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CN116377324B - 一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管及制造方法 - Google Patents

一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管及制造方法 Download PDF

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CN116377324B CN202310309565.7A CN202310309565A CN116377324B CN 116377324 B CN116377324 B CN 116377324B CN 202310309565 A CN202310309565 A CN 202310309565A CN 116377324 B CN116377324 B CN 116377324B
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Abstract

本发明涉及一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％，Si：0.30％～0.50％，Mn：0.8％～1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20％～0.80％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.50％～1.40％，V：0.030％～0.070％，Al：0.015％～0.050％，Nb：0.020％～0.060％，Ti：0.010％～0.030％，Cu：0.30％～0.50％，N＜0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用正火+淬火+高温回火热处理工艺处理的无缝钢管，显微组织为回火索氏体+≤10％的回火贝氏体，奥氏体晶粒度≥10级，具备高强高低温韧性的特质。本发明在此成分下通过对钢管进行特殊的热处理工艺保证无缝钢管的强度及低温韧性指标满足要求。

Description

一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管及制造 方法
技术领域
本发明涉及低合金高强度无缝钢管制造技术领域，特别涉及一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管及其制造方法。
背景技术
工程建设中需要吊运物品的质量、体积和起升高度越来越大，履带起重机由于移动灵活且起吊吨位大愈来愈显示其优越性，近年来的市场容量也逐年上升。为适用市场的需求，生产企业已将履带起重机的吨位做得越来越大，从几十吨迅速发展到目前国内最大的4500吨，所以对制作履带起重机臂架用无缝钢管的性能提出了更高的要求。采用屈服强度960MPa级的超高强高韧性无缝钢管来制作履带起重机臂架，对于提高设备效率、降低能耗和减少装备自重可以起到重要作用，同时可以适应履带起重机不断向高参数化、大型化和轻量化方向发展。
对于低合金高强钢范畴的Q960E超高强钢属于工程机械及海洋平台等用钢，目前在板带材上的应用较多，是板带材市场中强度级别和冲击韧性要求较高的钢种。而对于无缝钢管的生产来说，屈服强度在960MPa以上的产品，一般都是采用中高碳合金钢及低碳高合金钢，通过淬火+回火等热处理工艺保证性能，这类钢种的强度能达到较高水平，但-40℃低温冲击韧性不佳，焊接性能也不好，不能满足工程机械用钢需要的高强高韧性、良好焊接性能要求。目前采用低合金钢能实现稳定生产的无缝钢管其屈服强度水平只能达到890MPa级。
现有高强高韧性结构用无缝钢管都是在低碳锰钢基础上加适量Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素然后通过调质热处理，利用Mn、Cr、W、Ni、Mo等元素的固溶强化及Nb、V、Ti等微合金元素的析出强化和细晶强化来实现优异的性能。
CN201410684446.0专利一种屈服强度960MPa级调质钢及其制造方法，该发明要求产品的屈服强度达到960MPa、—40℃冲击功大于47J，其专利成分为：C：0.10％～0.20％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.00％～1.60％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.10％～0.50％，Mo：0.20％～0.60％，V：0.020％～0.060％，Nb：0.015％～0.055％，Ti：0.003％～0.04％，Al：0.020％～0.070％，B：0.0006％～0.0025％，余量为铁和残余元素，CEV≤0.61％；生产过程为：钢坯经过控轧工艺将终轧温度控制在820℃～880℃再进行超快冷却至500℃～700℃，最后通过调质处理达到性能要求。该发明的不同之处有如下在于：该发明是一种超高强度钢板的制作方法，它采用了两阶段控制轧制和控制冷却的方法，适合4.0mm～25mm厚规格钢板的生产，该工艺不适合无缝钢管的生产。
CN202111253774.1专利一种屈服强度960MPa级低屈强比海工用钢板及其制备方法，其专利成分为：C：0.10％～0.20％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.00％～1.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.20％～0.60％，Mo：0.20％～0.80％，Co：0.2％～1.00％，V：0.020％～0.100％，Nb：0～0.050％，Ti：0.005％～0.015％，Cu：0～0.50％，B：0.0005％～0.0020％，，余量为铁。生产过程为：钢坯经过控轧控冷和(α+γ)两相区退火+完全奥氏体化淬火+中低温回处理，制备出高强韧性低屈强中厚钢板。该发明的不同之处有如下在于：(1)该发明是一种超高强度钢板的制作方法，在轧制阶段采用了控制轧制和控制冷却的方法，该工艺不适合无缝钢管的生产。(2)该发明的成分中加入了Co合金(0.2％～1.00％)，大大增加了钢的成本，也不便于一般钢厂的生产组织。
CN202011310801.X的中国专利一种960MPa级超高强结构钢、钢管及其制造方法和应用》，该发明产品的屈服强度要求大于等于960MPa、—40℃冲击功大于45J。其专利成分为：C：0.12％～0.17％，Si：0.10％～0.40％，Mn：0.70％～1.30％，P≤0.010％，S≤0.003％，Cr：0.50％～1.00％，Mo：0.70％～1.0％，W：0.1％～0.3％，Ni：0.1％～0.4％，Nb：0.01％～0.06％，Als：0.01％～0.05％，Ca：0.0005％～0.005％，余量为铁。按此成分冶炼的连铸圆坯经加热、穿孔、轧制后进行淬火+高温回火热处理保证性能满足要求。该发明的不同之处在于：(1)成分中加入了W合金(0.10％～0.30％)，同时Mo合金(0.70％～1.0％)的加入量也较高，大大增加了钢的成本。2.采用该发明工艺生产的钢管得到微观组织为片状马氏体组织而不是回火索氏体组织，不具备超高强高低温韧性的特质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，具有超高强度且低温韧性良好和耐大气腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％，Si：0.30％～0.50％，Mn：0.8％～1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20％～0.80％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.50％～1.40％，V：0.030％～0.070％，Al：0.015％～0.050％，Nb：0.020％～0.060％，Ti：0.010％～0.030％，Cu：0.30％～0.50％，N＜0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。
成分作用：
C的主要作用是固溶强化，是确保无缝钢管强度的重要元素。为提高淬透性，以达到屈服强度大于960MPa的要求，C必须在0.12％以上。但如果C大于0.18％，则钢的塑性、韧性会下降，同时C含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此，C的优选范围为0.13％～0.18％，更加优选含量范围为0.14％～0.17％。
Mn是奥氏体稳定化元素，是提高钢韧性的有效元素，对调质处理钢力学性能的影响主要通过提高钢的淬透性来达到。Mn含量太低，得不到预期强化效果，Mn含量太高，钢的塑性、韧性会下降，同时Mn含量较高还会导致钢的焊接性能变差，本发明为控制钢的碳当量水平，将Mn含量控制在0.80％～1.00％，更加优选含量范围为0.90％～1.00％。
Cr能够提高钢的淬透性，增加钢的强度，但也有增加钢回火脆性的倾向，所以应与Mo等元素配合使用。其含量在0.20％以上时其效果能够明显体现，但是若添加过量会导致钢的塑性、韧性会下降，同时Cr含量较高会导致钢的焊接性能变差，所以Cr的优选范围为0.20％～0.80％，更加优选含量范围为0.40％～0.60％。
Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.20％以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差，且Mo属于贵重金属，因此在满足性能的情况下应尽量少加。所以Mo的优选范围为0.30％～0.60％，更加优选含量范围为0.35％～0.50％。
Ni是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，可以明显改善钢的低温韧性，实现钢的高强高韧性匹配。同时Ni还能有效阻止含Cu钢在热加工时出现的热脆网裂。当Ni含量较低时，对钢的低温韧性的提高不明显，尤其是厚壁钢管，但过高的Ni含量会大幅增加钢成本，考虑到该发明所设计的产品屈服强度要求在960MPa级以上，且—40℃低温冲击韧性≥80J，所以Ni的优选范围为0.50％～1.40％，更加优选含量范围为0.80％～1.40％。
V在低合金钢中主要起到析出强化和细晶强化的作用，可以增加钢的强度并抑制其时效作用，V含量在0.02％以上就有作用，但是V含量超过0.10％，钢的韧性会降低，所以V的优选范围为0.030％～0.070％，更加优选含量范围为0.040％～0.060％。
Al是钢中的主要脱氧元素，同时也是一种廉价的细化晶粒元素，在本发明中加Al的主要目的是细化晶粒、固定钢中的N，从而显著提高钢的冲击韧性。Al含量应大于0.015％，如Al含量超过0.05％，会导致钢中非金属夹杂物增加，或使韧性变差，因此其上限设定为0.050％以下。优选范围为0.015％～0.05％，更加优选含量范围为0.020％～0.040％。
Ti与N、O、C都有极强的亲和力，本发明在钢中加入钛铁进行微钛处理，利用Ti与钢中N形成TiN，部分凝固状态下析出的TiN可阻止钢管在加热过程中晶粒的长大，可以改善钢管的塑性韧性，同时还可以改善钢管的焊接性能。但Ti的加入量过多易形成TiN夹杂，使钢管韧性变差，因此其范围0.010％～0.030％。优选范围为0.010％～0.020％。
Nb的主要作用一方面是析出强化，另一方面是通过形成纳米析出相钉扎界面迁移从而在奥氏体化过程中阻止晶粒长大。当Nb含量过低时，析出强化和细晶效果不明显，所以Nb含量的下限设定为0.020％，优选范围为0.020％～0.060％，更加优选含量范围为0.030％～0.050％。
Cu能改善钢的淬透性，同时也是重要的提高钢材耐大气腐蚀的元素。当Cu含量较高时，在热轧加热过程中容易产生热脆现象，引起钢管表面出现网状裂纹，同时还会降低钢管焊接热影响区的韧性。因此其上限设定为0.60％以下，优选范围为0.30％～0.50％。本发明通过Cu、Cr、Ni几种合金元素的联合加入，不仅可以提高钢管的强度和—40℃低温韧性，还可以使钢管具有耐大气腐蚀的性能。
P易在晶界偏析，能升高韧脆转变温度，降低钢的韧性，含量太高会带来-40℃低温冲击韧性的降低，所以须将其限定在0.020％以下，更加优选的范围应控制在0.015％以下。
S易与锰等形成非硬质夹杂，其含量的增加会导致夹杂物数量的增加，在加工过程中沿轧制方向发生延伸变形，破坏材料基体的连续性，降低无缝钢管的低温冲击韧性。所以须将其限定在0.010％以下。
N对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材强度显著提高，但韧性显著降低，可焊性变差。在采用Nb、V、Ti、Al进行微合金化处理的钢中，过高的N含量会形成过多的氮化物，这会增加连铸过程中的控制难度，造成连铸坯表面出现裂纹的几率加大，最终造成钢管外表面出现裂纹，增加钢管的探伤不合格率。因此，须将其限定在0.0060％以下，更加优选的范围应控制在0.0050％以下。
一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管的制造方法，工艺过程：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼+VD→连铸圆管坯→热轧钢管→正火处理→淬火+高温回火热处理→钢管外表面喷砂处理→低温回火→带温矫直→检验；具体包括：
1)热轧后钢管进行正火热处理，正火温度900℃～930℃，保温30～50分钟后进行空冷、风冷或者雾冷；
2)正火热处理后的钢管进行淬火+高温回火热处理，钢管经过加热炉按890℃～910℃加热，并保温30～40分钟后进行外淋+内喷水淬处理，然后经回火炉按600℃～650℃加热，并保温45～90分钟后空冷；
3)高温回火后的钢管进行外表面喷砂处理，清除钢管外表面附着的氧化铁皮；
4)喷砂处理后的钢管进行低温回火热处理：钢管经回火炉按500℃～550℃加热，并保温20～30分钟后进行带温矫直，保证钢管每米弯曲度不大于1.2mm，且全长弯曲度不大于1‰。
所述的连铸圆管坯工艺中的圆管坯的直径为200～220mm。
所述的热轧钢管工艺中圆管坯加热温度为1240℃～1270℃，加热后经过穿孔、连轧管机轧制、定径机定径成型，轧制后钢管外径为,101.6～180mm、壁厚10～25mm。
所述的步骤2)中水淬处理时的平均冷却速度是40℃/秒以上。
一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，力学性能：屈服强度：Rp0.2≥960MPa；抗拉强度：RM 980～1200MPa；延伸率：A≥14％；-40℃平均冲击吸收能量KV2：≥80J。
钢管组织为回火索氏体+≤10％的回火贝氏体，奥氏体晶粒度≥10级。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)成分设计从经济性方面考虑，避免加入W、Co等价格较高的合金，而是考虑加入适量的Cr、Mo、Ni合金进行固溶强化；并采用V、Nb、Al进行微合金化处理来达到析出强化和细化晶粒的目的；特别考虑加入Ti，可有效阻止热轧高温状态下奥氏体晶粒的长大，从根源上起到细化奥氏体晶粒的作用；加入适量的Cu、Cr、Ni几种合金元素的联合作用，使该产品的耐大气腐蚀能力明显高于不加Cu合金的同类产品，并提高钢管表面的涂装性。同时控制钢中的N＜0.0060％，可以有效降低连铸坯表面出现的裂纹缺陷。在此成分下通过对钢管进行特殊的热处理工艺保证无缝钢管的强度及低温韧性指标满足要求。
(2)采用正火+淬火+高温回火热处理工艺处理的无缝钢管，显微组织为回火索氏体+≤10％的回火贝氏体，奥氏体晶粒度≥10级。具备高强高低温韧性的特质。该热处理工艺尤其对于壁厚20mm以上的厚壁管生产更有益处。
(3)对钢管回火处理后进行外表面喷砂处理，然后按500℃～550℃加热保温后进行带温矫直，可有效避免钢管矫直后外表面出现的麻面和麻坑缺陷，并保证钢管的每米弯曲度不大于1.2mm，且全长弯曲度不大于1‰。
(4)采用本发明制造的起重机臂架用低合金超高强度无缝钢管性能可满足：屈服强度Rp0.2≥960Mpa、抗拉强度RM 980～1200Mpa、断后伸长率A≥14％、-40℃低温冲击韧性KV2≥80J。
附图说明
图1为实施例6回火索氏体+8％的回火贝氏体金相组织图。
图2为实施例6奥氏体晶粒度11级示意图。
图3实施例5和对比例1交流阻抗结果对比图。
图4实施例5和对比例1动电位极化结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％，Si：0.30％～0.50％，Mn：0.8％～1.00％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：0.20％～0.80％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.50％～1.40％，V：0.030％～0.070％，Al：0.015％～0.050％，Nb：0.020％～0.060％，Ti：0.010％～0.030％，Cu：0.30％～0.50％，N＜0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。
一种960MPa级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管的制造方法，工艺过程：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼+VD→连铸圆管坯→热轧钢管→正火处理→淬火+高温回火热处理→钢管外表面喷砂处理→低温回火→带温矫直→检验；具体包括：
(1)转炉冶炼、LF炉外精炼+VD、连铸圆坯直径为200～220mm；
(2)连铸圆坯经钢管连轧机组轧制成外径为101.1～180mm、壁厚10～25mm的钢管，圆管坯加热温度为1240℃～1270℃，加热后经过穿孔、连轧管机轧制、定径机定径成型。
(3)热轧钢管后进行正火热处理，正火温度900℃～930℃，保温30～50分钟后进行空冷、风冷或者雾冷；这是一道预备热处理工艺，目的是细化晶粒，均匀组织，为后面的调质处理提供良好的基础组织。
(4)正火处理后的钢管经淬火+高温回火热处理，钢管经过加热炉按890℃～910℃加热并保温30～40分钟后进行外淋+内喷水淬处理，淬火的主要目的是把奥氏体化的钢管全部淬为马氏体，以便在适当温度回火后能够获得良好的组织和力学性能。根据对所发明钢种测定的相变点温度AC3(860℃～870℃)设计了淬火温度范围为890℃～910℃。要保证钢管实现高强度、高韧性的匹配，水淬时必须有足够的冷却强度，水淬处理时的平均冷却速度是40℃/秒以上。
然后经回火炉按600℃～650℃加热并保温45～90分钟后空冷进行回火热处理；消除钢管淬火后的残余应力，并增加钢的塑性和韧性。经正火+淬火+高温回火后无缝钢管的奥氏体晶粒度≥10级。显微组织为回火索氏体+≤10％的少量回火贝氏体。
(5)对回火后的钢管进行外表面喷砂处理，清除钢管外表面附着的氧化铁皮；避免钢管外表面经矫直后产生麻面或者麻坑缺陷。
(6)喷砂处理后的钢管进行低温回火，钢管经回火炉按500℃～550℃加热并保温20～30分钟后进行带温矫直，保证钢管每米弯曲度不大于1.2mm，且全长弯曲度不大于1‰。
实施例及对比例(对比例为含W)的成分见表1。
表1本发明实施例及对比例钢的成分(wt％)
实施例及对比例在热处理状态下的主要性能指标见表2。
表2力学性能及奥氏体晶粒度
通过电化学试验证明，本发明设计的钢种与不加Cu合金的类似成分钢种比较，本发明设计的钢种耐大气腐蚀性能更优良。这从图1和图2的试验结果可知，本发明设计的含Cu合金的实施例5(31#)容抗弧半径大于同类不含Cu合金的对比例1(13#)容抗弧半径。结合动电位极化可知，本发明设计的含Cu合金的实施例5(31#)耐大气腐蚀性能更优良。见图3-图4。
本发明可在履带式起重机臂架主旋管及各类高强结构件上使用，还可为工程机械结构件、网架结构、海洋工程、桥梁等各类工程提供所需的无缝钢管。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例子，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和基本精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种 960MPa 级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述 960MPa 级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管，化学成分按重量百分比为：
C：0.13%～0.18%，Si：0.30%～0.50%，Mn：0.8%～0.88%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cr：0.20%～0.80%，Mo：0.30%～0.60%，Ni：0.50%～0.87%，V：0.030%～0.070%，Al：0.015%～0.050%，Nb：0.020%～0.060%，Ti：0.010%～0.030%，Cu：0.36%～0.50%，N＜0.0060%，余量为Fe 和不可避免的杂质；显微组织为回火索氏体+≤10%的回火贝氏体；奥氏体晶粒度≥10级；相变点温度AC3：860℃～870℃；
力学性能：屈服强度：Rp0.2≥1010MPa；抗拉强度：RM 1040～1200MPa；延伸率：A≥14%；-40℃平均冲击吸收能量 KV2≥80J；
制造工艺过程为：铁水预处理→转炉冶炼→LF 炉外精炼+VD→连铸/连轧圆管坯→热轧钢管→正火处理→淬火+高温回火热处理→钢管外表面喷砂处理→低温回火→带温矫直→检验；具体包括：
1）热轧钢管工艺中圆管坯加热温度为 1240℃～1270℃，加热后经过穿孔、连轧管机轧制、定径机定径成型，轧制后钢管外径为 101.1～180mm、壁厚 10～25mm；热轧后钢管进行正火热处理：正火温度 900℃～930℃，保温 30～50 分钟后进行风冷或者雾冷；
2）正火热处理后的钢管进行淬火+高温回火热处理：钢管经过加热炉按 890℃～910℃加热，并保温 30～40 分钟后进行外淋+内喷水淬处理，水淬处理时的平均冷却速度是40℃/秒以上，淬火的目的是把奥氏体化的钢管全部淬为马氏体，然后经回火炉按 600℃～650℃加热，并保温 45～90 分钟后空冷；
3）高温回火后的钢管进行外表面喷砂处理，清除钢管外表面附着的氧化铁皮；
4）喷砂处理后的钢管进行低温回火热处理：钢管经回火炉按 500℃～550℃加热，并
保温 20～30 分钟后进行带温矫直，保证钢管每米弯曲度不大于 1.2mm，且全长弯曲度不大于 1‰。
2.根据权利要求1 所述的一种 960MPa 级超高强高韧性起重机臂架用无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述的连铸/连轧圆管坯工艺中的圆管坯的直径为 200～220mm。
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