CN1840731A - 机械结构部件用无缝钢管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机械结构部件用无缝钢管的制造方法，该方法通过在线(inline)淬火来简化工序降低制造成本的同时，并通过将材料的Ti/N抑制在3.5以下从而确保钢管的韧性。具体的是，将具有化学组成，按重量％计，C：0.10～0.25％以下，Si：1.00％以下，Mn：0.20～2.00％，P：0.03％以下，S：0.020％以下，Cr：0.1～1.5％，Mo：0.5％以下，Ti：0.005～0.030％，V：0.01～0.10％，Ti/N：3.5以下，剩余部分是Fe及不可避免的杂质的钢材，进行截面减少率为40％以上，精加工温度为900℃以上的精轧，然后，不经冷却就直接在900～1000℃的温度进行均热、淬火及回火。
Description
技术领域
本发明是关于无缝钢管的制造方法，特别是关于机械结构部件用无缝钢管的制造方法。
背景技术
迄今为止，为了确保用于气缸等的60K、80K级(拉伸强度分别为588MPa以上及784MPa以上)的钢管的强度和韧性，一般进行离线(offline)淬火回火。但是这样存在着生产周期长、制造成本高的问题。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种机械结构部件用无缝钢管的制造方法，该方法通过在线(inline)淬火来简化工序降低制造成本的同时，并通过将材料的Ti/N抑制在3.5以下从而确保钢管的韧性。
为了达到上述目的，本发明涉及的机械结构部件无缝钢管的制造方法的内容如下：
(1)一种无缝钢管的制造方法，其特征是：将具有化学组成(按重量％计)C：0.10～0.25％以下，Si：1.00％以下，Mn：0.20～2.00％，P：0.03％以下，S：0.020％以下，Cr：0.1～1.5％，Mo：0.5％以下，Ti：0.005～0.030％，V：0.01～0.10％，Ti/N：3.5以下，剩余部分是Fe及不可避免的杂质的钢材，进行精轧，使其截面减少率为40％以上，并且精加工温度为900℃以上，然后，不经冷却就直接在900～1000℃的温度进行均热、淬火及回火。
(2)一种如(1)所述的无缝钢管的制造方法，其特征是：上述钢材还含有选自Cu：0.5％以下，Ni：1.0％以下，Nb：0.01％以下中的1种或多种的成份。
以下，就本发明的机械结构部件用无缝钢管的制造方法所采用的钢材的化学成分的限定的理由进行说明。
元素名称 限定范围 限定理由
C 0.10～0.25％ C是确保淬火的必要元素，但若不足0.10％其效果不充分，若超过0.25％，淬火时发生裂缝、韧性下降以及产品的可焊性和加工性的劣化，所以限定在0.10～0.25％。为了高强度化而降低合金元素时，C的含量也可限定为0.16％以上。
Si 1.00％以下 Si是对钢的脱氧及提高钢的强度有效的元素，但若超过1.0％使其含量过剩的话，会使钢脆化。所以，为了确保良好的韧性，限定为1.0％以下。
Mn 0.20～2.00％ Mn是钢的脱氧、脱硫所必须的元素，并且还是用于改善强度及热加工性、得到适宜组织的有用元素。但若不足0.2％则其效果不充分，另外，若超过2.0％虽然强度增强了，但可焊性、加工性会劣化，所以限定在0.2～2.0％。
P 0.030％以下 P作为杂质是不可避免的存在钢中的元素，但若超过0.030％偏析晶粒边界使韧性劣化，所以限定0.030％为杂质的上限。
S 0.020％以下 S与P一样作为杂质是不可避免的存在钢中的元素，由于形成粗大的夹杂物，尤其会引起在轧制方向和直角方向(T方向)的韧性劣化，所以限定0.020％为杂质的上限。
Cr 0.10～1.5％ Cr与C一样是确保淬火的必要元素，但若不足0.1％其效果不充分，若超过1.5％会使可焊性、加工性降低，所以限定为0.1～1.5％
Mo 0.5％以下 Mo是通过淬火和高温回火确保韧性所必须的元素，但若超过0.5％其效果饱和，并且由于偏析等使制管时的加工性降低，所以限定上限为0.5％。
Ti 0.005～0.030％ Ti是具有将晶体粒度细化、提高韧性效果的元素，但若不足0.005％其效果不充分，另外，若超过0.030％大量地添加会变成粗大碳化物，使韧性下降，所以限定在0.005～0.030％。
V 0.01～0.10％ V是具有通过高温回火提高韧性的效果的元素，但若不足0.01％其效果不充分，另外，若超过0.10％大量地添加，会变成粗大碳化物，使韧性下降，所以限定在0.01～0.10％。
Ti/N 3.5以下 若过剩地添加Ti，Ti C会析出使钢劣化。Ti和N结合生成Ti N对抑制Ti C的析出有效。Ti和N的原子量之比在3.5以下时，可抑制Ti C的析出。
通过限定钢中的上述化学成分，能够得到晶体粒度细化、韧性与强度优异的机械结构部件用无缝钢管。若想进一步提高晶体粒度细化、韧性与强度，可在上述化学成分中再添加Ni、Cu、Nb中的1种或1种以上的成份。限定这些添加化学成分的含量的理由如下。
Ni 1.0％以下 Ni是具有改善淬火并提高韧性的效果的元素，但由于价格贵从经济性方面考虑，限定上限在1.0％。
Cu 0.5％以下 Cu是提高强度和耐蚀性的有效元素，但若超过0.5％钢管表面经常发生缺陷，所以限定上限为0.5％。
Nb 0.01％以下 Nb与Ti同样具有使晶体粒度细化、提高韧性的效果的元素，但在在线(inline)热处理工艺过程中，Nb碳氮化物的析出分布不均匀引起产品的强度偏差，所以限定上限为0.01％。
在本发明中，钢坯的加热温度为用穿孔机能够热穿孔即可。最适合的温度要考虑到材质的不同、高温延展性和高温强度而定。通常，在1100～1300℃的范围加热。穿孔工序是使用穿孔机在实心钢坯上穿孔制得空心粗加工管的工序。在穿孔工序中，为了下一道由延伸加工与定径加工而成的精轧的强加工容易进行，使用圆锥形轧辊的交叉穿孔机。
在本发明中，对已穿孔轧制的空心粗加工管进行精轧(该精轧包括延伸加工与定径加工)时，断面减少率被控制在40％以上，且精加工温度为900℃以上。因为当断面减少率不足40％时，再结晶不能顺利进行，得不到晶体粒度微细化效果。同时，有时会发生晶粒异常成长。在精轧中断面减少率的上限，由于制管对象的材质与轧钢机的能力不同而不同，所以没法做出特别的限制，但若断面减少率过大时容易发生缺陷，所以优选为80％。
精轧中的精加工温度，由于制管对象的材质与轧钢机的能力不同而不同，但如果不达到900℃时钢材的变形阻抗变大，使得断面减少率为40％以上的强加工(精轧)难于进行，所以限定在900℃以上。另外，精加工温度的上限，由于制管对象的材质与轧钢机的能力不同而不同，没有无法做出特别的限制，但优选为1100℃。
本发明的特征之一是，在精轧与淬火、回火的热处理之间，不进行冷却，直接进行再结晶处理(正火)，由此通过强加工(精轧)与热处理的组合诱发再结晶，使晶粒的整粒化成为可能。
按照现有技术，轧制过程中的延伸加工与定径加工之间须进行再加热，但本发明与此不同，在均热后不必加工，所以能够将均热温度设定于能进行再结晶的最低温度，从而得到被整粒化的再结晶粒。本发明的使用对象为Cr-Mo钢时，均热温度若不达到900℃则再结晶化需要的时间长，制管效率显著降低。若超过1000℃，晶粒的粗粒化过甚，韧性下降成为二次加工等时裂缝的原因。所以，均热温度为900～1000℃的温度域。均热后直接实施淬火处理。
现有技术是进行离线(offline)的淬火处理，此时由于是从常温开始升温，所以在加热炉内滞留时间长，不经济，并且，表面水垢的成长大，需要根据用途用酸洗、喷丸等工序除去产品的水垢。而在本发明的方法中，由于在900℃以上高温下精制钢管，可直接在再加热炉内均热，所以在炉时间可控制在30分钟以下，在能源费用方面非常划算。
为确保目标强度，本发明的回火处理是在所定温度下回火。由于在本发明的使用对象Cr-Mo钢中添加了V，在500～600℃下会有VC析出而引起韧性下降，所以通常要在620～720℃的温度下回火处理。
具体实施方式
将表1中所列出的成分组成的钢A～M按通常方法溶炼，分锭轧制得直径为225mm的钢坯。将各钢坯在1250℃加热后，用穿孔机制得空心粗加工管。
然后，将从钢材A～G所得的空心粗加工管按照表2所示的条件进行由延伸加工与定径加工所组成的精轧，制得外径240mm，壁厚8～30mm的无缝钢管，并不经冷却直接按表2所示的条件均热保持后，进行淬火、回火的热处理而得到表2所示的本发明例1-7。
另外，将从钢材H～M(其化学成份的含量在本发明所定范围外)所得的空心粗加工管按表2所示的条件进行由延伸加工与定径加工而成的精轧制得外径240mm，壁厚8～30mm的无缝钢管，然后，不经冷却直接按表2所示的在本发明所定范围内的条件下再加热保持后，进行淬火、回火的热处理后得到表2所示的比较例1-6。
另外，将从钢材A、C、D、F所得的空心粗加工管按表2所示的本发明的条件范围外的条件下进行由延伸加工与定径加工而成的精轧制得外径240mm，壁厚8～30mm的无缝钢管，然后，不经冷却直接按表2所示的在本发明的条件范围外再加热保持后，进行淬火、回火的热处理后得到表2所示的比较例7-10。
另外，将从钢材B、E、G所得的空心粗加工管按照表2所示的条件进行由延伸加工与定径加工而组成的精轧，制得外径240mm，壁厚8～30mm的无缝钢管。然后，按照现有技术将得到的各无缝钢管，冷却到常温，然后装入淬火炉中在表2所示的条件下加热后，进行水冷淬火、回火的热处理得到按表2所示的现有技术例1-3。
表2中的均热温度栏()内表示的温度，是精轧后曾冷却至常温，又装入淬火炉中升温均热的温度。
对制得的各无缝钢管的评价：对其机械特性，使用JISZ 2201的金属材料拉力试验片规定中的12C号试验片，并按照JISZ 2241所规定的金属材料拉力试验方法进行拉力试验，以TS≥590Mpa YS≥490Mpa为目标值。另外，对韧性，使用JISZ 2202的金属材料冲击试验片规定中的10mm宽度V型凹口试验片，并按照JISZ 2242所规定的金属材料冲击试验方法进行夏比冲击试验，测定0℃下的吸收能(J)，并以100J以上为目标值。其结果列于表2。
由表2中可知，比较例1-10的无缝钢管不能达到强度及/或韧性的目标值。
另外，现有技术例的无缝钢管虽能达到强度及韧性的目标值，但如上所述，现有技术的制造工序中，由于进行离线(offline)淬火，钢管一旦被冷却至室温后，再从常温开始升温，所以在加热炉内滞留时间长，不经济，并且，表面水垢的成长大，需要根据用途用酸洗、喷丸等工序除去产品的水垢，存在生产周期长、制造成本高的问题。
按照本发明的机械结构部件用无缝钢管的制造方法，钢坯加热穿孔轧制后，经过由延伸加工与定径加工而成的精轧，在精加工温度为900℃以上，断面减少率为40％以上的条件下被精加工而实现大的加工变形。而且，在精轧后，不冷却，直接在900～1000℃的温度域均热，在线进行淬火处理。然后，通过保持所定温度、进行淬火处理达到所定强度，即使是在线进行热处理加工，也能保证与现有技术的下线热处理所制得的产品的有同等性能。所以，与现有技术的制造方法相比较，本发明的方法，达到简化制造工序、提高制管效率、节省能源的效果，可制造出韧性优异价格便宜的机械结构部件用无缝钢管。
表1
| 钢种 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ti | V | N | Ti/N | Ni | Cu | Nb | |
| 本发明用钢材 | ABC | 0.140.110.14 | 0.270.240.27 | 1.451.431.33 | 0.0140.0150.015 | 0.0040.0040.004 | 0.230.220.20 | 0.010.010.01 | 0.0150.0180.012 | 0.050.050.05 | 0.00540.00520.0106 | 2.783.461.13 | 0.02 | ||
| DE | 0.190.18 | 0.240.21 | 0.940.94 | 0.0100.009 | 0.0070.007 | 0.530.52 | 0.210.19 | 0.0180.013 | 0.060.05 | 0.00550.0050 | 3.272.60 | 0.02 | 0.001 | ||
| FG | 0.140.13 | 0.230.25 | 0.780.80 | 0.0200.017 | 0.0030.003 | 0.480.46 | 0.330.31 | 0.0160.019 | 0.030.04 | 0.00460.0055 | 3.483.45 | 0.760.69 | 0.160.16 | 0.002 | |
| 比较例用钢材 | H | 0.14 | 0.31 | 1.46 | 0.010 | 0.004 | 0.22 | 0.01 | 0.020 | 0.06 | 0.0035 | 5.71 | |||
| I | 0.14 | 0.19 | 0.85 | 0.012 | 0.003 | 0.50 | 0.35 | 0.026 | 0.04 | 0.0033 | 7.88 | 0.71 | 0.17 | 0.002 | |
| J | 0.20 | 0.25 | 0.96 | 0.012 | 0.006 | 0.54 | 0.21 | 0.027 | 0.05 | 0.0041 | 6.59 | 0.001 | |||
| KLM | 0.060.300.18 | 0.250.250.21 | 0.801.330.94 | 0.0150.0150.009 | 0.0040.0040.007 | 0.230.230.52 | 0.010.010.01 | 0.0250.0250.040 | 0.050.050.05 | 0.00540.00500.0050 | 4.635.008.00 |
(单位：重量％，残余部分：Fe以及不可避免的杂质)
表2
| 试验号 | 钢种 | 精轧断面减少率(％) | 精加工温度(℃) | 均热温度(℃) | 回火温度(℃) | TS(MPa) | YS(MPa) | vE0℃(J) | 评价 | ||||
| 实施例 | 1234567 | 本发明所用钢材 | ABCDEFG | 52525252525252 | 10001040104510009101000950 | 950950950950950950950 | 650650660650650650650 | 776685684916904881887 | 699585582844828751831 | 224217193153168187195 | 185180193140163187170 | 201186191149179185183 | ○○○○○○○ |
| 比较例 | 12345678910 | 比较例所用钢材 | HIJKLM | 525252525252 | 1020970105010301020950 | 950950950950950950 | 650650650650650650 | 7869259385701020983 | 719861857463823884 | 8961642431329 | 9173572302641 | 7050662213628 | ×××××× |
| 本发明所用钢材 | ACDF | 52303052 | 1000106010601020 | 10509509501030 | 650650650650 | 830690901934 | 740598826792 | 43836650 | 52768535 | 38906322 | ×××× | ||
| 现有技术例 | 123 | 本发明所用钢材 | BEG | 525252 | 9501020980 | (920)(920)(920) | 650650650 | 699911899 | 576832814 | 235198215 | 220156198 | 205176202 | ○○○ |
| (○：良好；×：差) | 评价标准 | ＞＝590 | ＞＝490 | ＞＝100J | |||||||||
Claims (2)
1.一种无缝钢管的制造方法，其特征是：将具有化学组成，按重量％计，C：0.10～0.25％以下， Si：1.00％以下，Mn：0.20～2.00％，P：0.03％以下，S：0.020％以下，Cr：0.1～1.5％，Mo：0.5％以下，Ti：0.005～0.030％，V：0.01～0.10％，Ti/N：3.5以下，剩余部分是Fe及不可避免的杂质的钢材，进行截面减少率为40％以上，精加工温度为900℃以上的精轧，然后，不经冷却就直接在900～1000℃的温度进行均热、淬火及回火。
2.一种如权利要求1所述的无缝钢管的制造方法，其特征是：上述钢材还含有选自Cu：0.5％以下，Ni：1.0％以下，Nb：0.01％以下中的1种或多种的成份。
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