CN112575246A - 一种可焊接性好且高韧性芯棒钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种可焊接性好且高韧性芯棒钢及其制造方法,其成分质量百分比为:C 0.25~0.28%,Si 0.62~0.72%,Mn 0.60~0.70%,S≤0.005%,P≤0.015%,Cr 3.30~3.50%,Mo 0.60~0.80%,V 0.25~0.35%,Al≤0.040%,H≤2.5ppm,O≤30ppm,N≤100ppm,其余为Fe和其他不可避免的杂质,且,同时满足:M=474C+33Mn+17Cr+21Mo,M值≤220。本发明所述芯棒钢组织中硬脆的液析碳化物的数量大大减少或基本不出现,在强度不降低的条件下,实现了冲击韧性的大幅度提高,韧性的改善有利于芯棒循环使用过程中抵抗疲劳开裂和螺扣断裂事故发生;且其降低C含量的成分设计也有利于焊接性的改善,对于芯棒循环堆焊修复使用有利。
Description
技术领域
本发明涉及一种可焊接性好且高韧性芯棒钢及其制造方法。
背景技术
芯棒是无缝钢管连轧生产过程中消耗量大的重要工器具之一,主要作用是将毛管轧成所需外径和壁厚的荒管。芯棒的性能和质量影响着芯棒使用寿命或轧管吨钢工具成本和钢管内表质量。芯棒在使用过程中受到冷热温度循环、轧制力、摩擦力的交互作用,会发生应力疲劳、冷热疲劳、高温磨损等,导致在表面产生龟裂、磨损、环裂等缺陷,从而失效下线。
国内目前主要使用的芯棒材质是H13钢(4Cr5MoSiV1),其特点是合金元素Cr、Mo、V添加量较多因而热强性较好,但是冲击韧性也因此较低,容易在循环使用过程中发生疲劳断裂失效,造成工具成本损失和影响正常生产。芯棒钢需要加工螺扣与其它部件连接才能使用,螺扣一般使用的是芯棒钢圆坯二分之一半径位置处的材料,因此要求具备足够的强度,才能保证螺扣的强度和抗疲劳性能。
芯棒钢是通过淬火+回火的调质热处理获得所需的韧性、强度组合性能的,因此在进行合金设计时需要确保淬火后二分之一半径位置及更靠近心部的位置能够淬透淬硬以保证螺扣的强度要求。
另外,芯棒在循环使用一定周期后就会因表面缺陷形成且超过一定标准后下线重车,需要彻底去除表面缺陷后,再堆焊熔覆足够厚度的耐磨合金,然后机加工至原有尺寸进行再次利用。因此,芯棒的成分设计还需考虑循环堆焊修复的实际使用需求,即对于可焊接性的需求,从而保证芯棒可以获得高的累积使用寿命。
中国专利CN1616700A公开了一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢及其生产工艺,材料化学成分为C 0.30~0.43%,Mn≤0.60%,Si 0.70~1.00%,P≤0.010%,S≤0.007%,Cr 4.5~5.5%,Mo 1.00~1.50%,V 0.70~1.00%,Nb 0~0.25%,Al≤0.015%,Ni 0.10~0.75%,Cu≤0.10%,[O]≤30ppm,[H]≤2ppm。还含有RE 0.008~0.10%,W 0.30~1.70%,B≤0.005%,Ca 0.002~0.01%,Mg 0.002~0.012%,Zr 0.01~0.15%、Ti 0.005~0.05%。
中国专利CN103555912A公开了一种利用30Cr3MoV钢为圆料生产芯棒的方法,涉及了锻造、热处理等具体工艺方法,热处理主要采用正火+调质(淬火+回火)的方法。所用电极坯的化学成分为C 0.28~0.33%,Si 0.55~0.70%,Mn 0.40~0.60%,Cr 3.00~3.30%,Mo 0.45~0.55%,V 0.20~0.30%,S≤0.008%,P≤0.012%。电渣锭的化学成分为C 0.28~0.33%,Si 0.45~0.65%,Mn 0.40~0.60%,Cr 3.00~3.30%,Mo 0.45~0.55%,V0.20~0.30%,S≤0.008%,P≤0.012%。
中国专利CN101486044A公开了一种连轧管机用直径330mm以上的限动芯棒的制造方法,涉及了淬火和两次高温回火工艺。所用材料化学成分为C 0.30-0.38%,Si 0.70~1.10%,Mn≤0.60%,Cr 4.5~5.5%,S≤0.005%,P≤0.015%,Mo 1.00~1.50%,V 0.80~1.20%。
中国专利CN102069345A公开了一种大规格钢管限动芯棒制造方法。采用高温扩散的工艺,解决了芯棒的偏析问题,轧后采用间歇式喷淋水冷和高温回火的工艺消除了芯棒毛坯中的网状碳化物,改善了大规格芯棒的生产质量。
中国专利CN102162071A公开了一种高性能轧管用限动芯棒钢材料及其制造方法。所用材料化学成分为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%。
中国专利CN104998905A公开了一种合金钢、限动芯棒及其生产方法。所有材料化学成分为:C 0.27~0.31%,Si 0.60~0.80%,Mn 0.70~0.90%,P ≤0.015%,S≤0.005%,Cr 3.50~3.70%,Ni 0.20~0.30%,V 0.40~0.50%,Mo 0.50~0.58%,Al≤0.025%。
目前,国内的芯棒在成分设计时均没有考虑芯棒后续循环堆焊修复的使用需求,因而堆焊修复芯棒再次使用的寿命大大降低,导致芯棒累计寿命大大降低,使用成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可焊接性好且高韧性芯棒钢及其制造方法,在保证芯棒圆钢在二分之一半径位置强度不降低的同时,改善焊接性和冲击韧性;所述芯棒钢室温下的屈服强度Rp0.2≥880MPa,抗拉强度Rm在1050~1280MPa,延伸率≥10%,冲击韧性AKV均值≥25J。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明通过合理的C、V、Mn、Mo、Cr成分设计,通过减少C来改善可焊接性和韧性,通过降低V来减少脆硬相液析碳化物的形成来改善韧性,以及通过增加Mn、Mo、Cr来保证C、V降低后强度不降低,从而获得了一种强度满足要求,而可焊接性好且高韧性的芯棒钢。在强度不降低的条件下,通过提高韧性,可以有效改善芯棒在工作温度下的抗冷热疲劳性能,从而有效提高芯棒轧制钢管的寿命;通过综合控制C、Mn、Cr、Mo的含量来减少残余奥氏体的形成,从而保证强度,并且避免在工作温度下的使用过程中因残余奥氏体发生转变而引起强度变化和芯棒变形进而无法使用导致出现芯棒轧制钢管的寿命较低的问题。
具体的,本发明所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢,其化学元素质量百分比含量为:C 0.25~0.28%,Si 0.62~0.72%,Mn 0.60~0.70%,S≤0.005%,P≤0.015%,Cr3.30~3.50%,Mo 0.60~0.80%,V 0.25~0.35%,Al≤0.040%,H≤2.5ppm,O≤30ppm,N≤100ppm,其余为Fe和其他不可避免的杂质,且,同时满足:M=474C+33Mn+17Cr+21Mo,M值≤220。
本发明所述顶头中各化学元素的设计原理为:
碳(C):通过析出强化、固溶强化来提高强度。含量过低,强度不够;含量过高,焊接性能不好,韧性显著降低。另外,降低C含量可以使钢的马氏体相变点Ms点处于相对较高的温度水平,从而减少淬火过程中形成过多的残余奥氏体,避免残余奥氏体在工作温度下发生转变而影响芯棒的工作性能或变形。因此,本发明需要将C含量控制在0.25~0.28%之间。
硅(Si):炼钢过程中起脱氧作用,另外对改善钢的高温抗氧化性能有利。Si还可以起到回火稳定性、提高淬透性的作用。但是Si含量过高,对材料的韧性不利。因此,本发明需要将Si含量控制在0.62~0.72%之间。
锰(Mn):Mn为固溶强化元素,有利于提高基体的强度。但Mn含量过高容易导致成分偏析,造成材料各处组织性能不均匀,对抗冷热疲劳性能不利。因此,本发明将Mn含量控制在0.60~0.70%之间。
铬(Cr):Cr主要是可与C结合在板条界面形成碳化物Cr7C3和Cr23C6产生析出强化作用提高强度,以及提高淬透性的作用。但是Cr含量过高,会导致材料强度过高而降低韧性,且Cr含量过高会降低Ms点,使淬火过程形成过多的残余奥氏体从而在工作温度下发生转变而影响芯棒的工作性能或变形。因此,本发明将Cr含量控制在3.30~3.50%之间。
钼(Mo):Mo的加入是为了提高固溶强化作用和与C结合在板条内形成碳化物Mo2C产生析出强化作用从而提高强度,以及提高淬透性的作用。但是Mo含量过高,会导致材料强度过高而降低韧性,且Mo含量过高会降低Ms点,使淬火过程形成过多的残余奥氏体从而在工作温度下发生转变而影响芯棒的工作性能或变形。因此,本发明将Mo含量控制在0.60~0.80%。
钒(V):V的加入是为了与C结合形成碳化物V4C3产生析出强化作用从而提高强度。但是V含量过高,会促进钢中形成脆硬相液析碳化物从而降低韧性。因此,本发明将V含量控制在0.25~0.35%。
铝(Al):Al的加入是为了脱氧,但是Al含量过高,会形成降低韧性。因此,本发明将Al含量控制在≤0.040%。
硫(S)、磷(P)、氢(H)、氧(O)、氮(N):为了降低硫、磷、氢、氧、氮对韧性的不利影响,本发明控制S≤0.005,P≤0.015,H≤2.5ppm,O≤30ppm,N≤100ppm。
M:M=474C+33Mn+17Cr+21Mo,M值反映出芯棒钢中各种合金元素(C、Mn、Cr、Mo)含量对马氏体开始相变点温度的综合影响,M值越大,则马氏体开始相变点越低,残余奥氏体含量越高;M值越小,则马氏体相变点越高,残余奥氏体含量越少。因此,本发明将M值控制在≤220。
本发明还提供了所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢及其制造方法,包括如下步骤:按照上述化学成分进行冶炼、铸造,钢锭加热,轧制圆钢坯,退火,调质热处理;其中,所述调质热处理中淬火加热温度为920~960℃,回火温度为600~640℃。本发明在成分设计上通过合理的C、Mn、Cr、Mo含量设计,控制残余奥氏体;同时通过合理的调质热处理工艺设计进一步配合控制残余奥氏体,通过控制淬火加热温度上限避免过多的C、Mn、Cr、Mo合金元素固溶进基体以及奥氏体晶粒粗大从而提高了过冷奥氏体的稳定性,导致淬火冷却过程中残余奥氏体增多,另外通过充分的回火,在保证强度的同时,使淬火时形成的残余奥氏体大部分在热处理过程就发生向马氏体的转变,避免在使用过程转变而影响尺寸稳定性。
本发明在调质热处理步骤中,淬火加热温度控制为920~960℃。
若淬火加热温度低于920℃,合金元素未得到充分固溶,不能有效发挥合金元素改善淬透性的作用,不能满足大规格芯棒心部淬透的要求,也对后续回火过程通过析出控制调整强韧性匹配不利;若淬火加热温度高于960℃,奥氏体晶粒会快速长大粗化,导致晶粒过大而降低韧性,且淬火加热温度过高,固溶进基体的碳和合金元素含量增多,且奥氏体晶粒粗化,马氏体开始相变点降低,残余奥氏体含量增多。因此,本发明需要将淬火加热温度控制在920~960℃。
本发明在调质热处理步骤中,回火温度控制为600~640℃:本发明中,若回火温度低于600℃,则淬火得到马氏体组织未充分回复,合金元素未充分与C结合以碳化物的形式析出,从而材料的强度过高,韧性较低,对芯棒循环使用过程的抗事故性能不利;若回火温度高于640℃,则马氏体组织板条退化软化程度高,位错密度显著降低,碳化物快速长大粗化,虽然材料的韧性较高,但强度过低,对芯棒圆钢满足二分之一半径位置的强度要求不利。因此,本发明需要将回火温度控制在600~640℃。
本发明的有益效果:
本发明采用低C和低V的成分设计来改善焊接性、冲击韧性,并提高Mn、Mo、Cr的含量来保证C、V降低后二分之一半径位置的淬透淬硬性和强度,满足螺扣使用要求。
通过减少C来改善可焊接性和韧性,通过降低V来减少脆硬相液析碳化物的形成来改善韧性,以及通过增加Mn、Mo、Cr来保证C、V降低后强度不降低,从而获得了一种强度满足要求,而可焊接性好且高韧性的芯棒钢。在强度不降低的条件下,通过提高韧性,可以有效改善芯棒在工作温度下的抗冷热疲劳性能,从而有效提高芯棒轧制钢管的寿命。
通过综合控制C、Mn、Cr、Mo的含量来减少残余奥氏体的形成,从而保证强度,并且避免在工作温度下的使用过程中因残余奥氏体发生转变而引起变形进而无法使用导致出现芯棒轧制钢管的寿命较低的问题。
本发明由于芯棒韧性得到改善,且通过成分-工艺控制残余奥氏体含量对减少芯棒使用过程中的变形有利,使得芯棒轧制钢管的寿命达到1500~2000支,而H13钢在同等条件下轧制钢管的寿命为1000~1200支,Mn、Cr、Mo、V合金含量降低的同时,使用寿命明显延长,有效降低了轧制钢管的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例钢的显微组织照片。
图2为比较例钢的显微组织照片。
具体实施方式
下面将根据具体实施例对本发明所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢做出进一步说明,但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。
本发明所述可焊接性好且高韧性芯棒钢实施例的成分参见表1,成分中余量为Fe和其他不可避免杂质。
本发明实施例的制造方法包括如下步骤:
1)冶炼:转炉或电炉冶炼;
2)铸造:铸成钢锭;
3)钢锭加热,控制加热保温温度在1250~1300℃;
4)轧制圆钢坯,控制总压缩比≥6;
5)退火,退火保温温度720~780℃;
6)调质热处理。
其中,调质热处理工艺如表2所示。
为了和现有芯棒材料和技术进行对比,作为比较例的H13钢的调质热处理工艺采用芯棒制造行业通常采用的工艺,即淬火温度1030℃,回火温度650℃。
由表2可知,本发明通过合理的C、V、Mn、Cr、Mo的成分设计和调质热处理工艺设计制造的芯棒圆钢在二分之一半径位置取样的横向冲击韧性较H13钢(即比较例1-3)提高85.5%左右(冲击韧性提高率=(实施例冲击韧性均值-比较例冲击韧性均值)/比较例冲击韧性均值×100%),但强度未有明显降低,表明其获得了更好的强韧性匹配,韧性的提高对于芯棒循环使用过程中抗疲劳断裂和螺扣断裂失效有利。
冲击韧性的改善一方面得益于C含量的降低,另一方面得益于V含量的降低使得硬脆相的液析碳化物形成的数量减少或基本不出现(图1、图2分别给出了实施例和比较例典型的组织,实施例典型组织中未见到白色大块的液析碳化物,比较例典型组织中可见白色大块的液析碳化物)。
表1 单位:重量百分比
C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Al | M | |
实施例1 | 0.25 | 0.71 | 0.65 | 3.32 | 0.62 | 0.26 | 0.030 | 208.7 |
实施例2 | 0.27 | 0.66 | 0.61 | 3.49 | 0.63 | 0.33 | 0.029 | 219.9 |
实施例3 | 0.26 | 0.63 | 0.63 | 3.4 | 0.66 | 0.31 | 0.035 | 214.9 |
实施例4 | 0.26 | 0.65 | 0.62 | 3.42 | 0.64 | 0.29 | 0.028 | 214.5 |
实施例5 | 0.27 | 0.64 | 0.64 | 3.46 | 0.61 | 0.32 | 0.036 | 219.9 |
实施例6 | 0.26 | 0.69 | 0.70 | 3.35 | 0.61 | 0.27 | 0.033 | 215.3 |
实施例7 | 0.25 | 0.70 | 0.67 | 3.46 | 0.69 | 0.25 | 0.027 | 213.2 |
实施例8 | 0.26 | 0.62 | 0.64 | 3.34 | 0.66 | 0.28 | 0.033 | 214.2 |
实施例9 | 0.27 | 0.67 | 0.63 | 3.44 | 0.6 | 0.34 | 0.028 | 219.0 |
实施例10 | 0.26 | 0.68 | 0.66 | 3.38 | 0.64 | 0.3 | 0.034 | 215.1 |
比较例1 | 0.42 | 1.10 | 0.40 | 5.00 | 1.22 | 0.97 | 0.035 | 321.6 |
比较例2 | 0.39 | 0.90 | 0.25 | 5.20 | 1.43 | 1.15 | 0.032 | 310.4 |
比较例3 | 0.34 | 1.00 | 0.35 | 5.45 | 1.35 | 0.90 | 0.038 | 292.7 |
备注:M=474C+33Mn+17Cr+21Mo
表2
Claims (6)
1.一种可焊接性好且高韧性芯棒钢,其化学成分质量百分比为:C 0.25~0.28%,Si0.62~0.72%,Mn 0.60~0.70%,S≤0.005%,P≤0.015%,Cr 3.30~3.50%,Mo 0.60~0.80%,V 0.25~0.35%,Al≤0.040%,H≤2.5ppm,O≤30ppm,N≤100ppm,其余为Fe和其他不可避免的杂质,且,同时满足:M=474C+33Mn+17Cr+21Mo,M值≤220。
2.如权利要求1所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢,其特征在于,所述芯棒钢的显微组织为回火马氏体。
3.如权利要求1或2所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢,其特征在于,所述芯棒钢室温下的屈服强度Rp0.2≥880MPa,抗拉强度Rm在1050~1280MPa,延伸率≥10%,冲击韧性AKV均值≥25J。
4.如权利要求1所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢的制造方法,其特征是,包括如下步骤:冶炼、铸造、钢锭加热、轧制圆钢坯、退火、调质热处理;所述调质热处理中淬火温度为920~960℃,回火温度为600~640℃。
5.如权利要求4所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢的制造方法,其特征是,所述芯棒钢的显微组织为回火马氏体。
6.如权利要求4或5所述的可焊接性好且高韧性芯棒钢的制造方法,其特征是,所述芯棒钢室温下的屈服强度Rp0.2≥880MPa,抗拉强度Rm在1050~1280MPa,延伸率≥10%,冲击韧性AKV均值≥25J。
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