CN102363833A

CN102363833A - 一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法

Info

Publication number: CN102363833A
Application number: CN2011103334299A
Authority: CN
Inventors: 张明亚; 朱伏先; 马世成; 李艳梅; 刘纪源
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102363833B

Abstract

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法。将壁冷拔无缝钢管采用中频加热感应线圈以至少35℃/s的加热速率加热到临界区760~850℃，退火处理5-20s，然后以40~80℃/s的速率冷却到贝氏体区380~450℃，等温处理10-40s，最后空冷、水冷或自然冷却至室温，得到本发明的相变诱发塑性钢无缝管。本发明技术方案制备得到的相变诱发塑性钢无缝管，经测定，其抗拉强度为780MPa级，延展率≥24%，强屈比≤0.55，加工硬化指数n≥0.24。

Description

一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，具体涉及一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法。

背景技术

在现代钢材制备领域，为了实现节约材料和减少运输中的能量损耗的目的，除了采用更高强度的材料以外，另一有效途径就是采用“以空代实”的节约型轻量化构件，而将两者有机地结合起来，达到钢材制备的节材和节能等效果。随着内高压成形等钢管二次成形技术的不断进步，高强度空心构件的工业生产已经成为可能，同时具备高强度、高成形性能的钢管制造技术的研究也备受关注。

由于多相钢的热处理过程较常规调质处理复杂的多，再加上钢管的形状决定其热处理过程又比普通板带钢的热处理麻烦，因此在多相钢管的工程实施及产业化核心技术开发过程中，要解决的首要问题就是钢管的在线热处理。目前，传统的钢管热处理加热方式以燃气加热和电阻加热为主，在加热过程中由于升温较慢，使钢管表面产生较厚的氧化皮，降低了钢管的表面质量，如果要保证钢管的表面质量，则要添加保护气氛，增加了自动化控制的难度，并且降低了生产效率。钢管加热时间较长，对于钢管微观组织的影响是难以得到细小的晶粒，使钢管细化晶粒的过程遇到了瓶颈，性能改善效果不够理想。

发明内容

针对传统的钢管制造方法存在的诸多问题，本发明提供了一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法，目的是采用本发明的中频感应热处理工艺实现低成本、高强度和高成形性能的相变诱发塑性钢无缝管的在线连续制造。

本发明选用的钢材的化学组成按质量百分数为：0.14～0.18% C，1.00～1.30% Si，1.00～1.60% Mn，0.015～0.06% Nb，0.02～0.20% Ti， P≤0.004、S≤0.004，余量为Fe和杂质。

实现本发明的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将壁厚≤5mm、直径≤1000mm的冷拔无缝钢管，采用中频加热感应线圈以至少35℃/s的加热速率加热到临界区760~850℃，进行退火处理5-20s；

（2）采用压缩空气进行冷却，将临界区退火处理后的钢管以40~80℃/s的速率冷却到贝氏体区380~450℃，进行等温处理10-40s；

（3）对贝氏体区等温处理后的钢管进行空冷、水冷或自然冷却至室温，得到相变诱发塑性钢无缝管。

本发明技术方案制备得到的相变诱发塑性钢无缝管，经测定，有12%的残余奥氏体弥散分布于基体组织中。

本发明技术方案制备得到的相变诱发塑性钢无缝管，经测定，其抗拉强度为780MPa级，延展率≥24%，强屈比≤0.55，加工硬化指数n≥0.24。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明所选用的钢材的化学成分是在低合金Q345钢的基础上添加一定量的Si元素，这是考虑到相变诱发塑性钢高强度和高成形性的特点，以研究开发具有良好成形性能的相变诱发塑性钢无缝管为目标，同时不增加材料成本为前提选用的。

本发明的技术方案利用中频加热感应线圈，将初始组织为铁素体+珠光体的冷拔无缝钢管迅速加热到临界区温度，进行退火处理，此过程是为了得到体积分数大致相等的铁素体和奥氏体，此时，碳向奥氏体转移，使奥氏体中的碳含量得到提高；将临界区处理后的钢管以大于40℃/s的冷速快速冷却到贝氏体区进行等温处理，由于钢管壁厚较薄，也为了便于控制，选择采用压缩空气冷却，此过程中部分奥氏体转变为贝氏体，并有少量的奥氏体残留下来，由于Si元素不易在渗碳体中溶解，碳化物的形成被抑制，碳元素进一步向奥氏体富集，使奥氏体中的碳含量大大增加，提高了其稳定性，最终得到的钢管的组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体。

本发明的相变过程包括形核和长大两个阶段，高加热速率增大了过热度，进而加大了相间的自由能差，加快了扩散速度，使工件在很短的时间内即完成相转变，可大大缩短工艺时间，但采用很快的加热速率对试样进行加热处理时，相变温度也相应的有所提高，所以在感应加热时，采用了较高的加热温度，即比用传统加热炉退火处理高出15℃左右，以保证相变和原子扩散的顺利进行。

利用本发明技术方案制备得到的相变诱发塑性钢无缝管的基体组织中，含有12%左右的残余奥氏体，其弥散分布于基体中其他各相的相界处，铁素体基体呈等轴晶分布，贝氏体呈条状分布于铁素体晶界，而残余奥氏体呈岛状分布于铁素体晶界或晶内，或呈薄膜状分布于贝氏体铁素体条间。

本发明的相变诱发塑性钢无缝管具有良好的强度-塑性匹配，达780MPa×24%，在拉伸过程中不存在屈服点或屈服平台，具有很高的加工硬化指数，其n≥0.24，以及小于等于0.55的很低的屈强比，其冷成形性能优良。

本发明的相变诱发塑性钢无缝管产品可以作为冷弯异型管的原材料也可以应用于汽车防撞梁等、变形量大和形状复杂的薄壁内高压成形管件。

附图说明

图1为本发明的热处理装置示意图；

其中1：中频加热感应线圈；2：冷却装置；

图2为本发明实施例1制备的相变诱发塑性钢无缝管经Lepera试剂腐蚀后的金相组织图；

图3为本发明制备的钢管的透射电镜扫描图像；

图4为本发明实施例1和2制备的相变诱发塑性钢无缝管的拉伸曲线；

图5为本发明实施例1制备的相变诱发塑性钢无缝管的X射线图谱；

图6为本发明实施例2制备的相变诱发塑性钢无缝管经Lepera试剂腐蚀后的金相组织图；

图7为本发明实施例2制备的相变诱发塑性钢无缝管的X射线图谱。

具体实施方式

实施例1

本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为：0.146%C，1.227%Si，1.321%Mn，0.0295%Nb，0.024%Ti，0.004%S，0.001%P，余量为Fe和杂质。；

将壁厚1.3mm，直径42mm的冷拔无缝钢管利用中频加热感应线圈，以35℃/s的加热速率加热到临界区800℃，进行退火处理10s；

采用压缩空气进行冷却，将临界区退火处理后的钢管以60℃/s的速率冷却到贝氏体区420℃，进行等温处理30s；

对贝氏体区等温处理后的钢管空冷至室温，得到相变诱发塑性钢无缝管。

从制备得到的相变诱发塑性钢无缝管的中部线切割出金相试样，经研磨、抛光后采用Lepera（质量分数为1%Na₂S₂O₅水溶液与质量分数4%的苦味酸酒精溶液按体积比1:1比例混合）试剂进行腐蚀，其金相组织如图2所示，经此腐蚀方法可以区分出图2的基体组织中呈灰色的为铁素体，呈黑色的为贝氏体，呈白色的为残余奥氏体。

沿制备得到的相变诱发塑性钢无缝管的管壁分别取样进行透射和X射线衍射分析，透射分析结果见图3，图中给出了残余奥氏体形貌，在铁素体基体上也能明显地观察到大量的位错存在，X射线衍射分析结果如图5所示，图中明显地观察到了很强的奥氏体峰

Figure 2011103334299100002DEST_PATH_IMAGE002

、

Figure 2011103334299100002DEST_PATH_IMAGE004

和

Figure 2011103334299100002DEST_PATH_IMAGE006

，经过计算得到，基体中的残余奥氏体的体积含量为12%，残余奥氏体中的碳浓度为1.98%，计算结果证实了在贝氏体区等温时碳向奥氏体发生富集，很高的碳浓度保证了残余奥氏体在室温下的稳定性。

对制备得到的相变诱发塑性钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，其抗拉强度平均为795MPa，屈强比为0.51，延展率为24%，加工硬化指数n值为0.24。

图4中1号曲线为本实施例制备的相变诱发塑性钢无缝管在室温时的典型拉伸曲线，从图6中可以看出，试样没有屈服平台或上、下屈服点出现；拉伸结果显示，试样的屈强比很低，且具有高的n值和延伸率，说明本发明的钢管常温状态下具有良好的成形性能，适合于复杂形状的管材加工。

实施例2

本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为：0.146%C，1.127%Si，1.321%Mn，0.0295%Nb，0.024%Ti，0.003%S，0.004%P，余量为Fe和杂质。；

将壁厚1.3mm，直径42mm的冷拔无缝钢管利用中频加热感应线圈以600℃/s的加热速率加热到临界区810℃，进行退火处理20s；

对贝氏体区等温处理后的钢管空冷至室温，得到本发明的相变诱发塑性钢无缝管。

本实施例中快速的加热使得钢管试样几乎失去了预热过程，试样在很短的时间即达到了预定的临界区温度，由于均热时间很短，基体内的组织还未来得及长大即完成了加热过程，此时的晶粒为很细小的初始晶粒状态，具有此种晶粒组织的材料强度较高。

对制备得到的相变诱发塑性钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，其抗拉强度平均为780MPa，屈强比为0.55，延展率为27%，加工硬化指数n值为0.26；经过计算得到，基体中的残余奥氏体的体积含量最高为13.4%，残余奥氏体中的碳浓度最高位为1.91%，计算结果证实了在贝氏体区等温时碳向奥氏体发生富集，很高的碳浓度保证了残余奥氏体在室温下的稳定性。

图6中的2号曲线为本实施例制备的相变诱发塑性钢无缝管在室温时的典型拉伸曲线，从图6中可以看出，试样没有屈服平台或上、下屈服点出现，实施例2中试样的抗拉强度较实施例1稍高；拉伸结果显示，试样的屈强比很低，且具有高的n值和延伸率，说明本发明的钢管常温状态下具有良好的成形性能，适合于复杂形状的管材加工。

实施例3

本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为：0.14%C，1.30%Si，1.60%Mn，0.015%Nb，0.02%Ti，0.002%S，0.002%P，余量为Fe和杂质。

将壁厚5mm，直径1000mm的冷拔无缝钢管采用中频加热感应线圈，以400℃/s的加热速率加热到临界区850℃，进行退火处理5s；

采用压缩空气进行冷却的方法将临界区退火处理后的钢管以80℃/s的速率冷却到贝氏体区450℃，进行等温处理40s；

对贝氏体区等温处理后的钢管水冷至室温，得到本发明的相变诱发塑性钢无缝管。

实施例4

本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为：0.18%C，1.00%Si，1.00%Mn，0.006%Nb，0.20%Ti，0.004%S，0.002%P，余量为Fe和杂质。

将壁厚3mm，直径800mm的冷拔无缝钢管采用中频加热感应线圈，以200℃/s的加热速率加热到临界区760℃，进行退火处理20s；

采用压缩空气进行冷却的方法将临界区退火处理后的钢管以40℃/s的速率冷却到贝氏体区380℃，进行等温处理10s；

对贝氏体区等温处理后的钢管自然冷却至室温，得到本发明的相变诱发塑性钢无缝管。

Claims

1.一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）将壁厚≤5mm、直径≤1000mm的冷拔无缝钢管采用中频加热感应线圈以至少35℃/s的加热速率加热到临界区760~850℃，进行退火处理5-20s；

（2）采用压缩空气进行冷却将临界区退火处理后的钢管以40~80℃/s的速率冷却到贝氏体区380~450℃，进行等温处理10-40s；

（3）对贝氏体区等温处理后的钢管进行空冷、水冷或自然冷却至室温，获得相变诱发塑性钢无缝管。

2.根据权利要求所述的一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法，其特征在于所选用的钢材原料的化学组成按质量百分比为：0.14～0.18% C，1.00～1.30% Si，1.00～1.60% Mn，0.015～0.06% Nb，0.02～0.20% Ti， P≤0.004、S≤0.004，余量为Fe和杂质。

3.根据权利要求1所述的一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法，其特征在于制备得到的相变诱发塑性钢无缝管抗拉强度为780MPa级，延展率≥24%，强屈比≤0.55，加工硬化指数n≥0.24。