CN108103288B

CN108103288B - 无缝钢管用芯棒的制备方法及无缝钢管用芯棒

Info

Publication number: CN108103288B
Application number: CN201711350810.XA
Authority: CN
Inventors: 米永旺; 尤晓东; 牛旭斐; 冯英育; 吴国斌; 王志强; 孙楠; 詹志宏; 王瑞雪
Original assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Current assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: CN108103288A

Abstract

本发明涉及一种无缝钢管用芯棒的制备方法及无缝钢管用芯棒。该制备方法主要包括钢锭铸造，首次均质化处理，径锻坯制造，二次均质化处理，芯棒毛坯的制备，晶粒细化处理等步骤。采用本发明的无缝钢管用芯棒的制备方法，将两次高温扩散均质化与径锻坯制造与芯棒毛坯的锻造有机结合，创造有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，在相同或较短的均质化时间内获得碳与合金元素在钢材基体内分布极为均匀的芯棒材料基体组织，使得制得的芯棒具有高韧性、高红硬性、长寿命的特点，其性能较好。

Description

无缝钢管用芯棒的制备方法及无缝钢管用芯棒

技术领域

本发明涉及热作模具钢制造技术领域，特别涉及一种无缝钢管用芯棒的制备方法。同时，本发明还涉及一种由该无缝钢管用芯棒的制备方法制得的无缝钢管用芯棒。

背景技术

目前，大直径(≥100毫米)无缝钢管广泛使用的热作模具钢，由于制作工艺的缺陷使得其韧性与红硬性不能够满足日益变化的客户需求。尤其是大直径芯棒(φ＞350毫米)、长度长(＞10米)，重量重(＞10吨)，严重影响大截面无缝钢管的壁厚均匀程度，而且芯棒更换费时费力。提高芯棒质量，提高韧性、红硬性和抗疲劳强度，可以提高芯棒使用寿命，降低无缝钢管的制作成本。

由于轧制无缝钢管使用的芯棒属于热作模具钢，其韧性、红硬性以及抗疲劳龟裂不足的原因是合金钢在结晶过程中所必然产生的液析碳化物，枝晶选择性结晶所产生的偏析，碳元素、其他合金元素以聚集态的形式富集在钢材内部的某些局部区域。钢锭经加热锻造后，金相观察可见液析碳化物以及黑白相间的带状组织，这种现象在大截面钢锭的中心尤其严重。研究表明：超过3μm的液析碳化物每平方毫米从1个增加至2个，钢材的延展性就要降低近一倍(韧性随之降低)。因此，北美压铸协会等组织颁布高级压铸模具材料验收标准，确定了带状组织、非金属夹杂、冲击韧性等可以接受的等级。目前，未见能够较好的消除液析碳化物以及带状组织、以制备高性能芯棒的现有技术。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种无缝钢管用芯棒的制备方法，以较好的消除碳化物及带状组织，提高制得的长度＞10米、直径＞90毫米的芯棒的性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无缝钢管用芯棒的制备方法，其包括如下步骤：

步骤a，钢锭铸造，将构成芯棒的原料成分，经铸造形成钢锭；

步骤b，首次均质化处理，将所述钢锭进行均质化处理，以将所述钢锭中的大颗粒链状碳化物分解、扩散；

步骤c，径锻坯制造，将步骤b处理后的钢锭开坯变形，以加工形成适合径锻的圆形的径锻坯；

步骤d，二次均质化处理，将步骤c获得的径锻坯进行二次均质化处理，以使碳与合金元素均匀分布；

步骤e，芯棒毛坯的制备，将步骤d处理后的径锻坯锻造，以加工成芯棒毛坯；

步骤f，晶粒细化处理，将步骤e制得的芯棒毛坯晶粒细化处理，以制得芯棒。

进一步的，在步骤f之后还设有如下步骤：

步骤g，将芯棒重新加热进行退火。

进一步的，经球化退火后的所述芯棒的硬度≤200HB。

进一步的，步骤a中构成芯棒的原料成分以wt％计，包括：

C，0.33～0.39；Cr，4.7～5.20；Si，0.15～0.35；Mo，1.70～2.50；V，0.40～0.70，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质。

进一步的，步骤a中构成芯棒的原料成分以wt％计，包括：

C，0.34～0.40；Cr，4.90～5.40；Si，0.80～1.10；Mo，1.10～1.50；V，0.60～1.00，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质。

进一步的，所述步骤b中的首次均质化处理，将所述钢锭加热至1300℃，并在所述钢锭中心到达1300℃后保温15小时～17小时。

进一步的，步骤d中的二次均质化处理，将步骤c获得的径锻坯加热至1300℃，并在所述钢锭中心到达1300℃后保温6小时～8小时。

进一步的，所述步骤e的芯棒毛坯的制备中，是将步骤d处理后的径锻坯降温至开锻温度1240℃后进行锻造，以加工成直径满足要求的芯棒毛坯，所述芯棒毛坯的终锻温度为不低于950℃。

进一步的，所述步骤f的晶粒细化处理，将步骤e获得的芯棒毛坯淬冷至表面温度为低于250℃，以制得芯棒。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

采用本发明的无缝钢管用芯棒的制备方法，将两次高温扩散均质化与径锻坯制造与芯棒毛坯的锻造有机结合，创造有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，在相同或较短的均质化时间内获得碳与合金元素在钢材基体内分布极为均匀的芯棒材料基体组织，使得制得的芯棒具有高韧性、高红硬性、长寿命的特点，其性能较好。

本发明同时提供了一种无缝钢管用芯棒，所述无缝钢管用芯棒是由如上所述的无缝钢管用芯棒的制备方法制得。

本发明的无缝钢管用芯棒与如上的无缝钢管用芯棒的制备方法，具有相同的效果，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例二铸造装备原理示意图；

图2为本发明实施例二的空心钢锭经径锻坯制造的加工原理示意图。

附图标记说明：

1-钢锭铸模外壁，2-中心孔形成部，3-空腔，4-支撑部，5-底铸口，6-进料通道，7-空心钢锭，8-等径芯杆，9-上锻锤，10-下锻锤。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明涉及一种无缝钢管用芯棒的制备方法，用于制造长度＞10米、直径＞90毫米的芯棒，其整体设计思路上，主要包括如下步骤：

此外，为了进一步提高芯棒的使用性能，在步骤f之后还设有如下步骤：

步骤g，将芯棒重新加热进行球化退火。经晶粒细化处理后的成品芯棒，重新加热进行球化退火，可以使材料硬度≤200HB，方便之后的机加工、同时为芯棒的最终热处理做好基体组织准备。

一般而言，置换式固溶合金元素在钢中的扩散速度很慢，钢锭凝固过程中产生的液析碳化物和由于选择性枝晶偏析所产生的合金元素在钢中的偏析，需要很高的温度碳化物才能够分解(如：M₂₃C₆，M₇C₃，M₂C，M₆C)；需要长时间的保温通过置换式扩散才能使得合金元素(包括碳)在钢的基体内分布均匀。

如上整体设计思路中，将均质化分为首次均质化和二次均质化，并在两个均质化步骤之间穿插径锻坯制备及芯棒毛坯锻造，首次均质化，也即开坯均质化，是实现两个目标：一是分解钢水凝固过程中形成的液析碳化物；二是利用液析碳化物以及枝晶偏析所形成的碳与合金元素与基体巨大浓度梯度，在一定时间内使得碳与合金元素尽可能扩散到较大的区域。此后，进行径锻坯制备，将首次均质化温度降温至开锻温度进行第一次锻造，在外力的作用下，通过固相迁移流变将尚未扩散完全合金元素分布到更大的区域内，一方面增大扩散面积缩短扩散距离，另一方面建立新的较大浓度梯度的浓度场。在随后进行的第二次完全高温均质化过程中，碳与合金元素可在有利的扩散条件下实现完全均质化，其有效的提高了制得的芯棒的性能。

作为构成芯棒的原料成分，可以采用现有的原料成分，而为了更进一步提高制得的芯棒的性能，步骤a中构成芯棒的原料成分以wt％计，包括：

具体的，可以采用的原料成分以wt％计，包括：

C，0.36；Cr，5.0；Si，0.3；Mo，1.9；V，0.5，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质。

也可以采用的原料成分以wt％计，包括：

C，0.36；Cr，5.0；Si，0.3；Mo，2.3；V，0.6，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；Otot≤0.0015；余量为Fe和杂质。

此外，步骤a中构成芯棒的原料成分还可以采用以wt％计的如下原料成分：

具体的，可以采用的原料成分以wt％计，包括：

C，0.38；Cr，5.2；Si，1.0；Mo，1.4；V，0.8，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质。

基于如上整体设计思想，在芯棒的实际制造过程中，对于直径小于200毫米的芯棒，制造成实心的芯棒；对于直径大于200毫米的芯棒，采用空心制造的方法。下面结合具体的实施例，详细说明如下：

实施例一

本实施例涉及一种无缝钢管用芯棒的制备方法，用于制造长度＞10米、直径＞90毫米且小于200mm的实心芯棒，其主要包括如下步骤：

步骤a，钢锭铸造，将构成芯棒的原料成分，采用电弧炉(中频炉)→钢包精练→实心氩气保护铸造的铸锭方式，制成3-5吨的钢锭。

步骤b，首次均质化处理，将所述钢锭进行均质化处理，以将所述钢锭中的大颗粒链状碳化物分解、扩散；具体来讲，首次均质化处理，将所述钢锭加热至1300℃，并在所述钢锭中心到达1300℃后保温15小时～17小时，如保温16小时。

由于钢中碳化物的分解温度很高，本发明涉及的Cr-Mo-V钢中碳化物以M₂₃C₆，M₇C₃，M₆C，M₂C，及微量MC形式存在。其中个别主要碳化物的分解温度高达1280℃，分解速度随温度的升高而加快。而且碳与合金元素在固态钢中的扩散随温度的升高而加快，所以开坯锻造前的均质化均需要将电渣锭加热到尽可能高的温度。本发明设定均质化温度1300℃，同时由于合金元素的固态扩散(置换式扩散)极为缓慢，所以钢锭开坯均质化时间应控制在10小时以上。

通过首次均质化处理，在高温下将不稳定的碳化物分解，利用液析碳化物、枝晶选择性结晶偏析所形成的碳和合金元素与基体巨大的浓度梯度，开始不稳定扩散。根据菲克第二定律，随扩散时间的延长、扩散通量迅速降低。

步骤c，径锻坯制造，将步骤b处理后的钢锭开坯变形，以加工形成适合径锻的圆形的径锻坯；具体来讲，将步骤b处理后的钢锭降温至开锻温度(1240℃)进行两次镦拔，每次镦拔的镦拔比为1:2，将钢锭加工至适合径锻机加工的圆形的径锻坯。

如上步骤的强烈锻造，使得没有扩散均匀的液析碳化物、选择性结晶的枝晶偏析区域通过固态流变机械性地重新分布。一方面建立新的具有较大梯度的浓度场，另一方面扩大扩散面积。

步骤d，二次均质化处理，将步骤c获得的径锻坯进行二次均质化处理，以使碳与合金元素均匀分布；具体来讲，将步骤c获得的径锻坯(表面温度≥500℃)热装至径锻加热炉内，以不超过200℃/小时的加热速度升温至1300℃，径锻坯中心到达1300℃后进行二次均质化处理，保温时间为6小时～8小时，如保温6小时，在新的合金元素浓度场和更大的扩散面积情况下，取得完全均质化效果，即实现碳与合金元素在基体组织中的均匀分布状态。

若步骤c获得的径锻坯已沙坑冷却至室温，则二次均质化前需将径锻坯在650℃预热，炉温到达650℃后的保温时间按每毫米有效尺寸1.0至1.2分钟计算，然后以不超过200℃/小时的加热速度升温至1300℃，径锻坯中心到达1300℃后进行二次均质化处理。

步骤e，芯棒毛坯的制备，将步骤d处理后的径锻坯锻造，以加工成芯棒毛坯；具体来讲，将步骤d处理后的径锻坯降温至开锻温度1240℃，在径锻机上进行拔长，将钢锭加工至直径满足要求的芯棒毛坯，将终锻温度控制在950℃以上。

步骤f，晶粒细化处理，将步骤e制得的芯棒毛坯晶粒细化处理，以制得芯棒。具体来讲，此步骤可利用锻造余热进行晶粒细化处理，即将芯棒毛坯置于水箱中，芯棒毛坯的入水前表面温度900℃以上，冷却速度以芯棒毛坯不开裂为控制原则，或是在反复入水淬冷、出水均温的时间，应确保芯棒表面与中心的温差不超过400℃；控制最终芯棒表面温度在250℃左右时，终止淬冷，以制得芯棒。此外，为了进一步提高晶粒细化处理效果，在冷却时，800℃至500℃的冷却速度≥28℃/min。

步骤g，将芯棒重新加热进行退火。具体来讲，芯棒的表面温度在250℃左右时，装入退火炉进行完全退火，在550-650℃预热，随后升温至对应钢种Ac3以上50-70℃，等温退火保温时间按芯棒有效尺寸每毫米1.25分钟计算，退火态成品芯棒的硬度不高于200HB。

实施例二

本实施例涉及一种无缝钢管用芯棒的制备方法，用于制造长度＞10米、直径大于200mm的空心芯棒，通过空心铸造生产成品空心芯棒，一方面可以大幅度降低芯棒的重量，另一方面有利于减小芯棒表面与中心的温度差，减小热应力避免开裂。同时，空心芯棒有助于热处理质量的提升(材料中心容易获得期待的回火马氏体组织)并节省芯棒材料。

该方法与实施例一基本相同，不同之处在于：

步骤a，钢锭铸造，将构成芯棒的原料成分，采用空心铸造、空心电渣重熔工艺制成具有中心孔的钢锭。具体来讲，在对具有中心孔的钢锭铸造时，其铸造装备原理图如图1所示，由图1所示可知，该铸造装备的整体结构位于底部的支撑部4，设置在支撑部4上方的钢锭铸模外壁1，钢锭铸模外壁1的顶部封闭设置。于钢锭铸模外壁1的中部设有直径为φ的、圆柱形的中心孔形成部2，中心孔形成部2可以由空心砖堆砌而成，于中心孔形成部2和钢锭铸模外壁1之间形成空腔3，在支撑部4和空腔3的交汇处，形成有与空腔3连通的底铸口5，于支撑部4的内部，形成有与底铸口5连同的进料通道6。熔融的原料由进料通道6，经底铸口5进入到空腔3内，以铸造形成与空腔3形状相应的钢锭，由于中心孔形成部2的存在，在钢锭的中部，形成有直径为φ的、圆柱形的中心孔，由此，以最终制得具有中心孔的空心钢锭7。中心孔的直径φ可以为100毫米、160毫米、220毫米以及280毫米，各不同尺寸中心孔直径对应的最终芯棒外径成品尺寸分别为φ200～φ350、φ300～φ440、φ400～φ560以及≥φ480毫米。

此外，基于步骤a的空心钢锭结构，本实施例与实施例一的另一区别在于步骤c，径锻坯制造，将步骤b处理后的空心钢锭7，向中心孔内插入等径芯杆8后，放置在锻造机上，在锻造机的上锻锤9和下锻锤10的作用下，进行单方向拔长，将钢锭加工至适合径锻机加工的圆形的径锻坯。其加工原理图如图2所示。

相应的，步骤e的芯棒毛坯的制备，是将步骤d处理后的径锻坯在径锻机上进行拔长前，同样需要插入等径芯杆8，为了进一步确保制得的芯棒的性能，等径芯杆8插入前温度为400至500℃之间。

通过如上方法制得的实心芯棒或空心芯棒，具有高韧性、高红硬性、长寿命的特点，其性能较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无缝钢管用芯棒的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤a，钢锭铸造，将构成芯棒的原料成分，经铸造形成钢锭，且构成芯棒的原料成分以wt％计，包括：C，0.33～0.39；Cr，4.7～5.20；Si，0.15～0.35；Mo，1.70～2.50；V，0.40～0.70，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质，或者，构成芯棒的原料成分以wt％计，包括：C，0.34～0.40；Cr，4.90～5.40；Si，0.80～1.10；Mo，1.10～1.50；V，0.60～1.00，P≤0.02；S≤0.003；Cu≤0.20；O_tot≤0.0015；余量为Fe和杂质；

步骤b，首次均质化处理，将所述钢锭进行均质化处理，以将所述钢锭中的大颗粒链状碳化物分解、扩散，且该首次均质化处理为将所述钢锭加热至1300℃，并在所述钢锭中心到达1300℃后保温15小时～17小时；

步骤d，二次均质化处理，将步骤c获得的径锻坯进行二次均质化处理，以使碳与合金元素均匀分布，且该二次均质化处理为将步骤c获得的径锻坯加热至1300℃，并在所述钢锭中心到达1300℃后保温6小时～8小时；

2.根据权利要求1所述的无缝钢管用芯棒的制备方法，其特征在于在步骤f之后还设有如下步骤：

步骤g，将芯棒重新加热进行退火。

3.根据权利要求2所述的无缝钢管用芯棒的制备方法，其特征在于：经球化退火后的所述芯棒的硬度≤200HB。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管用芯棒的制备方法，其特征在于：所述步骤e的芯棒毛坯的制备中，是将步骤d处理后的径锻坯降温至开锻温度1240℃后进行锻造，以加工成直径满足要求的芯棒毛坯，所述芯棒毛坯的终锻温度为不低于950℃。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管用芯棒的制备方法，其特征在于：所述步骤f的晶粒细化处理，将步骤e获得的芯棒毛坯淬冷至表面温度为低于250℃，以制得芯棒。

6.一种无缝钢管用芯棒，其特征在于：所述无缝钢管用芯棒是由权利要求1至5中任一项所述的无缝钢管用芯棒的制备方法制得。