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CN112877594B - 一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法 - Google Patents

一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法。提供的无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C 0.02～0.08％；Si 0.15～0.45％；Mn 3.50～4.00％；P≤0.010％；S≤0.003％；Cr 0.20～0.30％；Mo 0.02～0.05％；V 0.03～0.05％；Ti 0.01～0.02％；Al 0.010～0.030％；稀土元素Ce 0.0010～0.0020％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。其在热处理后满足屈强比≤0.75；延伸率≥35％；0℃时的横向冲击值akv≥240J/cm2；晶粒度≥11.0级，具有优良的韧性和塑性性能。

Description

一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法
技术领域
本发明属于黑色金属的热处理技术领域，具体涉及一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法，尤其涉及一种具有较高延伸率和冲击韧性的含稀土低碳中锰钢无缝钢管及其热处理方法。
背景技术
中锰钢兼具高强度与高塑性，具有突出的竞争优势和广阔的市场前景，近年来吸引了广泛关注。低碳中锰钢的综合力学性能取决于铁素体晶粒大小、组织组成以及显微组织的分布状态，贝氏体钢比相同碳含量的珠光体钢具有更高的强度，用贝氏体替代铁素体，钢中的珠光体将会显著提高钢的强度，而一定体积分数的铁素体作为韧性相可以提高钢的塑韧性。现有研究表明，当钢中的碳含量低于0.10％时，可以不考虑珠光体含量的影响，珠光体影响的只是抗拉强度。
热处理工艺对显微组织有很大的影响，显微组织则对低碳中锰钢的强度和冲击韧性有着决定性的作用。因此，制定合理的热处理工艺是保证低碳中锰钢具有优异综合性能的关键。然而，低碳中锰无缝钢管的特性及热处理过程中存在以下难点：如采用传统热处理方法，组织一般为贝氏体和马氏体，导致无缝钢管的强韧性能匹配很不理想，通常是屈服强度偏高、而延伸率和冲击韧性均偏低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明一方面提供一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管，其化学成分按质量百分比计为：C 0.02～0.08％；Si 0.15～0.45％；Mn3.50～4.00％；P≤0.010％；S≤0.003％；Cr 0.20～0.30％；Mo 0.02～0.05％；V 0.03～0.05％；Ti 0.01～0.02％；Al 0.010～0.030％；稀土元素Ce 0.0010～0.0020％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素。
上述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C 0.03～0.05％；Si 0.17～0.29％；Mn 3.52～3.94％；P≤0.010％；S≤0.003％；Cr 0.21～0.28％；Mo 0.03～0.05％；V 0.03～0.04％；Ti 0.012～0.015％；Al 0.013～0.019％；稀土元素Ce0.0012～0.0018％；Ni≤0.005％；Cu≤0.005％；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素。
上述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的力学性能满足：屈强比≤0.75；延伸率≥35％；0℃时的横向冲击值akv≥240J/cm2；晶粒度≥11.0级。
本发明另一方面提供了上述的含稀土低碳中锰钢无缝钢管的热处理方法，其包括以下步骤：
(1)在加热炉中将低碳中锰钢无缝钢管以30℃/min～40℃/min的速度升温至880℃～900℃之间，保温30min～60min，使奥氏体在铁素体基体中均匀析出；将加热炉烧嘴全开，使用脉冲控制烧嘴，火苗完全燃烧，来保证管体温度的均匀性；
(2)保温时间到后将步骤(1)的钢管出炉，同时将快速冷却设备打开，控制冷却水的流量为600m3/h±50m3/h，外淋内喷的时间均为12s，冷却之后钢管管体的温度低于100℃；
(3)将步骤(2)的钢管装入加热炉中，以10℃/min～18℃/min的速度升温至640～660℃，保温段开始计时，保温时间为12～14小时；同时钢管在步进梁上采用“隔一装一”的装料形式，进行装炉，来保证管体回火温度的均匀性；然后将温度降到520℃～530℃之间的钢管送入辊式矫直机进行温矫后自然冷却至室温。
本发明基于以上技术方案提供的含稀土低碳中锰钢无缝钢管采用低碳中锰低合金CrMo钢兼稀土微合金化设计理念，并结合优化的热处理方法，可获得更多的逆变奥氏体组织，无缝钢管在具有低屈强比的同时，还具有较好的塑性变形能力。
现对于现有技术，本发明提供的含稀土低碳中锰无缝钢管的产品强韧性能匹配相对较高、组织均匀细小、残余应力相对较低，且还具有以下优点：
(1)本发明的热处理方法在处理低碳中锰钢管时，使用水淬，通过控制冷却水流量为600m3/h±50m3/h，外淋内喷时间为12s的操作方法，可保证产品的淬透性，同时不会因为冷却速度过快而产生较大的内应力，致使产品开裂。
(2)在钢管回火过程中，对钢管采用了“隔一装一”的装料形式来保证管体回火温度的均匀性。
(3)由于钢种在室温下的组织为逆变奥氏体，该热处理温度选择在铁素体-奥氏体两相区之内进行，钢管通过较长时间的回火保温，可以获得更多的逆变奥氏体。热处理之后钢管的屈强比≤0.75；延伸率≥35％；0℃时的横向冲击值akv≥240J/cm2；晶粒度≥11.0级。
具体实施方式
本发明旨在提供一种具有高延伸率和高冲击韧性的含稀土低碳中锰无缝钢管及其热处理方法。
其中含稀土低碳中锰无缝钢管的化学按质量百分比计为：C 0.02～0.08％；Si0.15～0.45％；Mn 3.50～4.00％；P≤0.010％；S≤0.003％；Cr 0.20～0.30％；Mo 0.02～0.05％；V 0.03～0.05％；Ti 0.01～0.02％；Al 0.010～0.030％；稀土元素Ce 0.0010～0.0020％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素；任选为C0.03～0.05％；Si 0.17～0.29％；Mn 3.52～3.94％；P≤0.010％；S≤0.003％；Cr 0.21～0.28％；Mo 0.03～0.05％；V 0.03～0.04％；Ti 0.012～0.015％；Al 0.013～0.019％；稀土元素Ce 0.0012～0.0018％；Ni≤0.005％；Cu≤0.005％；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素。
含稀土低碳中锰无缝钢管的制备方法包括以下工艺：高炉铁水→铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空处理→圆坯连铸→定尺切割→堆垛缓冷→圆坯化学成分及质量检查→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→带温矫直→冷床冷却→定尺锯切→钢管几何尺寸及表面质量检查→热处理→带温矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工；其中热处理的步骤包括：
(1)将低碳中锰钢管以30℃/min～40℃/min的速度升温至880℃～900℃之间，保温30min～60min，使奥氏体在铁素体基体中均匀析出。将加热炉烧嘴全开，使用脉冲控制烧嘴，火苗完全燃烧，来保证管体温度的均匀性。
(2)保温时间到后将(1)的产品出炉，同时将快速冷却设备打开，控制冷却水的流量为600m3/h±50m3/h，外淋内喷的时间均为12s。冷却之后管体的温度低于100℃。
(3)将(2)的产品装入加热炉中，以10～18℃/min的速度升温至640～660℃，保温段开始计时，保温时间为12～14小时。同时钢管在步进梁上采用“隔一装一”的装料形式，进行装炉，来保证管体回火温度的均匀性。在640～660℃回火，此温度为铁素体-奥氏体两相区温度，将C元素和Mn元素在逆相变过程中复合配分到奥氏体中，形成铁素体和残余奥氏体的复合组织，在此温度内长时间保温可提高奥氏体稳定性并保存到室温。
下面结合具体的实施例和对比例对本发明内容作进一步详细说明，实施例和对比例在原料配比、生产工艺和产品规格等工艺指标均完全相同，所不同的只是热处理中水淬调质处理工艺。
按照下表1所示的成分配比铁水，随后经铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空处理→圆坯连铸→定尺切割→堆垛缓冷→圆坯化学成分及质量检查→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→带温矫直→冷床冷却→定尺锯切→钢管几何尺寸及表面质量检查→热处理→带温矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工，得到含稀土低碳中锰无缝钢管，无缝钢管的规格为
Figure GDA0003035438220000031
其中热处理之外的工艺步骤可以按照常规无缝钢管生产工艺。
表1：无缝钢管的化学成分(重量百分比％)
C Si Mn P S Cr Mo V Ti Al Ce Ni Cu
成分1 0.05 0.29 3.52 0.008 0.002 0.21 0.05 0.04 0.015 0.019 0.0018 0.005 0.005
成分2 0.03 0.17 3.94 0.009 0.002 0.28 0.03 0.03 0.012 0.013 0.0012 0.005 0.005
其中热处理的工艺步骤为：
(1)首先将低碳中锰无缝钢管装入淬火加热炉之内，然后将加热炉烧嘴全开，使用脉冲控制烧嘴，火苗完全燃烧，来保证管体温度的均匀性，然后以35℃/min的速度将无缝钢管升至890℃，无缝钢管达到温度之后开始计时，保温时间为45min；
(2)然后将达到保温时间的无缝钢管快速出炉，然后进行水冷处理，控制冷却水流量为600±50m3/h，外淋内喷时间为12s。冷却之后的管体温度应低于100℃；然后将经过水冷处理的无缝钢管装入回火加热炉之内，钢管在步进梁之上采用“隔一装一”的方式进行装炉，以保证管体回火温度的均匀性，然后以15℃/min的速度将无缝钢管升至650℃，无缝钢管达到温度之后开始计时，保温时间为2～12小时，具体工艺参数设置控制分别见表2～表3。
(3)然后将温度降到520℃～530℃之间的钢管送入辊式矫直机进行温矫，然后将钢管送入步进式冷床进行自然冷却，然后将钢管送入排锯进行定尺锯切；
其中表2中的实施例1和对比例11-对比例15所对应的无缝钢管为采用上表1的成分1所制备，然后经过热处理步骤；表3中的实施例2和对比例21-对比例25所对应的无缝钢管为采用上表1的成分2所制备，然后经过热处理步骤。
表2：成分1的无缝钢管的热处理工艺参数设置
Figure GDA0003035438220000041
表3：成分2的无缝钢管的热处理工艺参数设置
Figure GDA0003035438220000042
无缝钢管在热处理之后的力学性能检测结果分别见表4～表5。金属夹杂物细小，通过调质处理获得的组织为均匀单一的回火索氏体，晶粒为超细晶粒，可达到11级以上。通过XRD分析，热处理后管体内残余奥氏体含量为7.10％。
表4：成分1的无缝钢管在热处理之后的力学性能检测结果
Figure GDA0003035438220000043
表5：成分2的无缝钢管在热处理之后的力学性能检测结果
Figure GDA0003035438220000051
由以上表1-表5所示的数据可知，在相同的化学成分下，热处理中回火保温时间在12小时以上，相对于较低的回火保温时间，可以获得屈强比较低、延伸率较高和0℃冲击韧性较高的含稀土低碳中锰无缝钢管。结果表明，本发明制备得到的含稀土低碳中锰无缝钢管在热处理后的力学性能满足：屈强比≤0.75；延伸率≥35％；0℃时的横向冲击值akv≥240J/cm2；晶粒度≥11.0级，尤其是屈强比≤0.75；延伸率≥37％；0℃时的横向冲击值akv≥265J/cm2；晶粒度≥11.0级，相对于现有技术方法生产的低碳中锰无缝钢管具有更优良的韧性和塑性性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种含稀土低碳中锰钢无缝钢管，其特征在于，所述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C 0.02～0.08%；Si 0.15～0.45%；Mn 3.50～4.00%；P≤0.010%；S≤0.003%；Cr 0.20～0.30%；Mo 0.02～0.05%；V 0.03～0.05%；Ti 0.01～0.02%；Al 0.010～0.030%；稀土元素Ce 0.0010～0.0020%；Ni＜0.10%；Cu＜0.10%；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素；
所述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的力学性能满足：屈强比≤0.75；延伸率≥37%；0℃时的横向冲击值akv≥265 J/cm2；晶粒度≥11.0级；
所述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的热处理方法包括以下步骤：
（1）在加热炉中将低碳中锰钢无缝钢管以30℃/min～40℃/min的速度升温至880℃～900℃之间，保温30min～60min，使奥氏体在铁素体基体中均匀析出；将加热炉烧嘴全开，使用脉冲控制烧嘴，火苗完全燃烧，来保证管体温度的均匀性；
（2）保温时间到后将步骤（1）的钢管出炉，同时将快速冷却设备打开，控制冷却水的流量为600m3/h±50m3/h，外淋内喷的时间均为12s，冷却之后钢管管体的温度低于100℃；
（3）将步骤（2）的钢管装入加热炉中，以10℃/min～18℃/min的速度升温至640～660℃，保温段开始计时，保温时间为12～14小时；同时钢管在步进梁上采用“隔一装一”的装料形式，进行装炉，来保证管体回火温度的均匀性；然后将温度降到520℃～530℃之间的钢管送入辊式矫直机进行温矫后自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的含稀土低碳中锰钢无缝钢管，其特征在于，所述含稀土低碳中锰钢无缝钢管的化学成分按质量百分比计为：C 0.03～0.05%；Si 0.17～0.29%；Mn 3.52～3.94%；P≤0.010%；S≤0.003%；Cr 0.21～0.28%；Mo 0.03～0.05%；V 0.03～0.04%；Ti0.012～0.015%；Al 0.013～0.019%；稀土元素Ce 0.0012～0.0018%；Ni≤0.005%；Cu≤0.005%；余量为基体Fe和不可避免的微量杂质元素。
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