化
以及极细钒碳化物的析出。
但是，采用上述合金化方案不能满足所要求的性能。
降低晶粒尺寸以改进机械性能原则上也可通过热机械处理进行。
但是，在热加工无缝管材时特定的温度进程不允许变形温度的降低，使得可施用用于热机械处理的已知方案。
迄今为止所需的高要求只能采用高合金钢得以实现，所述高合金钢由于其高成本不具有或仅仅具有低的市场接受性。
本发明的目的在于提供一种用于制造高强度的可焊接的无缝钢管材(尤其是结构管材)的低合金钢的廉价钢合金，所述低合金钢可靠地满足在屈服极限、拉伸强度和缺口冲击能方面的最低要求，并保证良好的可焊性且在热轧时导致视觉上无缺陷的表面。
该目的从与权利要求1的特征相关的上位概念出发得以实现。有利的具体实施方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的教导，对于用于制造高强度的、可焊接的热轧无缝钢管材(尤其是结构管材)的低合金钢，提出一种钢合金，其具有如下化学组成(以质量％计)：
0.15-0.18％ C
0.20-0.40％ Si
1.40-1.60％ Mn
最高0.05％ P
最高0.01％ S
＞0.50-0.90％ Cr
＞0.50-0.80％ Mo
＞0.10-0.15％ V
0.60-1.00％ W
0.0130-0.0220％ N
余量的铁以及由冶炼引起的杂质，任选地加入选自Al、Ni、Nb和Ti中的一种或多种元素，前提是，V/N的比值为4-12并且所述钢的Ni含量不超过0.40％。
本发明的钢合金是接续由DE 199 42 641A1已知的在合金中添加钨的细晶粒结构钢的研发进行的。
由迄今为止已知的经验未知的是，钨对于可焊性具有不利的影响。但是，根据研究，通过将与钨进行合金化可达到的最大屈服极限升高仅为最高至约900MPa。进一步的升高仅通过提高钨含量是不可能的。因此，已经证明有利的W含量为0.60-1.0％，优选0.7-0.9％。
在本发明过程中进行的试验令人惊奇地显示，在与已知的钢合金相比仅以稍微更高的量添加合金元素如Cr和Mo的情况下，保持特定的V/N比例获得了显著的强度提高，同时仍保持所需的缺口冲击能在-40℃下为27J。
但是，已经证明为了达到特定的“基本强度”，Cr、Mo和W的添加总量应为至少1.5重量％。
本发明包括通过有针对性地与钒和氮进行微合金化中而将再结晶终止温度提高至显著高于最终轧制温度的革新性方案。基于宽范围的热力学计算，V与N的含量的比例必须为4-12，以便达到所期望的效果。
一般而言，高含量的溶解的氮(
Stickstoff)被视为对于韧性是不利的。但是，通过在4-12范围内适合地选择V/N比例，可以将溶解的氮的含量降低到最低值，而同时所形成的钒碳氮化物通过热机械处理具有所述晶粒细化作用。
此外，具有异常高的氮含量(因形成钒-碳氮化物而无害或者甚至用于晶粒细化)的合金还有利地使得不需要在二次冶金范围内的昂贵脱气处理。
在本发明的合金化方案范围内，视需要而定，设计任选地将一种或多种以下合金元素添加到合金中：Al、Ni、Nb和Ti。例如，这些需要可以由待轧制管材不同的壁厚而得出，该壁厚可以处于低于10mm至高于80mm的范围内并尤其是在较大壁厚的情况下使得需要通过合金化而加入所述元素，以便通过晶粒细化实现所需的性能。
鉴于所述合金化方案的最佳成本/利润关系，已经证明如下含量是有利的：最高0.03％的Al、最高0.40％的Ni、最高0.04％的Nb、最高0.04％的Ti。
最高0.40％的Ni含量是足够低的，以便在主要用于该类钢物料的连续制管法(Rohrkontiverfahren)中产生足够良好的表面品质。
在将皮尔格热轧法用于制备无缝管材时，为了达到足够的表面品质，将Ni含量限制于0.20％，优选0.15％，尤其是最高0.10％。
采用下列本发明的钢合金由处理的熔体(Betriebsschmelze)制造的无缝钢管具有优异的强度和韧性数值。
0.17％ C
0.32％ Si
1.54％ Mn
0.013％ P
0.003％ S
0.74％ Cr
0.54％ Mo
0.11％ V
0.75％ W
0.0142％ N
0.023％ Al
0.16％ Ni
0.001％ Ti
0.164％ Ni
以及V/N＝8.03
由此测得在下表中列出的值。所述值是分别来自4个拉伸试样或者4个缺口冲击弯曲试样的平均值。所述试样作为纵向试样获自工厂制造的经热处理的管材。
AD：外直径，WD：壁厚度
Claims (8)
1.用于制造高强度的、可焊接的热轧无缝钢管材的低合金钢的钢合金，其具有如下化学组成，以质量％计：
0.15-0.18％ C
0.20-0.40％ Si
1.40-1.60％ Mn
最高0.05％ P
最高0.01％ S
0.50-0.90％且不含有0.50％ Cr
0.50-0.80％且不含有0.50％ Mo
0.10-0.15％且不含有0.10％ V
0.60-1.00％ W
0.0130-0.0220％ N
余量的铁以及由冶炼引起的杂质，任选地加入选自Al、Ni、Nb和Ti中的一种或多种元素，以使所述任选地加入合金的元素具有如下含量：
最高0.03％ Al
最高0.40％ Ni
最高0.04％ Nb
最高0.04％ Ti，
前提是，V/N的比值为4-12并且所述钢的Ni含量不超过0.40％。
2.根据权利要求1的钢合金，其特征在于，所述无缝钢管材是结构管材。
3.根据权利要求1或2的钢合金，其特征在于，W含量为0.7-0.9％。
4.根据权利要求1或2的钢合金，Cr、Mo和W的添加总量为至少1.5重量％。
5.高强度的可焊接无缝钢管材，其通过热轧并随后调质处理而制得，其包含具有如下合金组成的钢：
0.15-0.18％ C
0.20-0.40％ Si
1.40-1.60％ Mn
最高0.05％ P
最高0.01％ S
0.50-0.90％且不含有0.50％ Cr
0.50-0.80％且不含有0.50％ Mo
0.10-0.15％且不含有0.10％ V
0.60-1.00％ W
0.013-0.0220％N，并且
4≤V/N≤12
余量的铁以及由冶炼引起的杂质，含有选自Al、Ni、Nb和Ti中的一种或多种元素，以使所述任选地加入所述钢合金中的元素具有如下含量：
最高0.03％ Al
最高0.40％ Ni
最高0.04％ Nb
最高0.04％ Ti。
6.根据权利要求5的无缝钢管材，其特征在于，所述无缝钢管材是结构管材。
7.根据权利要求5或6的无缝钢管材，其特征在于，W含量为0.7-0.9％。
8.根据权利要求5或6的无缝钢管材，其特征在于，Cr、Mo和W的添加总量为至少1.5重量％。
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