CN100400679C

CN100400679C - 高强度非调质无缝钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN100400679C
Application number: CNB2005100516622A
Authority: CN
Inventors: 阪本诚
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: JP2005232539A; JP4259347B2; CN1657643A; US20080110533A1; US20050183799A1

Abstract

一种非调质无缝钢管，以质量%计，含有C：0.10～0.25%、Si：0.05～1.00%、Mn：0.50～2.50%、P：0.03%以下、S：0.05%以下、Cr：0.40～1.50%、Mo：0.05～1.50%、V：0.02～0.30%、Al：0.003～0.10%、B：0.0003～0.01%、N：0.001～0.02%，剩余部分由Fe和杂质组成。该非调质无缝钢管的铁素体面积率为10%以下，由下述式定义的碳当量Ceq.(%)为0.45～0.85%，Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。根据本发明可以提供一种非调质且同时具备高强度和高韧性、进而能够确保良好的可焊性的非调质无缝钢管。

Description

高强度非调质无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于机械结构用钢管等的无缝钢管，特别是涉及能够以热制管状态直接使用且具有高强度以及高韧性、进而可焊性出色的非调质无缝钢管。

背景技术

以往，可以通过如下操作制造在要求高强度和韧性的用途中使用的无缝钢管。即，首先，经由热加工中的穿孔工序以及压延工序从钢坯制造无缝钢管。然后，对该钢管实施淬火、回火处理，由此赋予规定的强度水平和高韧性而制成产品。

在上述无缝钢管的制造中，在制管后需要热处理工序，所以成本高，而且交货期也会变长。为了消除这样的问题，对非调质并具有高强度、高韧性的无缝钢管的需求也日益迫切。

以往，作为在通过油压等运转的汽缸等中使用的非调质无缝钢管，主要使用的是540MPa钢。其中，“540MPa钢”是指具有抗拉强度为540MPa以上且屈服应力为390MPA以上的强度的钢。但是，当谋求用于这种用途的钢管的高压化以及轻量化时，可以使用已实施了淬火-回火等热处理的高强度的调质钢。当要获得高强度且非调质的无缝钢管时，已尝试过增加碳量或者大量添加高价合金元素，但这些会引起可焊性的下降或成本的增加等问题。

关于上述的情况，引用现有技术进行更具体的说明。

非调质并具有高强度、高韧性的无缝钢管，例如记载在特开平03-162524号公报、特开平05-202447号公报、特开平09-25541号公报、特开平10-130783号公报、特开平10-204571号公报、特开平10-324946号公报、特开平11-36017号公报、特开2000-328192号公报、特开2001-323338号公报、特开2001-247931号公报、特开2001-262275号公报中。

专利文献1：特开平03-162524号公报

专利文献2：特开平05-202447号公报

专利文献3：特开平09-25541号公报

专利文献4：特开平10-130783号公报

专利文献5：特开平10-204571号公报

专利文献6：特开平10-324946号公报

专利文献7：特开平11-36017号公报

专利文献8：特开2000-328192号公报

专利文献9：特开2001-323338号公报

专利文献10：特开2001-247931号公报

专利文献11：特开2001-262275号公报

特开平03-162524号公报中公开了低温韧性出色的高张力无缝钢管的制造方法。具体地说，将原材料加热至1,150℃～1,300℃，在造管过程中通过强制冷却进行预备冷却和回热冷却，最后进行强制冷却，由此使晶粒微细化，并使韧性以及强度增大。该方法中的问题点是需要在造管途中的预备冷却装置和造管后的强制冷却装置。

特开平05-202447号公报、特开平09-25541号公报、特开平10-130783号公报、特开平10-204571号公报、特开平10-324946号公报、特开平11-36017号公报以及特开2000-328192号公报中都公开了用于在非调质条件下同时获得高强度和韧性的调节成分的方法和热制管方法。另外，这些公报中公开的技术的共同点在于，添加0.2％以上的碳(C)，并进行中碳类的成分设计。在这些现有技术中，因为含有0.2％以上的碳，相对于强度水平，韧性不够充分。特别是在焊接部经淬火硬化后韧性有所下降，或者会引起焊接裂纹。

特开2001-323338号公报中公开了将碳添加量的范围宽的钢作为对象并使其同时具备热加工性、切削性和韧性的方法。但是，在该公报中公开的钢管中没有添加钒(V)，所以无法确保足够的强度。

特开2001-247931号公报以及特开2001-262275号公报中公开了将碳添加量的范围宽的钢作为对象，并通过规定热制管温度，控制金属组织，来确保强度、韧性的技术以及确保热加工性的技术。但是，若要实施在这些公报中提出的低温制管，以往设备的马达功率不足，所以需要改造设备。另外，若要先冷却后再加热而完成制管，需要再加热炉等设备。

还有，在特开2001-247931号公报中，尽管在权利要求中规定了宽范围的碳添加量，但在实施例中，碳添加量为0.2％以上。

在特开2001-262275号公报所公开的方法中，制管后先降低温度，随后再加热至900℃，但在温度降低的阶段，会析出V、Ti、Nb等，随后的再加热会使该析出物生长。其结果析出物会粗大化且影响韧性，进而无法获得足够的强度。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种非调质且同时具备高强度和高韧性、进而能够确保良好的可焊性的非调质无缝钢管。特别是提供一种抗拉强度为640MPa以上且屈服应力为490MPA以上的高强度非调质无缝钢管。

本发明的其他目的在于，提供具有如上所述的特性的非调质无缝钢管的制造方法。

本发明人发现要完成上述目的时下述方法是有效的。

(1)降低碳含量。然后，为了补充伴随碳含量降低的强度，复合添加锰(Mn)、铬(Cr)和钒(V)。由此，可以获得高强度，且包括焊接区在内可以获得良好的韧性。

(2)铁素体面积率为规定的值以下。由此，可以获得规定强度。其中，“铁素体面积率”是指通过光学显微镜观察等方法，将存在于该钢管中的铁素体结晶量作为相对于其视野的面积比而测量的值。

(3)在降低碳含量的基础上，将碳当量(Ceq.)调整至规定范围。

非调质钢的金属组织是以铁素体-珠光体钢为标准，若为了适应高强度的要求而进行高碳化，则韧性会下降。因此，本发明人为了降低碳含量并补充强度，复合添加了Mn、Cr、V。由此获得的非调质钢的金属组织是以贝氏体为主体的组织，从而能够确保高强度和高韧性。其中，“以贝氏体为主体的组织”当然是指贝氏体以100％存在的组织，还包括在贝氏体和铁素体的混合组织中铁素体为50体积％以下的组织。

本发明的要点在于下述几点。

(1)将碳含量控制在0.25％以下。

(2)复合添加锰(Mn)、铬(Cr)和钒(V)。

(3)铁素体面积率为10％以下。

(4)金属组织是以贝氏体为主体的组织，其中，作为能够同时获得高强度和高韧性的成分组成范围，满足以下式规定的碳当量Ceq.(％)在0.45以上、0.85以下。

Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

若要确保强度，铁素体面积率在10％以下、Ceq.在0.45～0.85的范围内即可，作为满足它的方法，可以举出各种合金元素的添加量的调整以及制管工序中的精轧温度的调整。本发明人发现，尤其是当将Mn、Cr、V，同时复合添加时，强度和韧性可以达到良好的平衡。即，在碳含量相同时，与其只添加Mn和Cr而达到目标碳当量Ceq.不如在降低Mn和Cr的量的同时添加V而达到目标碳当量，此时可以获得更好的韧性。因此，就Mn、Cr和V而言，重要的是复合添加。

从上述的观点出发，本发明的非调质无缝钢管的特征在于，以质量％计，含有C：0.10～0.25％、Si：0.05～1.00％、Mn：0.50～2.50％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Cr：0.40～1.50％、Mo：0.05～1.50％、V：0.02～0.30％、Al：0.003～0.10％、B：0.0003～0.01％、N：0.001～0.02％，剩余部分由Fe和杂质组成，铁素体面积率为10％以下，且用下述的式子定义的碳当量Ceq.(％)为0.45～0.85％。

Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

用于制造上述非调质无缝钢管的本发明方法的特征在于，制管工序中的精轧温度为900℃以上，且满足下述关系式。

Ceq.(％)×精轧温度(℃)≥450

Fe的一部分可以被从Ti：0.005～0.2％、Cu：0.05～1.5％、Ni：0.05～1.5％、Nb：0.005～0.2％中选择的1种或2种以上所取代。

下面说明上述的限定理由。

C：0.10～0.25％

C是确保淬火性的有效元素，在热压延后使金属组织直接成为贝氏体和铁素体(珠光体)的混合组织并同时确保必要的强度方面，是重要的元素。为此，有必要使含碳量在0.10％以上，但过多时会使韧性以及可焊性下降，所以碳含量的上限值设为0.25％。从确保最好的强度-韧性平衡的观点来看，C含量在0.15～0.23％的范围内为宜。

Si：0.05～1.00％

Si是在熔炼时起脱氧剂作用的元素。Si含量若不到0.05％，则脱氧不充分且非金属夹杂物增加。相反，当Si添加量过剩时，韧性下降，在加热钢材时锅垢(scale)形成得较多，表面性状恶化，所以Si含量的上限值设为1.00％。最好的Si含量范围为0.15～0.40％。

Mn：0.50～2.50％

Mn与Si相同，是在熔炼时起脱氧剂作用的元素，而且在减少了C的钢中，通过与Cr、V一同进行复合添加，可以在不降低韧性的情况下增加强度。为了确保规定的强度，有必要含有0.50％以上。另一方面，当超过2.50％时，可焊性和韧性下降。基于这种理由，将Mn含量限定在0.50～2.50％的范围之内。从确保最好的强度-韧性平衡的观点来看，Mn含量在0.16～1.50％的范围内为宜。

P：0.03％以下

P是凝固时在最终凝固位置附近稠化、且在晶界偏析并降低热加工性和韧性的杂质元素。因此，优选尽可能地降低其含量，但在不超过0.03％的范围内容许其存在，所以将P含量设为0.03％以下。不过，为了进一步确保高韧性，优选在0.02％以下，更优选在0.01％以下。

S：0.05％以下

S与P相同，是凝固时在晶界偏析并降低热加工性和韧性的杂质元素。因此，优选尽可能地降低其含量，但在不超过0.05％的范围内容许其存在，所以将S含量设为0.05％以下。不过，过分减少有可能造成切削性的下降，所以重视切削性时的S的下限值优选设为0.01％。另一方面，当与切削性相比更重视韧性时，S含量设为0.02％以下，更优选设为0.018％以下。

Cr：0.40％～1.50％

Cr是改善淬火性的有效元素，而且在减少了C的钢中，通过与Mn、V一同进行复合添加，可以在不降低韧性的情况下增加强度。为了确保规定的强度，有必要含有0.40％以上。另一方面，当超过1.50％时，可焊性和韧性下降。基于这种理由，将Cr含量限定在0.40～1.50％的范围之内。从确保最好的强度-韧性平衡的观点来看，Cr含量在0.40～1.20％的范围内为宜。

Mo：0.05～1.50％

Mo是改善淬火性的有效元素，而且在确保必要的强度方面是重要的元素。为此，有必要含0.05％以上，但如果添加过多，会使强度过于增高且降低韧性。从这一观点出发，将上限值设为1.50％。优选的Mo含量范围为0.10～1.00％。

V：0.02～0.30％

V是形成碳化物或氮化物而使奥氏体晶粒微细化的有效元素。另外，如果与Mn、Cr一同进行复合添加，能够在具有高强度的同时将韧性的降低控制在最小。为了获得这种效果，需要添加0.02％以上。另一方面，当超过0.3％时，韧性会下降，所以将V含量限定在0.02～0.30％的范围内。从确保最好的强度-韧性平衡的观点来看，V含量在0.03～0.15％的范围内为宜。

Al：0.003～0.10％

Al可作为脱氧剂发挥作用。为了获得这种效果，需要其含量在0.003％以上。当超过0.10％时，有可能导致氧化铝类夹杂物的增加以及表面缺陷的增加。基于这种理由，将Al含量限定在0.003～0.10％的范围内。其中，为了确保稳定的表面品质，优选的范围是0.003～0.05％。

B：0.0003～0.01％

B是确保淬火性的有效元素，在热压延后使组织直接成为贝氏体和铁素体(珠光体)的混合组织并同时确保必要的强度方面，是重要的元素。为了发挥该效果，有必要使B含量在0.0003％以上，但添加过多时会使韧性下降。从这种观点出发，上限值设为0.01％。

N：0.001～0.02％

N与Al、Ti共存时具有使晶粒微细化并改善韧性的作用。不过，当不到0.001％时，该效果较小，当超过0.02％时，韧性反而会下降。基于这种理由，将含N含量限定在0.001～0.02％的范围内。

从Ti：0.005～0.2％、Cu：0.05～1.5％、Ni：0.05～1.5％、Nb：0.005～0.2％当中选择的1种或2种以上

Ti、Nb均可形成碳化物，以使组织微细化并改善韧性，同时通过在基体中析出可以增加强度，从而有助于高强度化。这些元素都是添加0.005％以上才能获得效果。另一方面，当超过0.2％时，韧性下降。基于这种理由，将其范围都限定在0.005～0.2％。

Cu、Ni都是改善淬火性并增加钢的强度的元素。都是添加0.05％以上才能获得效果。另一方面，当添加量超过1.5％时，Ni的强度提高效果会达到饱和，而且成本增加，而Cu会使热加工性下降。为此，将Ni、Cu的上限值分别设为1.5％。

剩余部分：Fe以及杂质

在杂质当中可含有Ca、Mg、REM(稀土金属)，它们的上限分别为0.01％。这些元素对强度、韧性、可焊性不会造成大的影响，但在铸造时，特别是在浇铸为圆钢坯时，可防止中间罐的喷嘴阻塞，所以有时会添加。当这些元素的含量超过0.01％时，表面性状恶化，成品率下降。因此，可以以0.01％为上限含有杂质。

铁素体面积率≤10％

就通过光学显微镜观察等方法，将钢管中存在的铁素体结晶量作为相对于其视野的面积比而测量的铁速体面积率而言，需要根据下述的理由而设为10％以下。即，当软质的铁素体粒的面积率增加时，会使原料强度下降，当达到一定面积以上时，无法获得规定的强度，所以将铁素体面积率设为10％以下。

碳当量Ceq.(％)：0.45～0.85％

Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15

右边的元素符号表示合金元素量，分别以质量％表示。除了上述的成分组成以及铁素体面积率的限定之外，从很好地保持强度、韧性和可焊性的观点来看，优选将Ceq.限定在0.45～0.85％的范围内。当Ceq.不到0.45％时，无法确保强度，当Ceq.超过0.85％时，韧性会下降且容易发生焊接裂纹。其中，从强度和韧性的平衡的观点出发，优选0.46～0.85％，进一步优选为0.46～0.70％，则更优选。其中，在计算碳当量Ceq.时，关于钢中不含的元素，可以将该元素量设为0而进行计算。

本发明的非调质无缝钢管能够通过如下的方法制造。即，将上述组成的钢在转炉、电炉或真空熔化炉中进行熔炼，采用连续铸造法或铸锭法使其凝固。将该凝固物直接或进行开坯后作为钢管原料使用，经由通常的无缝钢管的制造工序制成钢管之后，通过空气冷却而获得。

热压延后的冷却优选为利用自然冷却的空气冷却，但也可以实施气流冷却(在用挡风罩覆盖的同时进行冷却)等暖冷却、或者风冷(在送一些风的同时进行冷却)。

本发明的方法的特征为，制管工序中的精轧温度为900℃以上，且满足关系式Ceq.(％)×精轧温度(℃)≥450。为了在保持较低的碳含量且保持较低的所添加的合金元素含量的同时，获得贝氏体组织，在制管工序中，需要900℃以上的精轧温度。另外，为使得到的钢管的强度达到规定值以上，需要使Ceq.(％)×精轧温度(℃)的值为450以上。

根据本发明的方法，与特开平2001-262275号公报中所公开的方法不同，在制管工序中无需先降低温度而可以连续地结束压延，所以不会出现由再加热导致的析出物的粗大化，从而能够获得微细的析出物，并同时获得韧性和强度。

实施例

对表1所示的化学组成的钢(试样编号1～30)进行熔炼，在浇铸成钢锭(ingot)之后，经锻造而制成钢坯。将这些钢坯加热至1,250℃，用曼内斯曼芯棒式的轧管机造管，做成外径406.4mm×壁厚12.7mm的无缝钢管。这些钢管在压延后进行空气冷却。在造管后直接调查这些钢管(试样编号1～30)的机械特性，记载于表2。在表2中，除了机械特性之外，还记载了铁素体面积率、精轧温度、精轧温度×Ceq.的值、钢坯加热温度、以及评价。

对于表1和表2所示的试样编号1～30，需要注意有以下几点。

(1)试样编号1～7、11～18

-各成分的含量在优选的范围内。

-碳当量Ceq.在优选的范围内。

-铁素体面积率在优选的范围内。

-精轧温度在优选的范围内。

-精轧温度×Ceq.的值在优选的范围内。

在这些试样中，可以获得640MPa以上的抗拉强度(TS)以及490MPa以上的屈服应力(YS)。

(2)试样编号8～10

-各成分的含量在优选的范围内。

-碳当量Ceq.在优选的范围内。

-铁素体面积率在优选的范围内。

-精轧温度在优选的范围内。

-精轧温度×Ceq.的值低于优选的范围。

在这些试样中，屈服应力(YS)低于490MPa。

(3)试样编号19～30

-任一种成分的含量都脱离了优选的范围。

-碳当量Ceq.在优选的范围内。

-关于铁素体面积率，试样编号20、21、22、23、24、26在优选的范围内，试样编号19、25、27、28、29、30脱离了优选的范围。

-精轧温度在优选的范围内。

-关于精轧温度×Ceq.的值，除了试样编号19之外都在优选的范围内。

在这些试样中，屈服应力(YS)都低于490MPa。另外，在试样编号19～24、29、30中，抗拉强度也低于640MPa。

如上所述，根据本发明，能够得到同时具备高强度和高韧性的非调质无缝钢管。

工业上的可利用性

可以用于机械结构用钢管等中所使用的非调质无缝钢管。

Claims

1.一种高强度非调质无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管是经热轧制管之后直接使用的非调质无缝钢管，其中，以质量％计，含有

C：0.10～0.25％、Si：0.05～1.00％、Mn：0.50～2.50％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Cr：0.40～1.50％、Mo：0.05～1.50％、V：0.02～0.30％、Al：0.003～0.10％、B：0.0003～0.01％、N：0.001～0.02％，剩余部分由Fe和杂质组成，铁素体面积率为10％以下，由下述式定义的碳当量Ceq.(％)为0.45～0.85％，

Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，

而且抗拉强度为640MPa以上，屈服应力为490MPA以上。

2.根据权利要求1所述的高强度非调质无缝钢管，其特征在于，将Fe的一部分用从Ti：0.005～0.2％、Cu：0.05～1.5％、Ni：0.05～1.5％、Nb：0.005～0.2％中选择的1种或2种以上取代。

3.权利要求1所述的高强度非调质无缝钢管的制造方法，其特征在于，包括：

将权利要求1所述的组成的钢在转炉、电炉或真空熔化炉中进行熔炼的工序；

采用连续铸造法或铸锭法使经所述熔炼的钢凝固的工序；

将经所述凝固的钢直接或进行开坯后用作钢管原料来制成钢管的工序；

所述制成钢管的工序中，实施精轧温度为900℃以上且满足下述关系式的精轧，之后进行冷却，

Ceq.(％)×精轧温度(℃)≥450。

4.根据权利要求3所述的高强度非调质无缝钢管的制造方法，其特征在于，将Fe的一部分用从Ti：0.005～0.2％、Cu：0.05～1.5％、Ni：0.05～1.5％、Nb：0.005～0.2％中选择的1种或2种以上取代。