CN104694835A - 无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管及其制造方法，所述无缝钢管的特征在于，该无缝钢管由低合金钢构成，利用淬火、回火而获得，该低合金钢以质量％计含有C：0.10～0.18％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.05～1.2％、Ni：0.50～1.5％、Cr：0.50～1.50％、Mo：0.50～1.50％、Nb：0.002～0.10％和Al：0.005～0.10％、以及Ti：0.003～0.050％和V：0.01～0.20％中的一种或者两种，剩余部分由Fe和杂质构成，杂质中的P为0.025％以下，S为0.005％以下，N为0.007％以下，B小于0.0003％，该无缝钢管的拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，-40℃时的夏比吸收功为60J以上。

Description

无缝钢管及其制造方法
本申请是申请日为2009年11月26日，申请号为2009801473014、发明名称为“无缝钢管及其制造方法”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种机械构造构件用、特别是起重机起重臂用的高强度高韧性无缝钢管材料。
背景技术
机械构造构件中的圆筒形的构件以往大多通过对棒钢实施锻造或延伸轧制、或者进一步实施切削加工而形成目标形状之后，实施热处理来被付与机械构造构件所需的机械性质。近年来，面向构造物的大型化和高耐力化的倾向，通过将圆筒形的构造构件替换为中空的无缝钢管来谋求轻量化。特别是，作为起重机的起重臂材料等圆筒形的构造构件的钢管鉴于起重机的大型化、在高层建筑或寒冷地带的作业等，在要求高强度化的同时还要求高韧性化。最近，作为起重臂用途，对于无缝钢管要求具有950MPa以上的拉伸强度、且在－40℃这样的低温下具有优良的韧性。关于该用途，很多情况下要求一种5～50mm左右、特别是8～45mm左右的壁厚的钢管。
关于高强度且高韧性的钢管，以往提出了各种技术。
例如，在专利文献1中提出了一种高张力无缝钢管的制造方法，该制造方法通过对含有规定为规定范围的C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Ti、Al和N以及Nb或者V中的一种以上、并含有0.0005～0.0025％的B的低合金钢进行制管后热处理而使低温韧性优良。
在专利文献2中提出了一种高强度高韧性无缝钢管，该无缝钢管是在含有规定为规定范围的C、Si、Mn、P、S、Al、Nb和N、或者有选择地还含有Cr、Mo、Ni、V、REM、Ca、Co、Cu的基础之上、含有0.0005～0.0030％的B、且在－0.005％＜(Ti－3.4N)＜0.01％的范围内含有Ti的钢，通过回火析出的析出物的大小为0.5μm以下。
在专利文献3中还提出了一种技术，该技术使用在规定的范围内含有C、Si、Mn、P、S、Al、Cr、Mo、V、Cu、N、W的低合金钢，在造管之后通过淬火回火来获得高强度无缝钢管。
在专利文献4中还提出了一种机械构造用高强度无缝钢管，该无缝钢管使用在含有规定范围的C、Mn、Ti、Nb、将Si、Al、P、S、N限制在规定的范围以下、并有选择地还含有Ni、Cr、Cu、Mo中的一种或两种以上的基础之上、含有0.0003～0.003％的B的钢，在造管之后实施加速冷却和气冷，将金属组织形成自身回火马氏体单独组织或者自身回火马氏体和下部贝氏体的混合组织，韧性和焊接性优良。
专利文献1：日本特开昭61－238917
专利文献2：日本特开平7－331381
专利文献3：美国专利申请公开第2002/0150497号说明书
专利文献4：日本特开2007－262468
但是，采用上述专利文献1～3中提出的技术，虽然能够获得具有优良的低温韧性的无缝钢管，但是均将拉伸强度达到90kgf/mm2左右的材料作为对象，在欲获得更高强度的钢管时，不可否认低温韧性降低的可能性。
另外，采用上述专利文献4，像该实施例中存在的那样，虽然能够获得具有拉伸强度大于1000MPa、且－40℃时的夏比吸收功为200J以上的高韧性的无缝钢管，但由于是在加速冷却的状态下采用的钢管，因此，存在屈服应力降低到850MPa以下的问题。
发明内容
本发明即是鉴于该现状而做成的，其目的在于提供一种特别适合起重机的起重臂等机械构造构件的、拉伸强度950MPa以上和屈服强度850MPa以上的高强度且要求高韧性的无缝钢管。
另外，如上所述，对于起重机起重臂等的用途，要求5mm～50mm左右、特别是8～45mm的壁厚的钢管，但随着厚壁化，难以确保淬火时壁厚中央部附近的冷却速度，非常难以确保强度或韧性。
本发明的目的在于特别是对于该厚壁的钢管也能确保高强度且高韧性。
本发明人等为了解决上述课题，为了对拉伸强度为950MPa以上的淬火回火钢研究钢成分对低温韧性产生的影响，针对表1所示的钢种，通过真空溶解准备了100kg钢锭。
表1
然后，在通过热锻造将这些钢锭形成块形状之后，利用热轧制制作20mm厚的板材。对这些板材实施淬火回火处理，得到了热处理板材。自这些热处理板材的板厚中央部与轧制长度方向平行地切出JIS 2201(1998年版)的10号试验片，依据JISZ2241(1998年版)实施了拉伸试验。另外，自热处理板材的板厚中央部与轧制宽度方向平行地切出依据JIS Z2242的2mmV形切口全尺寸(notch full size)试验片，以－40℃进行夏比冲击试验，评价吸收功。将在上述试验中实施的拉伸试验和夏比冲击试验的结果表示于表2。
表2
基于该结果，针对拉伸强度为950MPa以上的无缝钢管也能够提高低温韧性的方法得到了如下(a)～(h)所示的见解。
(a)根据钢No.1～4的试验结果明确B的影响。与B的含有量极微量到0.0001％的钢No.3和钢No.4相比，含有0.0015％左右的B的钢No.1和No.2的吸收功处于低水平。一般认为其原因在于，若为了获得高强度而同时含有Cr和B，则在回火时，在晶界中形成粗大的硼化物，其成为脆性破坏的起点，降低韧性。因而可知，在利用淬火回火获得拉伸强度为950MPa以上的情况下，为了提高低温韧性，需要极力减少B。
(b)接着，根据钢No.5～7的试验结果明确Cr和Mo的影响。钢No.5和No.6的Mo或Cr的含有量过低，因此，为了获得高强度实施了低温回火，但由该低温回火导致吸收功处于低水平。另一方面，由于钢No.7的Cr和Mo的含有量较多，因此，回火温度能够在高温下实施，但由于Cr和Mo的含有量过剩，因此，吸收功处于低水平。因而可知，在利用淬火回火获得拉伸强度为950MPa以上的情况下，为了提高低温韧性，需要适量地含有Cr和Mo。
(c)根据钢No.8～11的试验结果明确Cu和Ni的影响。在钢No.8中，Cu和Ni的含有量均过低到0.01％，因此，吸收功为低水平。另一方面，在钢No.9～11中，吸收功较高，Cu和Ni的含有量适当。因而可知，在利用淬火回火获得拉伸强度为950MPa以上的情况下，为了提高低温韧性，需要含有适量的Ni或者适量的Ni和Cu。
(d)根据钢No.12～15的试验结果明确V、Ti和Nb的影响。钢No.12的V、Ti和Nb的含有量较低，因此，吸收功为低水平。另一方面，在钢No.15中，V含有量过高，因此，吸收功为低水平。因而可知，在利用淬火回火获得拉伸强度为950MPa以上的情况下，为了提高低温韧性，需要含有适量的V、Ti和Nb。
(e)根据钢No.16～17的试验结果明确Mn的影响。与利用与本发明同样的淬火回火制造的管线用管用无缝钢管的通常的钢相比，Mn含有量较低，但吸收功较高，低温韧性优良。
(f)根据钢No.18的试验结果明确S的影响。钢No.18的S含有量过剩，因此，吸收功为低水平。一般认为其原因在于，作为杂质而含有的S在制造工艺中与Mn进行反应而生成MnS，该MnS对高强度的淬火回火钢的韧性产生不良影响。因而，需要降低S含有量。为了降低S含有量，只要采用S含有量较少的原料矿石、废料(scrap)或者制钢时在钢水中含有Ca、Mg来降低S即可，结果，能够抑制MnS的生成。
(g)作为其他的成分，Al有助于提高钢的韧性和加工性，因此，其适量地含有即可。另外，由于杂质中的P和N是降低韧性的元素，因此，需要抑制其含有量。
(h)由以上的结果可知，通过将后述的低合金钢用于无缝钢管，在淬火回火之后能够确保极为优良的低温韧性；前述的低合金钢在作为起重机的起重臂等机械构造构件用途的焊接性适当的碳量范围内极力地不含有P、S、N和B，含有适量的Ni、Cu、Cr、Mo、Nb和Al。
本发明即是基于这些见解而完成的，其主旨在于下述(1)和(2)的无缝钢管及(3)的无缝钢管的制造方法。
(1)一种无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由低合金钢构成，该低合金钢以质量％计含有C：0.10～0.20％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.05～1.2％、Ni：0.02～1.0％、Cr：0.50～1.50％、Mo：0.50～1.50％、Nb：0.002～0.10％和Al：0.005～0.10％、以及Ti：0.003～0.050％和V：0.01～0.20％中的一种或者两种，剩余部分由Fe和杂质构成，杂质中的P为0.025％以下，S为0.005％以下，N为0.007％以下，B小于0.0003％，该无缝钢管的拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上。
(2)根据上述(1)所述的无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由替代Fe的一部分而还含有Cu：0.02～1.0％的合金钢构成，拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上。
(3)根据上述(1)或(2)所述的无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由替代Fe的一部分而还含有Ca：0.0005～0.0050％和Mg：0.0005～0.0050％中的一种或者两种的低合金钢构成，拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的无缝钢管，其特征在于，壁厚为8mm以上，拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上。
(5)根据上述(4)所述的无缝钢管，其特征在于，壁厚为20mm以上，拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上。
(6)一种无缝钢管的制造方法，该无缝钢管的拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上，其特征在于，在将具有上述(1)～(3)中任一项所述的合金成分的低合金钢在高温下制成钢管形状之后，从室温加热到Ac3相变点以上而进行淬火，然后回火到Ac1相变点以下。
采用本发明，能够提供一种拉伸强度950MPa以上和屈服强度850MPa以上的高强度且要求高韧性的无缝钢管。该无缝钢管能够用于机械构造构件、特别是起重机等。
附图说明
图1表示焊接试验中的坡口形状。
具体实施方式
下面，对限定了本发明的无缝钢管的化学成分的理由进行说明。另外，以下表示的“％”是指“质量％”。
C：0.10～0.20％
C是具有提高钢的强度的效果的元素。在C的含有量小于0.1％的情况下，为了获得目标强度需要进行低温回火，但结果会导致韧性降低。另一方面，在C的含有量大于0.20％时，焊接性显著降低。因而，C含有量为0.10～0.20％。C含有量的优选下限值为0.12％，更优选为0.13％。另外，C含有量的优选上限值为0.18％。
Si：0.05～1.0％
Si是具有脱氧作用的元素。另外，该元素是提高钢的淬火性来提升强度的元素。为了获得该效果，需要含有0.05％以上的Si。但是，在其含有量大于1.0％时，韧性和焊接性降低。因而，Si的含有量为0.05～1.0％。Si含有量的优选下限值为0.1％，更优选为0.15％。另外，优选上限值为0.60％，更优选为0.50％。
Mn：0.05～1.2％
Mn是具有脱氧作用的元素。另外，该元素是提高钢的淬火性来提升强度的元素。为了获得该效果，需要含有0.05％以上的Mn。但是，在其含有量大于1.2％时，韧性降低。因而，Mn的含有量为0.05～1.2％。
Ni：0.02～1.5％
Ni具有提高淬火性来提升强度、并提升韧性的作用。为了获得该效果，需要含有0.02％以上，但超过1.5％地含有的情况从经济性的方面考虑并不利。因而，Ni的含有量为0.02～1.5％。另外，Ni含有量的优选下限值为0.05％，更优选下限值为0.1％。另外，Ni含有量的优选上限值为1.3％，更优选为1.15％。另外，特别是在壁厚大于25mm的厚壁钢管的情况下，通过含有0.50％以上的Ni，容易确保目标的高强度和韧性。
Cr：0.50～1.50％
Cr是有助于提高钢的淬火性和回火软化阻力来提升强度的元素。对于拉伸强度950MPa以上的高强度钢管，为了发挥其效果，需要含有0.50％以上。但是，在其含有量大于1.50％时，会导致韧性降低。因而，Cr的含有量为0.50～1.50％。Cr含有量的优选下限值为0.60％，更优选为0.80％。另外，Cr含有量的优选上限值为1.40％。
Mo：0.50～1.50％
Mo是有助于提高钢的淬火性和回火软化阻力来提升强度的元素。对于拉伸强度为950MPa以上的高强度钢管，为了发挥其效果，需要含有0.50％以上。但是，在其含有量大于1.50％时，会导致韧性降低。因而，Mo的含有量为0.50～1.50％。Mo含有量的优选下限值为0.70％。另外，Mo含有量的优选上限值为1.0％。
如上所述，在本发明中，采用通过Cr和Mo提高钢的淬火性和回火软化阻力来提升强度的方法。它们的含有量优选为Cr+Mo的合计量大于1.50％。更优选为1.55％以上。
Nb：0.002～0.10％
Nb是具有在高温区域中形成碳氮化物并抑制晶粒的粗大化来提高韧性的效果的元素。为了获得该效果，优选含有0.002％以上的Nb。但是，在其含有量大于0.10％时，碳氮化物过于粗大，反而会降低韧性。因而，使Nb含有量为0.002～0.10％。另外，Nb含有量的优选上限值为0.05％。
Al：0.005～0.10％
Al是具有脱氧作用的元素。该元素具有提高钢的韧性和加工性的效果。Al含有量也可以是杂质水平，但为了可靠地获得该效果，优选为0.005％以上。但是，在其含有量大于0.10％时，明显地产生表面缺陷。因而，使Al的含有量为0.10％以下。因而，使Al含有量为0.05～0.10％。Al含有量的优选上限值为0.05％。另外，本发明所说的Al含有量是指氧溶解Al(所谓的sol.Al)的含有量。
Ti和V需要含有其中任一种或者两种。
Ti：0.003～0.050％
Ti在回火时作为Ti碳化物析出，具有提高强度的效果。为了获得该效果，需要含有0.003％以上。但是，在其含有量大于0.050％时，在凝固过程中等高温区域中形成粗大的碳氮化物，而且，回火时的Ti碳化物的析出量过剩，因此，韧性降低。因而，使Ti含有量为0.003～0.050％。
V：0.01～0.20％
V在回火时作为V碳化物析出，具有提高强度的效果。为了获得该效果，需要含有0.01％以上。但是，在其含有量大于0.20％时，回火时的V碳化物的析出量过剩，因此，韧性降低。因而，使V含有量为0.01％～0.20％。另外，V含有量的优选上限为0.15％。
本发明的无缝钢管除了上述成分之外，剩余部分由Fe和杂质构成。在此，杂质是从原料矿石、废料等混入的成分，其是指只要不对本发明产生不良影响就容许的成分。但是，特别是杂质中的P、S、N和B需要如下所示那样抑制其含有量。
P：0.025％以下
P是作为杂质存在于钢中的元素，但在其含有量大于0.025％时，韧性明显降低，因此，使其作为杂质的上限为0.025％。
S：0.005％以下
S是与P同样地作为杂质存在于钢中的元素，但在其含有量大于0.005％时，韧性明显降低，因此，使其作为杂质的上限为0.005％。另外，S含有量的优选上限为0.003％。
N：0.007％以下
N是作为杂质存在于钢中的元素，但在其含有量大于0.007％时，韧性明显降低，因此，使其作为杂质的上限为0.007％。
B：小于0.0003％
B通常是具有通过含有来提高淬火性并提升强度的效果的元素。但是，若在含有恒定量的Cr和Mo的钢中含有B0.0003％以上，则在回火时形成粗大的硼化物，降低韧性。因而，在本发明中，使B作为杂质的上限小于0.0003％。
本发明的无缝钢管除了上述成分之外，根据需要也可以还含有Cu。另外，根据需要也可以还含有Ca和Mg中的一种或两种。
Cu：0.02～1.0％
Cu在回火时析出，具有提高强度的作用。该效果在Cu的含有量为0.02％以上的情况下较为显著。另一方面，在超过1.0％地含有时，在钢管表面经常产生缺陷。因而，使含有Cu的情况下的含有量为0.02～1.0％。另外，Cu含有量的优选下限值为0.05％，更优选下限值为0.10％。另外，Cu含有量的优选上限值为0.50％，更优选上限值为0.35％。
Ca：0.0005～0.0050％
Ca具有通过与钢中的S进行反应而形成硫化物来改良夹杂物的形态并提高钢的韧性的效果。该效果在Ca的含有量为0.0005％以上的情况下较为显著。另一方面，在其含有量大于0.0050％时，钢中的夹杂物量增大，钢的纯度降低，因此，韧性反而降低。因而，在含有Ca的情况下，优选使其含有量为0.0005～0.0050％。
Mg：0.0005～0.0050％
Mg也具有通过与钢中的S进行反应而形成硫化物来改良夹杂物的形态并提高钢的韧性的效果。该效果在Mg的含有量为0.0005％以上的情况下较为显著。另一方面，在其含有量大于0.0050％时，钢中的夹杂物量增大，钢的纯度降低，因此，韧性反而降低。因而，在含有Mg的情况下，优选使其含有量为0.0005～0.0050％。
下面，对本发明的钢管的制造方法进行说明。
造管方法并没有特别的限定。例如既可以利用高温下的穿孔、轧制和延伸工序制造，也可以利用热挤压机来制造。
利用淬火回火来进行用于付与强度和韧性的热处理。淬火通过加热到所采用的钢成分的Ac3相变点以上，之后骤冷来进行。该淬火用的加热是通常的炉加热即可，若是采用感应加热进行的急速加热则更佳。另外，骤冷方法是水冷、油冷等。回火通过以小于所采用的钢成分的Ac1相变点的温度加热均热之后气冷来进行。回火加热均热温度过低时，有可能引起脆化，因此优选为550℃以上。
实施例1
对于表3所示的钢种，通过真空溶解来准备100kg钢锭。
表3
然后，在利用热锻造将这些钢锭形成块形状之后，以1250℃加热30分钟，在1200～1000℃的温度范围内热轧制，制作20mm、30mm、45mm厚的板材。将这些板材在920℃、10分钟的条件下均热之后利用水冷淬火，进而实施回火处理，得到热处理板材。回火通过以600℃或650℃这两个条件均热30分钟来实施。
自这些热处理板材的板厚中央部与轧制长度方向平行地切出JIS 2201(1998年版)的10号试验片，依据JIS Z2241(1998年版)实施了拉伸试验。另外，自热处理板材的板厚中央部与轧制宽度方向平行地切出依据JIS Z2242的2mmV形切口全尺寸试验片，以－40℃进行夏比冲击试验，评价了吸收功。将在上述试验中实施的拉伸试验和夏比冲击试验的结果表示于表4。
表4
钢No.19由本发明的钢的化学成分构成，但Ni的含有量较少，Ni：0.03％。在壁厚20mm和30mm的情况下，能够确保能够满足的强度水平和韧性，但在壁厚45mm的情况下，吸收功低到31J，无法确保满足的韧性。钢No.20～22由本发明的钢的化学成分构成，均含有0.50％以上的Ni，但在45mm的壁厚的情况下，也能够确保目标的高强度和韧性。
这样，特别是在厚壁的情况下，提高Ni浓度是有效的这一情况是显而易见的。同时，即使不含有Cu，也能够达到目的这一情况也是显而易见的。
实施例2
将表5所示的化学成分的钢熔炼，利用转炉－连续铸造工艺铸造矩形钢坯和外径310mm的圆柱钢坯。矩形钢坯进一步通过热锻造而成形为外径170mm的圆柱钢坯和外径225mm的圆柱钢坯。
表5
将这些圆柱钢坯加热到1240℃，通过曼内斯曼－芯棒方式制作表6所示的尺寸的无缝钢管。之后在表6所示的温度条件下实施淬火回火热处理，制造了制品钢管。对于得到的各制品钢管，使用JIS Z2201的12号试验片实施依据JIS Z2241的拉伸试验，评价长度方向的两端位置(在轧制方向上将前端侧设为T端，末端侧设为B端)的强度特性，切出依据JIS Z2242的2mmV形切口全尺寸试验片，以－40℃对3根制品钢管实施夏比冲击试验的过程中，将韧性作为最低的吸收功进行评价。表6表示各制品钢管的强度和韧性的评价结果。对于任一种尺寸的钢管，都能够获得屈服强度850MPa以上、拉伸强度950MPa以上及－40℃条件下的夏比吸收功为60J以上这样的良好的结果。
表6
在利用上述方法制造的钢管中，使用外径219.1mm、壁厚15.0mm的钢管(650℃的回火)在圆周方向上进行焊接，实施了焊接试验。表7表示焊接条件，图1表示坡口形状。
表7
由得到的焊接接头制作JIS Z 3121规定的3A号试验片(宽度：20mm，平行部：30mm+焊接金属部的表面的最大宽度+30mm)，进行了拉伸试验。基于接头拉伸试验的结果，拉伸强度在热量输入12KJ/cm下为972MPa以上，在热量输入15KJ/cm下为1002MPa以上，是能够满足的水平。
如上所述，本发明的钢管是焊接施工后的特性也能够满足的水准。
工业实用性
本发明的无缝钢管具有拉伸强度950MPa以上和屈服强度850MPa以上的高强度，而且低温下的高韧性优良，因此，能够用于机械构造构件。特别优选为起重机的起重臂材料等。

Claims (5)

1.一种壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管，其特征在于，
该无缝钢管由低合金钢构成，利用淬火、回火而获得，该低合金钢以质量％计含有C：0.10～0.18％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.05～1.2％、Ni：0.50～1.5％、Cr：0.50～1.50％、Mo：0.50～1.50％、Nb：0.002～0.10％和Al：0.005～0.10％、以及Ti：0.003～0.050％和V：0.01～0.20％中的一种或者两种，剩余部分由Fe和杂质构成，杂质中的P为0.025％以下，S为0.005％以下，N为0.007％以下，B小于0.0003％，该无缝钢管的拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，-40℃时的夏比吸收功为60J以上。
2.根据权利要求1所述的壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由替代Fe的一部分而还含有Cu：0.02～1.0％的低合金钢构成。
3.根据权利要求1所述的壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由替代Fe的一部分而还含有Ca：0.0005～0.0050％以及Mg：0.0005～0.0050％中的一种或者两种的低合金钢构成。
4.根据权利要求1所述的壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管，其特征在于，该无缝钢管由替代Fe的一部分而还含有Cu：0.02～1.0％、Ca：0.0005～0.0050％以及Mg：0.0005～0.0050％中的一种或者两种的低合金钢构成。
5.一种壁厚超过25mm的机械构造构件用无缝钢管的制造方法，该无缝钢管的拉伸强度为950MPa以上且屈服强度为850MPa以上，－40℃时的夏比吸收功为60J以上，其特征在于，
在将具有权利要求1～4的任一项所述的合金组成的低合金钢热加工成钢管形状之后，从室温加热到Ac3相变点以上而进行淬火，然后以Ac1相变点以下的温度进行回火。
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