CN102162071A - 轧管用限动芯棒钢材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能轧管用限动芯棒钢材料及其制造方法。所述钢材料的成分质量百分比含量为：C：0.40～0.48％、Si：0.40～0.80％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.010％、S：≤0.008％、Cr：2.30～3.00％、Mo：2.0～2.5％、V：1.0～1.5％、Ni：0.50～0.80％、Nb：0.04～0.10％、Al：0.015～0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述轧管用限动芯棒钢材料的高温性能优良，大大提高了芯棒寿命，本发明钢材制造的芯棒经一次装机到下线修复可轧制钢管3500～4200支，而H13钢在同样条件下轧制钢管2000～3000支，其使用寿命提高50％左右，降低了钢管生产成本，提高生产效率。

Description

轧管用限动芯棒钢材料及其制造方法

技术领域

本发明属于合金钢领域，主要涉及一种制造轧管用高性能限动芯棒钢材料及其制造方法。

背景技术

目前，轧管用限动芯棒主要是用美国标准热作模具钢H13制造。该钢具有强韧性兼备、工艺稳定性好、生产成本相对较低等特点而被广泛采用。但H13仅适合于在600℃以下的工况条件使用。由于芯棒在工作工程中要穿入大于1000℃的高温毛管中，芯棒本体在外部强制冷却条件下依然需要承受高达700℃的高温，当热循环应力超过芯棒本身的高温屈服强度时，芯棒表面将会产生热疲劳裂纹，加速芯棒的早期失效。现有的H13限动芯棒用钢经2000～3000次冷热疲劳循环后，由于热疲劳损坏严重而导致报废，致使生产成本增加，生产效率降低。因此，为了提高轧管用限动芯棒的寿命，必须提高钢材料的疲劳寿命。

采用恒应力控制热疲劳试验的研究者普遍认为，材料强度愈高，疲劳寿命愈长，因为高的屈服强度可以抵抗热循环产生的应力。只要热循环产生的应力不超过材料的屈服强度，材料就不会开裂。因此，提高芯棒钢材料的高温屈服强度和抗回火软化能力，是提高其使用寿命的关键所在。

为得到这种高性能限动芯棒钢，从成分设计角度考虑，应对H13钢的成分进行适当调整，并加入一些抗回火软化能力强的合金元素，以提高钢材料的高温力学性能。如专利申请CN200510085632.3所公开的钢材料，虽然与H13相比强度有一定的改善，但是由于钢中Mo、V含量较低，而且不含有Nb元素，因此其高温力学性能和抗回火软化能力和H13性能相近，未达到明显的改善。又如专利申请CN200410075066.3公开的钢材料，虽然添加了RE、W、B、Zr、Mg、Ti等一种或一种以上合金元素改善性能，但同时也使制造工艺复杂，生产成本增加。另外，其C、Mo、V含量较低，而Si、Cr含量较高，对改善钢材的强度也有一定的限制。

因此，亟需一种在高温下性能优良的钢材，作为轧管用限动芯棒的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能轧管用限动芯棒钢材料。

为实现上述目的，本发明所提供的钢，其成分质量百分比含量为：C：0.40～0.48％、Si：0.40～0.80％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.010％、S：≤0.008％、Cr：2.30～3.00％、Mo：2.00～2.50％、V：1.00～1.50％、Ni：0.50～0.80％、Nb：0.04～0.10％、Al：0.015～0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。

此外，本发明还提供了上述钢材料的一种制造方法，依次包括电弧炉和钢包炉真空精炼、电渣重熔、锻造、退火、调质处理，其中调质处理包括油淬和高温回火两步。

优选地，所述油淬的温度为1050-1100℃。

优选地，所述高温回火的温度为620-700℃。进一步优选地，所述高温回火温度为650-700℃。

下面将进一步说明本发明。

本发明在成分设计上降低Cr含量，增加Mo、V含量，以促进高温稳定相Mo₂C和V₄C₃的形成，而减少高温不稳定相Cr₇C₃和Cr₂₃C₆的形成，从而提高其使用温度。此外，要使V₄C₃溶入奥氏体中，需采用1050℃以上的奥氏体化温度，必将导致奥氏体晶粒的粗化。因此在钢中加入Nb微合金化元素后，可形成稳定性更好的细小NbC颗粒，以阻止奥氏体晶粒的长大，使奥氏体晶粒明显细化，从而改善钢的塑韧性。同时，本发明正是利用这一规律使得发明钢种在生产时回火温度可以明显提高，从而明显改善了钢的抗回火软化能力。此外，由于回火温度更接近其使用温度，使得发明钢在使用过程中具有更好的组织稳定性。不仅如此，钢中因加入适量的Ni后，使其室温塑韧性进一步得到改善。

以下将本发明钢成分的设计进行说明：

C：C含量增加会使钢的高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，因此可以将H13钢的含C量适当提高。但含C量过高，会导致其韧度降低，因此，本发明钢的含C量采用0.40～0.48％。

Si：Si加入钢中起到了脱氧和改善耐蚀性的作用。但是Si会降低钢的热导率，增加芯棒的热积累效应，因而降低芯棒的使用寿命。而且Si含量增加，会降低材料的冲击韧性。因此，钢中的Si质量百分比含量保持在0.40～0.80％范围，有助于获得最佳的强韧配合。

Mn：Mn是改善钢的强韧性必需的元素，在此限定其质量百分比含量范围为0.30～0.60％。

Cr：钢中的Cr一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与C结合形成Cr₇C₃和Cr₂₃C₆，但这两种碳化物在高温下是不稳定的，在高温下不能起到很好的强化作用。此外，当Cr质量百分比含量＞3％时，会阻止V₄C₃的生成和推迟Mo₂C的共格析出，影响Mo和V的强化作用。因此，必须降低Cr含量。在本发明的钢中Cr的质量百分比含量为2.30～3.00％。

Mo：Mo的加入是为了提高二次硬化效应。一般为了产生二次硬化效应，Mo的加入量不低于1.0％，加入3.0％便达到极值效果，加入2.00～2.50％可获得最佳的效果。因此，在本发明的钢中Mo的质量百分比含量为2.00～2.50％。

V：V的作用主要是细化晶粒和组织，增加回火稳定性和二次硬化效应。V含量低时，不足形成V₄C₃，不会产生二次硬化效应；超过1.5％时由于析出物粗化而使性能恶化。因此，控制其质量百分比含量为1.00～1.50％。

Ni：Ni是为了改善室温塑性和韧性。加入量低于0.30％，效果不明显，但是，在热作模具钢中，Ni会促进淬火冷却过程中沿奥氏体晶界析出碳化物，减少了基体中碳化物形成元素，因而降低其热稳定性。因此，在高性能热作模具钢中不加入过多的Ni，在本发明中控制其质量百分含量为0.50～0.80％。

Nb：Nb的加入是为了细化晶粒、提高了材料的强度和塑性。但是加入量低于0.04％时，效果不明显，超过0.10％时由于析出物粗化而使性能恶化。

Al：Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用。当加入量低于0.015％时，效果不明显，加入量超过0.035％，力学性能变差。

本发明在材料设计上着眼于提高材料的高温性能和抗回火软化能力，适当提高Mo、V合金元素的含量，降低Cr元素含量，并添加适量的Nb、Ni元素，控制P、S等杂质含量，经最终调质热处理后，即可获得高性能的限动芯棒用钢。

与现有限动芯棒用钢相比，本发明具有以下有益效果：

1、高温性能优良，大大提高了芯棒寿命，发明钢材制造的芯棒经一次装机到下线修复可轧制钢管3500～4200支，而H13钢在同样条件下轧制钢管2000～3000支，其使用寿命提高50％左右；

2、降低钢管生产成本及提高生产效率。

具体实施方式

按照本发明钢种的化学成分要求，钢坯经过电弧炉和钢包炉真空精炼、电渣重熔、锻造和退火。调质处理中，在1060℃下油淬，之后分别在620℃和700℃下高温回火，以制造不同规格的钢材料样品。为了对比，在生产本发明钢的同时，采用相同工艺生产了H13钢的对比例。对实施例/对比例进行取样，分别进行室温及高温拉伸试验、室温冲击试验和上机考核试验。其结果如下所示。

表1实施例和对比例的化学成分(wt％)

表2实施例钢和对比例钢的力学性能和使用寿命比较

本发明的轧管用限动芯棒钢材料高温力学性能优良，抗回火软化能力强，使用寿命大大提高，可取代普通H13限动芯棒钢。它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景将非常巨大。

Claims (5)

1.一种轧管用限动芯棒钢材料，其成分质量百分比含量为：

C     0.40～0.48

Si    0.40～0.80

Mn    0.30～0.60

P     ≤0.010

S     ≤0.008

Cr    2.30～3.00

Mo    2.00～2.50

V     1.00～1.50

Ni    0.50～0.80

Nb    0.04～0.10

Al    0.015～0.035

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.制造如权利要求1所述的钢材料的方法，其特征在于，所述方法依次包括电弧炉和钢包炉真空精炼、电渣重熔、锻造、退火、调质处理，其中，调质处理包括油淬和高温回火两步。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述油淬的温度为1050-1100℃。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温回火的温度为620-700℃。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高温回火的温度为650-700℃。