CN113637890B

CN113637890B - 一种超细晶粒无缝钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN113637890B
Application number: CN202010343851.1A
Authority: CN
Inventors: 刘耀恒; 周雄; 王海兵
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Yantai Lubao Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-04-27
Also published as: CN113637890A

Abstract

本发明公开了一种超细晶粒无缝钢管，晶粒度在9级以上，超细晶粒无缝钢管的各化学元素质量百分比为：C：0.03～0.1％，Si：0.2～1％，Mn：0.5％～1.5％，Al：0.01～0.05％，N：0.001～0.01％，S≤0.008％，P≤0.02％，O≤0.006％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素。此外本发明还公开上述超细晶粒无缝钢管的制造方法，其步骤包括(1)制得管坯(2)将管坯制加热、保温，然后经穿孔、轧制制成荒管(3)以10～80℃/s的冷却速度对荒管进行冷却，控制终冷温度≤600℃(4)将冷却后的荒管重新加热到850～1000℃，保持10～60min后，进行张力减径或定径，控制截面变形量不小于1.2(5)钢管轧制：控制终轧温度为800～980℃，终轧后以10～80℃/s的冷却速度对钢管进行冷却，终冷温度控制在550℃～700℃(6)将钢管自由空冷至室温。

Description

一种超细晶粒无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种无缝钢管及其制造方法。

背景技术

无缝钢管不仅可以应用于流体输送等领域，由于其中空的特点，其在各类机械结构部件制造中同样也有较多应用。无缝钢管常常作为一种加工用原材料，需要在后续加工中经过弯、扩、挤等各类的变形过程，应用在机械结构中。这使得对机械结构用的无缝管的塑韧性提出了较高的要求。此外，因为机械结构用的无缝管往往需要承受一定应力，因此对其强度也有一定的要求。

无缝钢管的传统制造方法为穿孔-轧制-张力减径/定径成管，然后在冷床上空冷到室温，变形过程集中在高温区域进行，过程中也缺少类似板材TMCP技术的组织性能调控手段，因此往往晶粒要粗于同类的板材产品，性能也较为低下。近年来部分企业开始探索在无缝钢管生产过程中应用控制冷却乃至控制轧制等手段，在细化晶粒、提升性能方面起到了良好效果。

铁素体在钢中通常作为一种软相存在，其塑韧性较好，适宜于后续的加工处理，但强度较低，细化铁素体晶粒是一种行之有效的提高强韧性的方法，但无缝钢管细化晶粒基本需要添加V、Nb、Ti等微合金元素乃至稀土等，或通过后续热处理方可得到较细化的铁素体晶粒，但其晶粒度也难以达到9级以上，起到的强化作用比较有限。

公开号为CN101892441A，公开日为2010年11月24日，名称为“一种超细晶粒半挂车车轴管材料及车轴管加工方法”的中国专利文献，公开了一种超细晶粒半挂车车轴用管及制造方法，其主要是通过外壁强冷+余温回火工艺来大幅提高强度及疲劳寿命，对塑性方面并无明显改善。

公开号为CN103290324A，公开日为2013年9月11日，名称为“细晶粒铁素体+珠光体型N80-1非调质无缝油套管及生产方法”的中国专利文献，公开了一种细晶粒铁素体+珠光体型非调质N80-1无缝油套管及其生产方法，主要通过在线常化工艺来细化晶粒、提升强韧性，同时也需要添加V/Nb/Ti等细化晶粒元素。

基于此，期望获得一种可以无需添加V/Nb/Ti等微合金元素，即具有优良的变形特性和低温韧性，且兼具较高强度的无缝钢管。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超细晶粒无缝钢管，该超细晶粒无缝钢管的微观组织以铁素体为主，铁素体比例不低于75％，晶粒度在9级以上，具有优良的变形特性和低温韧性(延伸率>30％，-40℃夏比冲击功>50J)，同时其屈服强度可以达到245MPa以上。该超细晶粒无缝钢管无需添加各类贵重合金元素，也无需热处理，生产成本较低，可以有效适用于各类以钢管作为原材料的加工制造行业中。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超细晶粒无缝钢管，其化学元素质量百分比为：

C：0.03～0.1％，Si：0.2～1％，Mn：0.5％～1.5％，Al：0.01～0.05％，N：0.001～0.01％，S≤0.008％，P≤0.02％，O≤0.006％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素。

在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，C有利于提高钢的强度，但过量的C同时也会降低钢的塑韧性，本发明为了保证钢的优良塑韧性，需要保持铁素体为主的组织，以减少钢中珠光体、渗碳体等相的比例。因此在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制C的质量百分比在0.03～0.1％之间。

在一些优选的实施方式中，C的质量百分比可以控制在0.03～0.08％之间。

Si：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，Si在钢中有利于抑制珠光体相变，因此需要保持其含量在0.2％以上，但其含量超过1％时，会显著增加钢的冷脆倾向，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制Si的质量百分比在0.2～1％之间。

在一些优选的实施方式中，Si的质量百分比可以控制在0.4～0.8％之间。

Mn：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，Mn具有扩大奥氏体相区，细化晶粒等有益效果，在限制无缝钢管C含量在较低水平时，需要加入足够的Mn来提高固溶强化效果，但同时Mn含量超过一定量后，也会增加钢冷却时形成贝氏体、马氏体等组织的倾向。因此，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制Mn的质量百分比在0.5％～1.5％之间。

在一些优选的实施方式中，Mn的质量百分比可以控制在0.8～1.2％之间。

Al：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，Al通常由脱氧剂带入，其氧氮化物在钢中能起到钉扎奥氏体晶界，细化晶粒的作用。但需要注意的是，钢中Al含量过多也会产生大颗粒的夹杂物，从而影响到钢的性能。因此，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制Al的质量百分比在0.01～0.05％之间。

在一些优选的实施方式中，Al的质量百分比可以控制在0.01～0.03％之间。

N：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，钢中含有微量的N会有效提升钢的强度和硬度，但N含量过高也会导致较多的夹杂物形成，不利于钢的性能。综合考虑钢中N元素的有利影响和不利因素，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制N的质量百分比在0.001～0.01％之间。

S：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，S是钢中的有害元素，S元素对于钢的耐腐蚀性、热加工性、韧性等都有不利影响，因此在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制S的质量百分比为S≤0.008％。

在一些优选的实施方式中，S的质量百分比可以控制为S≤0.005％。

P：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，P也是钢中的有害元素，P元素含量过高对于钢的耐腐蚀性、韧性等都会产生不利影响。因此，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制P的质量百分比为P≤0.02％。

在一些优选的实施方式中，P的质量百分比可以控制为P≤0.015％。

O：在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，O在钢中以各类氧化物夹杂物的形式存在，氧化物夹杂物的存在，对于钢的热加工性、塑韧性均有不良影响，为了保证产品的最终性能，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中控制O的质量百分比为O≤0.006％。

在一些优选的实施方式中，O的质量百分比可以控制为O≤0.004％。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，其还含有V、Nb和Ti元素的至少其中之一，并且其添加量满足：0＜(V+Nb+Ti)≤0.15％。式中的V、Nb和Ti均分别表示各元素的质量百分含量。

需要特别的说明的是，本技术方案的特色之一就是在不添加V、Nb、Ti等微合金元素的情况下，就可以具有优良的变形特性和低温韧性，且兼具较高强度，即不添加V、Nb、Ti就可以实现的该钢种的延伸率>30％，-40℃的夏比冲击功>50J，屈服强度≥245MPa，晶粒度大于9级。在此情况下，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中也可以添加适量的V、Nb和Ti元素，从而进一步提高超细晶粒无缝钢管的性能。但是，过高含量的V、Nb和Ti容易在钢种形成粗大的碳化物，因此，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，控制V、Nb和Ti元素总添加量为0＜(V+Nb+Ti)≤0.15％。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，其还含有Cr、Ni、Cu和Mo元素的至少之一，并且其添加量满足：0＜Cr/5+Mo/5+(Cu+Ni)/15≤0.08％。式中的Cr、Ni、Cu和Mo均分别表示各元素的质量百分含量。

在上述技术方案中，Cr、Ni、Cu和Mo元素也是钢中常添加的合金元素，但若钢中Cr、Ni、Cu和Mo元素含量过多，则会改变钢的相变特性，导致制钢过程中生成贝氏体、马氏体等脆性相，根据研究，在本案中，将Cr、Ni、Cu和Mo元素总添加量控制在0＜Cr/5+Mo/5+(Cu+Ni)/15≤0.08％范围内，即可有效避免其不利影响。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，其各化学元素质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：

C：0.03～0.08％％；

Si：0.4～0.8％；

Mn：0.8～1.2％；

Al：0.01～0.03％；

S≤0.005％；

P≤0.015％；

O≤0.004％。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，其微观组织中铁素体的相比例≥75％。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管中，其延伸率>30％，-40℃的夏比冲击功>50J，屈服强度≥245MPa。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种超细晶粒无缝钢管的制造方法，采用该制造方法所获得的超细晶粒无缝钢管，具有优良的变形特性和低温韧性(延伸率>30％，-40℃夏比冲击功>50J)，同时屈服强度可达到245MPa以上，可以有效适用于各类以钢管作为原材料的加工制造行业。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的超细晶粒无缝钢管的制造方法，包括步骤：

(1)制得管坯；

(2)将管坯制加热、保温，然后经穿孔、轧制制成荒管；

(3)以10～80℃/s的冷却速度对荒管进行冷却，控制终冷温度≤600℃；

(4)将冷却后的荒管重新加热到850～1000℃，保持10～60min后，进行张力减径或定径，控制截面变形量不小于1.2；

(5)钢管轧制：控制终轧温度为800～980℃，终轧后以10～80℃/s的冷却速度对钢管进行冷却，终冷温度控制在550℃～700℃；

(6)将钢管自由空冷至室温。

在本发明所述的超细晶粒无缝钢管的制造方法中，在所述步骤(3)中，可以采用多种快速冷却的手段对荒管进行冷却，例如：水冷、雾冷、风冷等快速冷却手段。此外，在步骤(3)中，冷却速度控制在10～80℃/s，控制终冷温度≤600℃，可以使钢中变形奥氏体进行相变，从而通过后续的再加热过程而进一步细化晶粒。

相应地，在所述步骤(5)中，控制终轧温度≥800℃，可以有效保证终轧后的钢的组织维持在全奥氏体组织状态。其中，在步骤(5)中，终轧后同样可以采用多种快速冷却的手段对荒管进行冷却，例如：水冷、雾冷、风冷等快速冷却手段。冷却速度控制在10～80℃/s，终冷温度控制在550℃-700℃，可以保证钢管具有足够的相变过冷度，同时又不至于生成贝氏体、马氏体等硬质相。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管的制造方法中，在步骤(2)中，加热温度为1150～1280℃；并且/或者保温时间≤4h。

在本发明所述的技术方案中，根据不同热轧机组的条件，加热温度通常需要不低于1150℃，从而保证钢管具有足够的变形能力，但需要注意的是，若加热温度超过1280℃，则会导致钢产生晶粒粗化和过烧。因此在本发明所述的超细晶粒无缝钢管的制造方法中，在步骤(2)中，控制加热温度为1150～1280℃。

进一步地，在本发明所述的超细晶粒无缝钢管的制造方法中，在步骤(3)中，终冷温度为400～600℃。

在本发明所述的技术方案中，为了避免因冷却温度过低，从而使得后续步骤中重新加热的能耗过高，优选地终冷温度为400～600℃。

本发明所述的超细晶粒无缝钢管及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

1)本发明所述的超细晶粒无缝钢管的微观组织以铁素体为主，铁素体比例不低于75％，晶粒度9级及以上，具有优良的塑韧性(延伸率>30％，-40℃夏比冲击功>50J)，可以有效便于后续的加工处理，同时该超细晶粒无缝钢管屈服强度可达到245MPa以上；

2)本发明所述的超细晶粒无缝钢管在轧后无须任何处理，即可得到优良的性能，生产流程简便，且成分中不含贵合金元素，成本低廉。

由此可见，本发明所述的超细晶粒无缝钢管，通过采用合理的C、Si、Mn等基础元素的搭配，以及合适的制造方法，可以使超细晶粒无缝钢管得到高比例的铁素体组织，并且有效的细化晶粒，从而具有优良的变形特性及较高的强度，生产成本较低，可以有效适用于各类利用钢管作为原材料的加工行业。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的超细晶粒无缝钢管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6和对比例1-3

表1列出了实施例1-6的超细晶粒无缝钢管和对比例1-3的无缝钢管中各化学元素质量百分比。

表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)

本发明所述实施例1-6的超细晶粒无缝钢管和对比例1-3的无缝钢管采用以下步骤制得：

(1)制得管坯；

(2)将管坯制加热、保温，然后经穿孔、轧制制成荒管；优选的加热温度为1150～1280℃，保温时间≤4h。

(3)以10～80℃/s的冷却速度对荒管进行冷却，控制终冷温度≤600℃，优选的终冷温度为400～600℃；

(5)钢管轧制：控制终轧温度800～980℃，终轧后以10～80℃/s的冷却速度对钢管进行冷却，终冷温度控制在550℃～700℃；

(6)将钢管自由空冷至室温。

需要说明的是，结合参考表1，实施例1-6的超细晶粒无缝钢管的化学成分和相关工艺参数均满足本发明设计规范控制要求。相应地，对比例1的无缝钢管只是其中C元素含量偏高，在制造无缝钢管步骤中，工艺参数均满足上述要求。对比例2和对比例3的化学成分虽能满足本发明设计要求，但有相关工艺参数未能满足本发明设计的要求。

表2-1和表2-2列出了实施例1-6的超细晶粒无缝钢管和对比例1-3的无缝钢管的制造方法的各步骤的具体工艺参数。

表2-1.

表2-2.

将实施例1-6的超细晶粒无缝钢管和对比例1-3的无缝钢管的屈服强度以及延伸率等相关性能进行测试，从而分别获得评价其各项性能的试验数据，列于表3中。

表3列出了实施例1-6的超细晶粒无缝钢管和对比例1-3的无缝钢管的相关性能参数。

表3.

从表3可以看出实施例1-6的超细晶粒无缝钢管性能优异，未采用本发明涉及规范控制要求的化学成分和相关工艺参数制得的对比例1-3中的无缝钢管，其性能明显劣于实施例1-6。

从表3中可以看出，本案实施例1-6的超细晶粒无缝钢管的屈服强度均≥250MPa，延伸率≥33％，-40℃夏比冲击功均>90J。此外，实施例1-6的超细晶粒无缝钢管的微观组织中铁素体的相比例均≥76％，晶粒度≥9。说明了超细晶粒无缝钢管不仅具有变形特性和低温韧性，同时还有着合适的屈服强度，可以有效使用于各类以钢管作为原材料的加工制造行业，有良好的推广应用价值和市场前景。

需要注意的是，以上所列举实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其晶粒度在9级以上，所述超细晶粒无缝钢管的各化学元素质量百分比为：

C：0.03～0.1％，Si：0.2～1％，Mn：0.5％～1.5％，Al：0.01～0.05％，N：0.001～0.01％，S≤0.008％，P≤0.02％，O≤0.006％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素；

其中所述超细晶粒无缝钢管采用下述步骤制得：

(1)制得管坯；

(2)将管坯制加热、保温，然后经穿孔、轧制制成荒管；

(6)将钢管自由空冷至室温。

2.如权利要求1所述的超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其还含有V、Nb和Ti元素的至少其中之一，并且其添加量满足：0＜(V+Nb+Ti)≤0.15％。

3.如权利要求1所述的超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其还含有Cr、Ni、Cu和Mo元素的至少之一，并且其添加量满足：0＜Cr/5+Mo/5+(Cu+Ni)/15≤0.08％。

4.如权利要求1所述的超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其各化学元素质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：

C：0.03～0.08％；

Si：0.4～0.8％；

Mn：0.8～1.2％；

Al：0.01～0.03％；

S≤0.005％；

P≤0.015％；

O≤0.004％。

5.如权利要求1所述的超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其微观组织中铁素体的相比例≥75％。

6.如权利要求1所述的超细晶粒无缝钢管，其特征在于，其延伸率>30％，-40℃的夏比冲击功>50J，屈服强度≥245MPa。

7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的超细晶粒无缝钢管的制造方法，其特征在于，包括所述步骤(1)-(6)。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，加热温度为1150～1280℃；并且/或者保温时间≤4h。

9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，终冷温度为400～600℃。