CN114619004A - 一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.19～0.25％；Si 0.20～0.35％；Mn 1.50～1.80％；P≤0.018％；S≤0.010％；Cr≤0.25％；V 0.14～0.20％；Re≤0.002％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％，还公布了其制备方法。本发明通过炼钢、轧管、热处理等工艺生产出抗拉强度、屈服强度和延伸率更佳，且‑20℃实验环境下V型全尺寸纵向冲击功高于120J的高强液压缸筒用冷拔无缝管。
Description
技术领域
本发明涉及冶金材料领域，尤其涉及一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管及其制备方法。
背景技术
近十年来,全球工程机械行业呈现稳定发展的态势。我国随着各种重大基础设施的建设的快速发展,传统市场稳定增长,国内工程机械需求量稳定增长,同时对工程机械的能耗、强度、稳定性等技术指标提出了更高的要求。液压油缸作为工程机械的一个重要部件,其在缓冲、高负载、高频和稳定性上有极高的要求,高强度油缸用冷拔无缝钢管作为液压油缸的最重要原材料,直接决定了液压油缸的精度、强度、寿命等重要参数。
在工程机械和专用车辆产业发展进程中,液压缸、液压阀、液压泵等关键配套件的供应已成为我国工程机械产业发展的瓶颈。国内工程机械行业液压油缸缸筒常用材料为20、45、27SiMn、25Mn等，这些材料通常通过提高碳含量，达到提高材料强度性能的目的，或者是通过加入C、Mn、Si等元素提高钢材的性能。采用前面方法虽然提高了材料强度，使之满足机械设计的强度要求，但增加了钢材中的碳、硅含量，必然会增大材料的碳当量，从而影响焊接性能。在油缸加工过程中，复杂断面与连接尺寸处都不可避免地需要进行焊接，油缸外表面在很多情况下都会连接较多结构件，经常无法进行焊前预热和焊后回火。若油缸材料的焊接性能较差，会给工程机械带来安全隐患。
因此低碳当量、强塑性匹配合理，冲击韧性优异的液压缸筒用无缝钢管的开发已成为钢管制造厂家研制的热点。本发明涉及的一种供冷拔液压缸筒用无缝钢管及其生产方法，不仅提升了无缝管产品档次，优化了产品结构，同时将为企业带来较大的经济效益与社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管及其制备方法，在低碳钢的基础上添加单一强化元素钒，通过炼钢、轧管、热处理等工艺生产出抗拉强度(Rm)目标值560MPa,实测值700MPa以上；屈服强度(Rp0.2)目标值大于400MPa,实测值500MPa以上，延伸率(A)目标值大于17％,实测值26％；-20℃实验环境下V型全尺寸纵向冲击功高于120J的高强液压缸筒用冷拔无缝管。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.19～0.25％；Si 0.20～0.35％；Mn 1.50～1.80％；P≤0.018％；S≤0.010％；Cr≤0.25％；V 0.14～0.20％；Re≤0.002％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
进一步的，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.20％；Si 0.30％；Mn 1.63％；P 0.018％；S 0.010％；Cr 0.25％；V 0.14％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
进一步的，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.21％；Si 0.35％；Mn 1.70％；P 0.015％；S 0.008％；Cr 0.23％；V 0.15％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
进一步的，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.22％；Si 0.29％；Mn 1.59％；P 0.011％；S 0.008％；Cr 0.25％；V 0.16％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
进一步的，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.23％；Si 0.28％；Mn 1.56％；P 0.018％；S 0.005％；Cr 0.24％；V 0.14％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
进一步的，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.22％；Si 0.36％；Mn 1.72％；P 0.013％；S 0.004％；Cr 0.25％；V 0.16％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
碳(C)：作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的碳含量对钢的延伸、韧性和焊接性有不利影响，本发明对碳含量进行适当的控制，在保障强度的同时，提高了钢的韧性和可焊性，对本发明来说，C含量0.19～0.25％。
硅(Si)：在钢中主要以固溶态存在，以固溶强化为主，不形成碳氮化物，能显著提高铁素体的体积分数及强化铁素体组织。对本发明来说，Si含量0.20～0.35％。
锰(Mn)：Mn通过固溶强化能大幅提高钢种的强度和韧性，是补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素，也是有效的脱氧剂，而且具有脱S的作用，但是过高的Mn会促进碳化物的形成，从而降低钢种的韧性；Mn可以与γ-Fe无限互溶，扩大了γ区，增大钢的淬透性，但过高的Mn有增大奥氏体长大的倾向，易使晶粒粗大，使钢有过热敏感性和回火脆性，同时降低钢的焊接性能。因此，对本发明来说，Mn含量范围为1.50～1.80％。
铬(Cr)：Cr能提高钢的热力学稳定性，铬在钢中主要起到固溶强化的作用，同时扩大奥氏体区,有利于形成珠光体并增加钢中珠光体的百分数，同时还会使珠光体片层间距减小,使珠光体中的渗碳体变薄。从而提高钢的强度。但Cr含量过高会导致钢种焊接性能下降，因此，Cr含量≤0.25％。
钒(V)：V为最主要的合金元素，钒能细化晶粒，提高正火后的强度和屈服比及低温韧性，改善钢的焊接性能。钒和碳、氮、氧有极强的亲合力，与之形成相应的稳定化合物，其主要作用是细化钢的组织和晶粒。降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。因此，本发明中V 0.14～0.20％。
稀土(Re)：加入适当的稀土合金，有利于脱氧、脱硫、除去气体，减少有害元素的影响，显著提高钢的韧性、耐磨性、抗蚀性、改善钢的焊接性能和低温性能。
一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管的制备方法，包括：
炼钢生产工艺为：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸；来料铁水必须进行铁水预处理，从而保证供给转炉的铁水质量；为抑制材料中气体含量，硅锰、锰铁、铬铁、钒铁在加入之前必须脱氧合金化；转炉终点控制目标：C≥0.06％、P≤0.010％、出钢温度1610～1630℃；采用单渣工艺冶炼，终渣碱度≥3.0；出钢时必须挡渣，挡渣失败必须扒渣；在LF精炼环节中，根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作，加强脱氧操作，造好白渣，白渣保持时间≥20min，并根据情况调节渣况以保证白渣出钢；钒铁在精炼中后期加入，精炼后期进行成分微调，按比例添加稀土合金；VD深真空度目标值≤0.06KPa，深真空时间≥15分钟，VD结束后，喂入适量高钙线，喂丝后软吹Ar不小于15分钟,以保证材料中较低的气体含量；连铸过程采用电磁搅拌工艺，钢水过热度ΔT≤25℃,根据不同圆坯断面选择合适的拉速恒拉速生产，圆坯应入缓冷坑进行缓冷，入坑温度大于600℃，缓冷时间不小于48小时；通过本方法得到低P、低S、成分均匀的高质量圆坯；
轧管工艺为：圆坯→锯切→环形炉加热→穿孔→PQF连轧→张力减径→冷却；环形炉保温段温度为1260℃左右，圆坯穿孔后温度为1220℃左右；连轧入口温度为1100℃左右；定张减后温度为850-950℃；通过三辊限动芯棒连轧机组PQF结合高端热轧控制技术得到不同尺寸的高精度的优质管体；
热处理工艺为：采用正火处理，即正火+空冷；正火温度为900℃±10℃，保温25-35分钟。
进一步的，正火后高压水除磷压力要求≥12MPa，正火后必须矫直，矫直时应严格控制矫直力，保证钢管弯曲度的要求，且不得有矫凹、矫椭、矫裂情况出现。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明提供了一种冷拔液压缸筒用无缝钢管及其制备方法，合金元素的合理选择，恰当的元素含量配比，使钢种具有较低的碳当量，且易于生产，成本低，合理的冶炼连铸工艺、轧制工艺及热处理工艺使钢管具有较高的强度、优异的低温冲击韧性、高的尺寸精度。本发明是高强度液压油缸的最主要原材料，可广泛应用于工程机械、冶金机械、塑料机械、石油化工机械、轻工机械、航空航天、船舶和海洋工程设备等行业，具有易生产、低成本、性能优良的特点。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为热处理生产后钢管金相组织。
具体实施方式
按本发明得到的钢管管材，以生产规格Φ273×16mm为例，其化学成分如表1：
表1本发明钢管化学成分统计结果wt％
| 实例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | V | Re(加入量) |
| 1 | 0.20 | 0.30 | 1.63 | 0.018 | 0.010 | 0.25 | 0.14 | 0.02 |
| 2 | 0.21 | 0.35 | 1.70 | 0.015 | 0.008 | 0.23 | 0.15 | 0.02 |
| 3 | 0.22 | 0.29 | 1.59 | 0.011 | 0.008 | 0.25 | 0.16 | 0.02 |
| 4 | 0.23 | 0.28 | 1.56 | 0.018 | 0.005 | 0.24 | 0.14 | 0.02 |
| 5 | 0.22 | 0.36 | 1.72 | 0.013 | 0.004 | 0.25 | 0.16 | 0.02 |
钢管化学成分完全满足本发明对钢种的要求，P和S含量较低，满足成分设计要求，而且从表1可以看出各炉成分含量偏差很小，稳定的成分含量有利于热处理时进行温度控制，从而为管材具有良好的组织和性能提供了前提条件。
炼钢工艺：生产规格Φ273×16mm的钢管，采用连铸圆坯断面为Φ390mm，包钢钢管公司炼钢连铸机扇形段弧半径为12m。为了克服小弧半径生产大断面圆坯容易产生圆坯表面微裂纹的问题，特别是含V合金元素对裂纹敏感的钢种，采取了一系列措施，如适当的V含量及配比；连铸稳定拉速，保证连铸坯过矫直段温度不小于900℃；采用弱而均匀的二冷制度；选择合适的保护渣，提高铸机对中、对弧精度；铸坯下线后，圆坯进入缓冷坑缓冷，入坑温度大于600℃，以消除组织应力及热应力。通过以上措施，得到了高质量圆坯。
轧管工艺为：圆坯→锯切→环形炉加热→穿孔→PQF连轧→张力减径(定径)→冷却。圆坯在环形炉内加热，炉温为1280℃，管坯加热温度偏差±10℃，在炉时间不宜过长，穿孔采用低速咬入，高速轧制的工艺，穿后温度为1220℃，入连轧机温度为1100℃，定径后温度为920℃，冷却，锯切。
热处理：采用正火处理。结合现场设备及试制钢管规格为Φ273*16mm，规格比较大的实际情况，正火工艺设计为900℃。正火保温时间过短，对钢管加热时的温度均匀性是有负面影响的,因此以不低于30分钟为宜。
本发明的钢管几何尺寸：
产品用户后续要进行冷拔，对表面质量及成品管几何尺寸要求较高，生产过程中采取了一系列措施进行控制：穿孔时严格控制推钢咬入、穿孔、抱辊抱管及抛钢的平稳性；在奥氏体再结晶区进行粗轧，为了充分细化原始奥氏体晶粒，尽量做到大压下量，在设备参数允许的条件下，加大粗轧阶段总变形量；在处于未再结晶区的精轧阶段变形时，适当增加精轧前几道次的压下量以保证钢管壁厚方向组织的均匀性，并在最后3、4个道次进行管形控制；为了保证钢管的外表面质量，防止出现麻面等表面缺陷，连轧、定径及正火后高压水除磷压力要求≥11MPa。实测钢管的不圆度及壁厚不均度不超过外径和壁厚公差的70％-80％。钢管的外径(D)公差±1％D，壁厚(S)不均度≤±8％S。本发明的钢管表面质量好、尺寸精度高，易于钢管后续要进行的冷拔工艺，满足了高精度尺寸的要求。
本发明的钢管力学性能如表2所示。从表2看出，本发明的方法能很好的满足高强度钢管的要求，规格Φ273×16mm的钢管强度高，低温冲击韧性优异，-20℃纵向冲击大于120J。
表2本发明钢管力学性能
本发明的钢管的夹杂物及组织晶粒度如表3所示。
表3本发明钢管的及杂物及组织晶粒度
注：F表示铁素体，P表示珠光体。
热处理生产后，实例1钢管取样进行金相分析，金相组织如下图1。从图1中可见，钢管金相组织为细小的网状先共析铁素体均匀分布在珠光体基体上。
利用本发明生产的规格Φ273×16mm的冷拔液压缸筒用无缝钢管，合金元素的合理选择，恰当的元素含量配比，使钢种具有较低的碳当量，且易于生产，成本低，合理的冶炼连铸工艺、轧制工艺及热处理工艺使钢管具有较高的强度、优异的低温冲击韧性、高的尺寸精度。本发明产品是高强度液压油缸的最主要原材料，可广泛应用于工程机械、冶金机械、塑料机械、石油化工机械、轻工机械、航空航天、船舶和海洋工程设备等行业，具有易生产、低成本、性能优良的特点。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.19～0.25％；Si 0.20～0.35％；Mn 1.50～1.80％；P≤0.018％；S≤0.010％；Cr≤0.25％；V 0.14～0.20％；Re≤0.002％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
2.根据权利要求1所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.20％；Si 0.30％；Mn 1.63％；P 0.018％；S0.010％；Cr 0.25％；V 0.14％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
3.根据权利要求1所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.21％；Si 0.35％；Mn 1.70％；P 0.015％；S0.008％；Cr 0.23％；V 0.15％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
4.根据权利要求1所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.22％；Si 0.29％；Mn 1.59％；P 0.011％；S0.008％；Cr 0.25％；V 0.16％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
5.根据权利要求1所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.23％；Si 0.28％；Mn 1.56％；P 0.018％；S0.005％；Cr 0.24％；V 0.14％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
6.根据权利要求1所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管，其特征在于，其化学元素及其质量百分含量如下：C 0.22％；Si 0.36％；Mn 1.72％；P 0.013％；S0.004％；Cr 0.25％；V 0.16％；Re 0.02％；其余为Fe和不可避免的杂质，质量分数共计为100％。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的稀土微合金化冷拔高强液压缸筒用无缝钢管的制备方法，其特征在于，包括：
炼钢生产工艺为：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸；来料铁水必须进行铁水预处理，从而保证供给转炉的铁水质量；为抑制材料中气体含量，硅锰、锰铁、铬铁、钒铁在加入之前必须脱氧合金化；转炉终点控制目标：C≥0.06％、P≤0.010％、出钢温度1610～1630℃；采用单渣工艺冶炼，终渣碱度≥3.0；出钢时必须挡渣，挡渣失败必须扒渣；在LF精炼环节中，根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作，加强脱氧操作，造好白渣，白渣保持时间≥20min，并根据情况调节渣况以保证白渣出钢；钒铁在精炼中后期加入，精炼后期进行成分微调，按比例添加稀土合金；VD深真空度目标值≤0.06KPa，深真空时间≥15分钟，VD结束后，喂入适量高钙线，喂丝后软吹Ar不小于15分钟,以保证材料中较低的气体含量；连铸过程采用电磁搅拌工艺，钢水过热度ΔT≤25℃,根据不同圆坯断面选择合适的拉速恒拉速生产，圆坯应入缓冷坑进行缓冷，入坑温度大于600℃，缓冷时间不小于48小时；通过本方法得到低P、低S、成分均匀的高质量圆坯；
轧管工艺为：圆坯→锯切→环形炉加热→穿孔→PQF连轧→张力减径→冷却；环形炉保温段温度为1260℃左右，圆坯穿孔后温度为1220℃左右；连轧入口温度为1100℃左右；定张减后温度为850-950℃；通过三辊限动芯棒连轧机组PQF结合高端热轧控制技术得到不同尺寸的高精度的优质管体；
热处理工艺为：采用正火处理，即正火+空冷；正火温度为900℃±10℃，保温25-35分钟。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，正火后高压水除磷压力要求≥12MPa，正火后必须矫直，矫直时应严格控制矫直力，保证钢管弯曲度的要求，且不得有矫凹、矫椭、矫裂情况出现。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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