CN103866181B

CN103866181B - 一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法

Info

Publication number: CN103866181B
Application number: CN201410095812.9A
Authority: CN
Inventors: 侯晓英; 王业勤; 许荣昌
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103866181A

Abstract

本发明属于钢管制备领域，涉及一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法。铸锭加工后得到无缝冷拔钢管，然后采用中频加热感应线圈进行≥3次循环加热+淬火处理，最后空冷﹑水冷或自然冷却至室温，即得到超细晶粒双相钢无缝管。本发明利用普通低碳钢的化学成分生产出具有良好综合力学性能的超细晶粒双相钢无缝管，成本相对较低，其抗拉强度≥790MPa，屈强比≤0.53，延伸率≥24.2%，加工硬化指数≥0.24；显微组织平均晶粒尺寸均≤3.0μm，其中马氏体体积分数在15.0～26.0%范围内。

Description

一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法

技术领域

本发明属于钢管的制备领域，具体涉及一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法。

背景技术

近几年，气候变化、能源短缺等问题对现代工业的发展及人们的日常生活产生着日益严重的影响。节能减排、低碳环保已经是当今各国工业发展所亟待解决的问题。作为现代工业的标志与象征的汽车工业既是拉动国民经济发展的支柱产业，也是高消耗、高排放，造成环境污染的重点行业，其所产生的一系列环境负面影响构成了汽车工业可持续发展面临要解决的首要问题。

为了满足环境保护的需求，在保证整车性能的前提下实现轻量化，已成为各汽车企业研发新产品的目标，除了采用更高强度的材料以外，另一有效途径就是通过使用空心部件代替实心部件的方法来实现。随着管材内高压生产技术的成熟，高强度空心构件的工业生产已经成为可能，而实现该方案需要有高强度的空心件作为前提。双相钢具有良好的塑性和强度匹配，且因其初始塑性变形时高的加工硬化速率而被广泛应用在汽车工业。

目前，钢管的热处理加热方式仍以燃气加热和电阻加热为主，多数是将钢管整体放入加热炉内进行加热，这样所加工的钢管长度受到加热炉炉体大小的限制，不能生产大规格和长度较大的钢管，从而限制了钢管的产品规格；此外，采用这种装置在加热过程中升温较慢，钢管表面的氧化层严重，而且工作效率较低；再者，炉体内的托辊道无法保证钢管在加热炉内的匀速转动，其加热不均，可导致钢管的弯曲。中频感应加热处理后的产品质量良好、控制精度高、设备投资小、生产成本低、劳动条件好、节能环保、设备维护简单，是一项值得推广的技术。

发明内容

针对目前钢管制造技术存在的诸多问题，本发明提供一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法，目的是采用中频感应热处理工艺，利用普通低碳钢的化学成分生产出具有良好综合力学性能的低成本超细晶粒双相钢无缝管。

一种低成本超细晶粒双相钢无缝管，化学组成按质量百分比为C：0.06%～0.20%，Si：0.1%～0.8%，Mn：1.5%～1.9%，Nb≤0.04%，V≤0.05%，P≤0.02%，S≤0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。

低成本超细晶粒双相钢无缝管抗拉强度≥790MPa，屈强比≤0.53，延伸率≥24.2%，加工硬化指数≥0.24；显微组织平均晶粒尺寸均≤3.0μm，其中马氏体体积分数在15.0～26.0%范围内。

优选的，低成本超细晶粒双相钢无缝管抗拉强度790～870MPa，屈强比0.47～0.53，延伸率24.2%～29.1%，加工硬化指数0.24～0.30；显微组织平均晶粒尺寸均≤3.0μm，其中马氏体体积分数在15.0～26.0%范围内。

本发明所选用的钢材原材料的化学组成按质量百分比为C：0.06%～0.20%，Si：0.1%～0.8%，Mn：1.5%～1.9%，Nb≤0.04%，V≤0.05%，P≤0.02%，S≤0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。

实现本发明的技术方案按照以下步骤进行：

冶炼—锻棒—车削—加热—穿孔—冷拔—中频感应热处理—成品

一种在线制造低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将冶炼后的钢材原材料锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100～1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行3～7道次冷拔，即得到无缝冷拔钢管；

(2)将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行≥3次循环加热+淬火处理，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－10℃)，退火时间5～20s；

(3)置于空气中缓冷至650～720℃，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s；

(4)对等温处理后的钢管进行空冷﹑水冷或自然冷却至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管。

优选的，得到的无缝冷拔钢管满足尺寸：壁厚≤20mm，外径≤1000mm。

A_c3为热处理加热过程中铁素体完全转变为奥氏体的温度。

与现有技术相比较，本发明的特点和有益效果是：

1.本发明的目标是利用现有的普通低碳钢的化学成分研究开发出具有良好综合力学性能的超细晶粒双相钢无缝管，在工业生产中较易实现。此外通过调整热处理工艺参数，可以控制双相钢无缝管的微观组织中的各相比例，进而得到不同力学性能的双相钢无缝管，适合不同化学成分、不同尺寸的双相钢无缝管的生产，工艺相对稳定，成本相对较低，达到节能环保的效果。

2.本发明的技术方案是利用中频加热感应线圈，将初始组织为铁素体+珠光体的无缝冷拔钢管进行≥3次循环加热+淬火处理，从而有效地细化了晶粒尺寸，也即增加了晶界面积。由于晶界可把塑性变形限制在一定的范围，使变形均匀，同时又阻碍裂纹扩展，从而提高钢管的强塑性，这大大发挥了材质的潜力。而且在以满足技术条件为准则的前提下，可合理控制循环次数，这样也可彰显节约能耗方面的良好前景。

3.本发明的技术方案在进行循环加热+淬火处理时，其中加热速率≥300℃/s，超快速加热使热处理加热过程中的再结晶开始温度升高，再结晶温度范围扩大，而最终再结晶晶粒尺寸减小。再结晶晶粒尺寸的减小受形核率和长大率的控制，超快速加热时，在形核初期没有足够的时间发生回复，因而再结晶前回复所消耗的形变储能相对于加热速率较低时来说很少，同时再结晶温度被推迟到相对高的温度，这也是退火温度参数制定为(A_c3－55℃)～(A_c3－10℃)，相对于常规双相钢退火温度要高的缘故。超快速加热时因为要在有限的时间内要求达到可观的形核量，所以在较高的再结晶温度下增加了形核率，结果使得晶粒尺寸更为细小，而细化晶粒是惟一既能提高强度，同时又增加其塑性性能的有效措施，因而成品双相钢管的强度和塑性同步增加。

4.在临界区退火之后，在快速冷却之前置于空气中缓冷至650～720℃。缓慢冷却可以控制快冷始温，从而控制双相钢管中碳的固溶度。在缓冷过程中，C、Mn等元素进一步向奥氏体富集，增加了未转变奥氏体的稳定性、提高了铁素体的纯净度，同时也会析出一定量的取向附生铁素体。剩余奥氏体在随后的冷却过程中将转变为岛状马氏体，呈岛状形态分布的马氏体也有利于钢管的塑性。

附图说明

图1为本发明实施例中频感应热处理工艺示意图；

图2为本发明实施例1-Ⅶ工艺制备的低成本超细晶粒双相钢无缝管经过Lepera试剂进行腐蚀后观察到的金相组织图；

图3为本发明实施例1-Ⅶ工艺制备的低成本超细晶粒双相钢无缝管在透射电镜下的形貌组织图；

图4为本发明实施例1-Ⅶ工艺制备的低成本超细晶粒双相钢无缝管经过4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后观察到的金相组织图；

图5为本发明实施例1-I、1-Ⅱ、1-Ⅲ、1-Ⅴ和1-Ⅶ工艺制备的低成本超细晶粒双相钢无缝管的拉伸曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中所采用的钢材原材料的化学组成按质量百分比为C：0.06%～0.20%，Si：0.1%～0.8%，Mn：1.5%～1.9%，Nb≤0.04%，V≤0.05%，P≤0.02%，S≤0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。

本发明实施例中将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100～1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行3～7道次冷拔，即得到满足尺寸壁厚≤20mm、外径≤1000mm的无缝冷拔钢管。

本发明实施例中将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行≥3次循环加热+淬火处理，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－10℃)，退火时间5～20s。

本发明实施例中将退火处理后的无缝冷拔钢管置于空气中缓冷至650～720℃，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s。

本发明实施例中将对等温处理后的钢管进行空冷﹑水冷或自然冷却至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管。

本发明实施实例中从制备得到的双相钢无缝管的中部线切割出金相试样，经研磨﹑抛光后采用质量分数4%的硝酸酒精溶液和Lepera试剂(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混合)分别进行腐蚀，经Lepera试剂腐蚀方法可以区分组织中呈白色的组织为马氏体，呈灰色的组织为铁素体。

本发明实施实例中沿制备得到的双相钢无缝管的管壁分别取样进行分析马氏体体积分数和组织的晶粒尺寸，取5张组织图进行分析计算，然后取平均值；马氏体体积分数应用Leica图像分析软件进行计算；晶粒尺寸采用割线法来测定。

本发明实施实例中从制备得到的双相钢无缝管上取样按标准制成拉伸试样，有效标距为50×15mm，在SANA万能实验机上进行力学性能测试，拉伸速度5mm/min。

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

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C：0.20%，Si：0.8%，Mn：1.90%，Nb：0.04%，P：0.006%，S：0.024%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。由热膨胀曲线测得其A_c1和A_c3分别为705和882℃。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1200℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行5道次冷拔，即得到壁厚1.5mm、外径46mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行3次循环加热+淬火处理，具体退火工艺参数见表1，其中加热速率约300℃/s，退火温度(A_c3－52℃)～(A_c3－12℃)，退火时间10～20s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至670～720℃(表中简称此温度为快冷始温)，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s。对等温处理后的钢管空冷至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管，经测定，基体组织的平均晶粒尺寸均≤3μm。

以工艺1-Ⅶ为例，说明低成本超细晶粒双相钢无缝管的显微组织。图2给出了实施例1-Ⅶ工艺制备的超细晶粒双相钢无缝管经过Lepera试剂进行腐蚀后观察到的金相组织图，经过此腐蚀方法可以区分图2中基体组织（铁素体）呈灰色，而弥散分布的亮白色组织为马氏体，经测定，显微组织中马氏体体积分数为25.9%，通过透射电镜也证实了该双相钢无缝管是由铁素体和马氏体组成，如图3所示。经测定，本实施例的显微组织中马氏体体积分数在18.4～25.9%范围内，见表1。

表1实施例1的退火工艺参数和力学性能

其中：n为加工硬化指数，该指数由真应力应变关系定义，指金属薄板成形时真应力S一真应变ε关系式中的幂指数n，关系式如下：

S=Kεⁿ，式中K为强度系数。

图4为本发明实施例1-Ⅶ工艺制备的超细晶粒双相钢无缝管经过4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后观察到的金相组织图，可计算出基体组织的平均晶粒尺寸为约3μm。结合图2、3和4分析可知，多次循环加热+淬火处理，基体内的组织将发生多次相变，从而使两相区淬火后得到的铁素体和马氏体达到超细化的目的。晶粒的超细化是能够充分发挥材料强度和塑性潜能的重要手段之一，而循环感应热处理+淬火工艺获得超细晶组织是一种行之有效的方法。可以推断，将冷拔无缝钢管在连续数次的奥氏体化+淬火处理后进行临界区处理得到基体为超细晶组织的双相无缝钢管是可行的。

对制备得到的超细晶粒双相钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，测试结果见表1。其中工艺1-I、1-Ⅱ、1-Ⅲ、1-Ⅴ和1-Ⅶ的拉伸曲线如图5所示(内图为外图圆圈标识部分的放大图)，从图中可以看出，试样在拉伸过程中表现为连续屈服，试样的屈服强度(≤461MPa)较低，说明管件在塑性变形过程中产生变形所需的载荷较小，能够提高成形时的安全系数和设备的使用寿命；而抗拉强度≥815MPa，说明试样所能承受的最大载荷较高，其产生危险断面的承载能力也较强。

在本实施例中，低的屈强比（≤0.53）和高的加工硬化值（≥0.24）可以将应变更广的分布到材料的变形部位，延缓材料在塑性变形过程中应力集中的过早发生，进而增强了材料稳定变形的能力，可以进行更大程度的变形，增加了其最大变形程度，使得延伸率≥24.2%，且在变形之后的形状固定性也较好。

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C：0.16%，Si：0.5%，Mn：1.54%，V：0.05%，P：0.019%，S：0.016%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。由热膨胀曲线测得其A_c1和A_c3分别为728和865℃。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行4道次冷拔，即得到壁厚3.2mm、外径54mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行3次循环加热+淬火处理，具体退火工艺参数见表2，其中加热速率约300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－15℃)，退火时间5～15s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至660～710℃(表中简称此温度为快冷始温)，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理150～300s。对等温处理后的钢管水冷至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管，

在本实施例所制定的工艺条件下，计算得到平均晶粒尺寸均≤2.5μm。

表2实施例2的退火工艺参数和力学性能

对制备得到的超细晶粒双相钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，测试结果见表2。在本实施例所制定的工艺条件下，其抗拉强度≥813MPa，屈强比≤0.51，延伸率≥26.0%，加工硬化指数≥0.26；显微组织中马氏体体积分数在16.9～24.3%范围内。

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C：0.11%，Si：0.14%，Mn：1.81%，P：0.015%，S：0.01%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。由热膨胀曲线测得其A_c1和A_c3分别为746和854℃。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1200℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行5道次冷拔，即得到壁厚2.5mm、外径52mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行3次循环加热+淬火处理，具体退火工艺参数见表3，其中加热速率约400℃/s，退火温度(A_c3－54℃)～(A_c3－14℃)，退火时间5～15s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至660～720℃(表中简称此温度为快冷始温)，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理150～300s。对等温处理后的钢管空冷至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管，在本实施例所制定的工艺条件下，计算得到平均晶粒尺寸均≤3μm。

表3实施例3的退火工艺参数和力学性能

对制备得到的超细晶粒双相钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，测试结果见表3。在本实施例所制定的工艺条件下，其抗拉强度≥810MPa，屈强比≤0.50，延伸率≥27.2%，加工硬化指数≥0.27；显微组织中马氏体体积分数在16.0～23.0%范围内。

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C：0.06%，Si：0.25%，Mn：1.71%，P：0.003%，S：0.016%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。由热膨胀曲线测得其A_c1和A_c3分别为759和890℃。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行4道次冷拔，即得到壁厚2.0mm、外径80mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行5次循环加热+淬火处理，具体退火工艺参数见表4，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－50℃)～(A_c3－10℃)，退火时间10～20s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至680～710℃(表中简称此温度为快冷始温)，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～265℃，等温处理200～300s。对等温处理后的钢管空冷至室温，获得超细晶粒双相钢无缝管，在本实施例所制定的工艺条件下，计算得到平均晶粒尺寸均≤3μm。

表4实施例4的退火工艺参数和力学性能

对制备得到的超细晶粒双相钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，测试结果见表4。在本实施例所制定的工艺条件下，其抗拉强度≥790MPa，屈强比≤0.49，延伸率≥27.4%，加工硬化指数≥0.27；显微组织中马氏体体积分数在15.3～18.7%范围内。

实施例5

本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为C：0.10%，Si：0.1%，Mn：1.5%，P：0.02%，S：0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。由热膨胀曲线测得其A_c1和A_c3分别为740和850℃。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行3道次冷拔，即得到壁厚20mm、外径34mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行5次循环加热+淬火处理，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－10℃)，退火时间5～20s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至650～720℃，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s。对等温处理后的钢管进行水冷至室温，获得本发明的超细晶粒双相钢无缝管。

实施例6

本实施例所选用的钢材化学成分同实施例2。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行6道次冷拔，即得到壁厚5mm、外径1000mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行5次循环加热+淬火处理，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－15℃)，退火时间5～20s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至650～720℃，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s。对等温处理后的钢管水冷至室温，获得本发明的超细晶粒双相钢无缝管。

实施例7

本实施例所选用的钢材化学成分同实施例2。

将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行7道次冷拔，即得到壁厚0.8mm、外径100mm的无缝冷拔钢管。

将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈进行5次循环加热+淬火处理，其中加热速率≥300℃/s，退火温度(A_c3－55℃)～(A_c3－15℃)，退火时间5～20s。将退火后的钢管置于空气中缓冷至650～720℃，随后采用压缩空气以≥50℃/s的速率冷却到250～300℃，等温处理120～300s。对等温处理后的钢管自然冷却至室温，获得本发明的超细晶粒双相钢无缝管。

Claims

1.一种低成本超细晶粒双相钢无缝管，其特征在于，化学组成按质量百分比为C：0.06%～0.20%，Si：0.1%～0.8%，Mn：1.5%～1.9%，Nb≤0.04%，V≤0.05%，P≤0.02%，S≤0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质；

低成本超细晶粒双相钢无缝管抗拉强度≥790MPa，屈强比≤0.53，延伸率≥24.2%，加工硬化指数≥0.24；显微组织平均晶粒尺寸均≤3.0μm，其中马氏体体积分数在15.0~26.0%范围内；

其制备包括以下步骤：

(1)将冶炼后的钢材原材料锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100～1250℃并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行3~7道次冷拔，即得到无缝冷拔钢管；

2.如权利要求1所述的低成本超细晶粒双相钢无缝管，其特征在于，低成本超细晶粒双相钢无缝管抗拉强度790～870MPa，屈强比0.47~0.53，延伸率24.2%~29.1%，加工硬化指数0.24~0.30；显微组织平均晶粒尺寸均≤3.0μm，其中马氏体体积分数在15.0~26.0%范围内。

3.如权利要求1所述的低成本超细晶粒双相钢无缝管，其特征在于，选用的钢材原材料的化学组成按质量百分比为C：0.06%～0.20%，Si：0.1%～0.8%，Mn：1.5%～1.9%，Nb≤0.04%，V≤0.05%，P≤0.02%，S≤0.03%，余量为Fe和冶炼条件下产生的杂质。

4.如权利要求1所述的低成本超细晶粒双相钢无缝管的制备方法，其特征在于，得到的无缝冷拔钢管满足尺寸：壁厚≤20mm，外径≤1000mm。