CN104862612A - 一种460MPa级耐低温正火钢、钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种460MPa级耐低温正火钢，其化学元素质量百分比含量为：C：0.15-0.20％；Si：0.1-0.5％；Mn：1.2-1.7％；Al：0.01-0.05％；Nb：0.01-0.06％；V：0.10-0.17％；Mo：0.02-0.15％；Cr：0.05-0.20％；Ni：0.1-0.2％；Cu：0.1-0.2％；Ca：0.001-0.01％；N：0.005-0.015％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了采用该460MPa级耐低温正火钢制造的钢管及其制造方法。本发明所述的460MPa级耐低温正火钢和钢管可以达到460MPa级以上的强度，同时具有优良的低温韧性和延展性。

Description

一种460MPa级耐低温正火钢、钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材料及其制造方法，尤其涉及一种正火钢及其制造方法。

背景技术

在当今的工程机械和钢结构建筑领域，由于人们对强度和安全提出了更高的要求，因此耐低温的细晶粒结构钢材占据了重要地位。

热轧细晶粒钢板一般采用控轧控冷的方法制得，一般而言，在奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区控制轧制，然后结合形变诱导铁素体相变技术，再在奥氏体相变温度附近追加一道次的变形，以抑制两道次变形后铁素体向奥氏体的逆相变，增加铁素体的形核点，促进铁素体体积分数增加。最后，以1-10℃/s的冷却速度冷却到600-650℃从而实现控制冷却的目的。采用这种技术，可以实现屈服强度460MPa级热轧板材的生产。例如，公开号为CN1537968，公开日为2004年10月20日，名称为“一种屈服强度460MPa级低合金高强度结构钢板材的制造方法”的专利文献中公开了一种钢，其主要化学成分的重量百分配比为：C 0.13-0.20，Si 0.2-0.5，Mn 1.30-1.70，Nb 0.01-0.02，Ti 0.005-0.01，Als 0.005-0.015，其余为Fe。

采用控轧控冷后进行正火热处理的方法，也能达到460MPa强度的要求。例如，公开号为CN102719737，公开日为2012年10月10日，名称为“一种屈服强度460MPa级正火高强韧钢板及其制造方法”的中国专利文献公开了一种正火钢，其化学成分按质量百分数为：C：0.14-0.20％，Si：0.20-0.60％，Mn：1.20-1.70％，V：0.12-0.20％，Ni：0.15-0.40％，N：0.005-0.020％，Alt：0.005-0.040％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余量为铁Fe和不可避免的杂质。采用该发明制造的高强韧钢板，-50℃低温冲击吸收功可达80J。

然而，对于热轧细晶粒无缝钢管来说，由于其无法采用控轧控冷制造方法，因此其在轧态获得合格力学性能的难度极大。也由此，标准规定可以根据用户要求选择性的采用正火态钢或调质态钢供货。

其中，对于调质态的钢来说，采用调质热处理的方式可以很容易的实现460MPa级的力学性能，但调质热处理的钢管在焊接后其热影响区的性能会显著下降，根本达不到460MPa的强度要求。

对于正火态的钢来说，虽然其在轧态可以达到460MPa的强度，但由于组织中存在贝氏体或马氏体等不平衡组织，其在轧态却无法达到良好的耐低温性能。而正火热处理又会降低材料的强度(因为正火处理后钢种组织为铁素体+珠光体组织，其中铁素体为软相，受力时首先发生屈服)，因此很难达到460MPa级的高强度。进一步讲，现有的产品即使达到了460MPa的高强度，但由于管坯铸造时宏观偏析的影响，钢种中的铁素体和珠光体呈带状分布，这导致产品也很难获得良好的低温韧性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种460MPa级耐低温正火钢、该钢种可以达到460MPa级以上的强度，同时具有优良的低温韧性和延展性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种460MPa级耐低温正火钢，其化学元素质量百分比含量为：

C：0.15-0.20％；

Si：0.1-0.5％；

Mn：1.2-1.7％；

Al：0.01-0.05％；

Nb：0.01-0.06％；

V：0.10-0.17％；

Mo：0.02-0.15％；

Cr：0.05-0.20％；

Ni：0.1-0.2％；

Cu：0.1-0.2％；

Ca：0.001-0.01％；

N：0.005-0.015％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的460MPa级耐低温正火钢中的各化学元素的设计原理为：

C是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。对于本技术方案来说，当C含量低于0.15％时，正火后的钢就不能达到460MPa以上的强度，但是当C含量高于0.20％时，钢的低温冲击性能会受到不利影响。因此，在本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.15-0.20％。

Si在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，因此能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度。然而对于本技术方案来说，一旦硅含量超过0.5％则会大大降低钢的韧性，尤其是钢的低温冲击韧性。因此，本技术方案将Si含量控制为0.1-0.5％。

Mn主要通过固溶强化来提高钢中铁素体的强度，对于本技术方案来说，Mn含量过高时，钢中的组织偏析严重，容易获得铁素体+珠光体的带状组织，这不仅影响焊接性能，还降低材料的低温韧性。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为1.2-1.7％。

Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.01％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.05％时，炼钢难度显著增加。基于此，本发明而将Al含量控制在0.01-0.05％之间。

Nb强碳氮化物形成元素，起到析出强化的效果，热轧时可以推迟奥氏体再结晶而起到细化晶粒的作用。在再加热过程中，Nb可以阻碍奥氏体晶粒长大。当Nb含量≥0.01％时，这一添加效果比较明显，不过当Nb含量超过0.06％时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明的技术方案中应该将Nb含量设定为0.01-0.06％。

V强碳化物的形成元素，与Nb作用类似，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.1％，弥散强化作用并不明显，但是如果V的含量大于0.17％时，钢的韧性会下降。为此，本发明控制钢中的V的含量为0.1-0.17％。

Mo在钢中有固溶强化和析出强化以及提高钢的淬透性的作用，在冷却时有推迟珠光体转变的作用。然而，Mo含量较高时会促进贝氏体的形成，从而导致冲击性能的明显下降，因此本发明将其含量控制为0.02-0.15％。

Cr是中强碳化物的形成元素，起到析出强化的效果。在冷却时Cr有推迟珠光体转变的作用，还可溶于铁素体中起到固溶强化作用，从而提高铁素体的强度和硬度。本发明将Cr控制为0.05-0.2％。

Ni是扩大奥氏体区元素，可提高钢的强度而不显著降低其韧性，提高钢的低温韧性。本发明的技术方案将Ni含量控制在0.1-0.2％的范围之内，才能与其他元素配合达到理想的强化作用并同时提高钢的韧性。

Cu可以增强钢的强韧性，起到析出强化的效果，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果。如果Cu含量超过0.2％，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为0.1-0.2％。

Ca可以净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物的分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的。由于S元素是本技术方案中不可避免的杂质，因此本发明添加0.001-0.01％的Ca。

N是扩大奥氏体区元素，钢中加入N还可以提升微合金化元素V、Nb的析出强化效果，从而有效提升钢的强度。但N含量超过一定程度时，由于氮化物的聚集长大，会出现钢韧性急剧降低的情况，因此在本技术方案中需要将N含量设定为0.005-0.015％。

在本技术方案中，不可避免的杂质主要包括S、P和O。它们易形成夹杂物，对材料的强度和低温韧性不利，因此必须严格限制，本发明控制P≤0.015％，O≤0.004％，S≤0.005％。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢的碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.53。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢的微观组织为铁素体+团状珠光体。

更进一步地，所述铁素体上具有弥散分布的析出相。

更进一步地，所述析出相包括(Cr,Fe)₂₃C₆、Mo₂C、Nb的碳氮化物、V的碳氮化物以及ε-Cu的至少其中之一，这些析出相大小不等，互为补充，起到在强化铁素体基体的同时而又不损失其韧性的效果。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢的屈服强度≥460MPa，-50℃低温冲击吸收功≥100J，延伸率＞21％。

本发明的另一目的在于提供一种460MPa级耐低温正火钢管，其为无缝钢管，其采用上述460MPa级耐低温正火钢制得，该460MPa级耐低温正火钢管可以达到460MPa级以上的强度，同时具有优良的低温韧性和延展性。

本发明的又一目的在于提供一种460MPa级耐低温正火钢管的制造方法，其包括步骤：

(1)制造管坯；

(2)将管坯加热后均热；

(3)热穿孔；

(4)对毛管进行再加热，通过张力减径机对管坯进行减径，然后自然冷却，获得的中间组织为铁素体+云簇状珠光体+少量贝氏体；

(5)正火。

本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管通过复合添加Cr、Mo、Cu、Ni、Nb、V、N等元素，通过对化学成分的优化设计，通过合金元素的综合作用，结合合理的制造工艺可以获得完全不同于带状组织的中间组织，最终使得本发明所述的耐低温正火钢管的强度高、低温韧性好，并且成本低廉。

采用本技术方案所述的方法制得的钢管成品的微观组织为含有弥散析出相分布的铁素体+团状珠光体。其中，弥散分布的析出相可以有效地强化铁素体基体，避免因存在铁素体软相而导致的强度不足的问题；而团状珠光体一方面能起到显著强化的效果，另一方面可以有效地阻碍裂纹的扩展，提高材料的冲击韧性。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法中，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1200℃-1260℃，均热30-90min。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法中，在所述步骤(4)中，再加热温度为950-1000℃。

进一步地，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法中，在所述步骤(5)中，正火温度为860-940℃，保温时间为20-60min。

对于本技术方案来说，正火温度过高或者保温时间过长均会导致钢管晶粒粗大，使得钢管的低温韧性下降。然而，加热温度过低又不能消除轧态的不平衡组织，同样会导致材料的低温韧性不能达到使用要求。因此，本技术方案优选地将正火温度设定为860-940℃，并且控制保温时间为20-60min。

此外，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢和钢管通过添加微量的Cr、Mo、Cu、Ni、Nb、V、N等合金元素来达到复合强化的效果，合金元素含量总量低，生产成本低。另外，本发明所述的460MPa级耐低温正火钢和钢管的屈服强度≥460MPa，-50℃低温冲击吸收功≥100J，延伸率＞21％。

本发明所述的耐低温正火钢管的制造方法，不需用调质的热处理方式，而是通过简单经济的正火热处理方式达到了高强度兼顾良好的低温韧性的技术效果。

附图说明

图1显示了本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管在实施例1的中间组织。

图2为显示了本发明所述的460MPa级耐低温正火钢管在实施例1的成品组织。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的460MPa级耐低温正火钢、钢管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例A1-A7和对比例B1-B3

按照下列步骤制造本发明实施例A1-A7中的460MPa级耐低温正火钢管以及对比例B1-B3中的钢管(各实施例和对比例中的元素配比如表1所示，各实施例和对比例中的具体工艺参数如表2所示)：

(1)冶炼并制成管坯，控制钢中的化学元素质量百分配比如表1所示；

(2)采用环形加热炉将管坯加热至1200℃-1260℃，均热30-90min；

(3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔；

(4)对毛管进行再加热，再加热温度950-1000℃，通过张力减径机对毛管进行减径、减壁厚后自然冷却，获得铁素体+云簇状珠光体+少量贝氏体的中间组织；

(5)正火：正火温度860-940℃，保温时间为20-60min，最终成品组织为含有弥散析出相分布的铁素体+团状珠光体。

图1显示了实施例1中的460MPa级耐低温正火钢管在步骤(4)的中间组织。

图2显示了实施例1中的460MPa级耐低温正火钢管的成品组织。

表1列出了本案实施例A1-A7以及对比例B1-B3中的各钢管的化学元素质量百分配比。

表1.(wt.％，余量为Fe以及除了S、P、O以外的其他不可避免的杂质)

表2列出了实施例A1-A7和对比例B1-B3中的各步骤的具体工艺参数。

表2.

表3列出了本案实施例A1-A7和对比例B1-B3中各钢管的力学性能

表3.

结合表1、表2和表3可以看出，由于实施例A1-A7中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产，因此实施例A1-A7中的耐低温正火钢管的屈服强度均大于460MPa，延伸率均大于21％，且在-50℃的冲击吸收功最低为105J。与之形成对比的是，对比例B2的强度无法达到460MPa，对比例B1和B3在-50℃的冲击吸收功远小于100J，对比例B3的延伸率只有19％。

由此可知，本发明的技术方案通过合理的成分设计+合理制造工艺，获得了强度高、低温冲击性能和延伸率好的无缝钢管。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，其化学元素质量百分比含量为：

C：0.15-0.20％；

Si：0.1-0.5％；

Mn：1.2-1.7％；

Al：0.01-0.05％；

Nb：0.01-0.06％；

V：0.10-0.17％；

Mo：0.02-0.15％；

Cr：0.05-0.20％；

Ni：0.1-0.2％；

Cu：0.1-0.2％；

Ca：0.001-0.01％；

N：0.005-0.015％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，其碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.53。

3.如权利要求2所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，其微观组织为铁素体+团状珠光体。

4.如权利要求3所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，所述铁素体上具有弥散分布的析出相。

5.如权利要求4所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，所述析出相包括(Cr,Fe)₂₃C₆、Mo₂C、Nb的碳氮化物、V的碳氮化物以及ε-Cu的至少其中之一。

6.如权利要求1所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，所述不可避免的杂质中P≤0.015％，O≤0.004％，S≤0.005％

7.如权利要求1所述的460MPa级耐低温正火钢，其特征在于，其屈服强度≥460MPa，-50℃低温冲击吸收功≥100J，延伸率＞21％。

8.一种460MPa级耐低温正火钢管，其为无缝钢管，其特征在于，其采用如权利要求1-7中任意一项所述的460MPa级耐低温正火钢制得。

9.如权利要求8所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法，其包括步骤：

(1)制造管坯；

(2)将管坯加热后均热；

(3)热穿孔；

(4)对毛管进行再加热，通过张力减径机对管坯进行减径，然后自然冷却，获得的中间组织为铁素体+云簇状珠光体+少量贝氏体；

(5)正火。

10.如权利要求9所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1200℃-1260℃，均热30-90min。

11.如权利要求9所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，再加热温度为950-1000℃。

12.如权利要求9所述的460MPa级耐低温正火钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，正火温度为860-940℃，保温时间为20-60min。