CN112442577A - 一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法 - Google Patents

一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法，解决现有的用连续退火方式生产的冷轧钢板用于连续钎焊型双层卷焊管时存在的焊管耐时效性差的技术问题。本发明提供的一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.07％，Si≤0.05％，Mn：0.10～0.30％，P≤0.025％，S≤0.020％，Alt：0.03～0.06％，N≤0.003％，Cr：0.05～0.15％，其余为Fe和不可避免的夹杂。本发明的冷轧钢板主要用于采用快速加热到1100℃以上完成以铜膜为钎料的双层管壁焊合的双层卷焊管的生产。

Description

一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种双层卷焊管用冷轧钢板，特别涉及一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法，属于铁基合金技术领域。
背景技术
冷轧低碳钢板一般指碳含量低于1.0％，经热轧、冷轧、退火、平整等工序生产的钢板，随退火工艺的不同，冷轧低碳钢板的基本组织一般由铁素体+渗碳体、铁素体+珠光体或者铁素体+渗碳体、珠光体组成。该种成分、组织的钢板，当温度升高时，随着铁素体溶碳量的提高，以渗碳体或珠光体为主要形态的碳化物将逐渐溶解，当温度继续升高到奥氏体相变温度时，随着相变的发生，这种溶解将更加明显。此时，若保温时间足够长，冷却速度足够慢，溶解的渗碳体或珠光体又会再次析出。
双层焊管是使用一种双面镀铜的精密冷轧钢带，经720°卷曲成型后，快速加热至铜膜的熔点1086℃以上再快速冷却，以镀铜膜为钎料完成双层管壁的焊合，成为抗疲劳性能优越、防漏性能良好的双层钢管，广泛应用于各类汽车油管、家电冷凝管等领域。
在该种快速加热、快速冷却的热处理条件下，一方面加热时渗碳体或珠光体的溶解会带来铁素体内固溶碳含量的急剧增加，另一方面，快速冷却时固溶碳无法充分析出，从而导致经热处理后钢板内的固溶碳含量剧增，并在随后的自然时效过程中，由于过饱和固溶碳的逐渐析出而导致明显的强度上升、延伸率下降的时效现象。
目前，有关冷轧低碳钢板耐时效性的专利技术主要集中于通过成分、退火工艺等方式降低冷轧钢板的固溶碳含量来改善钢板本身的时效性，如采用碳含量小于0.01％的超低碳设计，从根本上减少铁素体内间隙固溶的碳含量，但这种超低碳冷轧钢板在经过高温热处理后，晶粒急剧长大，钢板强度偏低，无法满足绝大部分双层卷焊管的使用要求；第二种方案是碳含量介于0.01～0.15％，同时适当添加合金元素，通过形成各类C、N化物减少游离C、N原子在铁素体内的固溶量，从而改善钢板的耐时效性，但该种方案由于添加了合金元素，钢板强度通常会显著上升，不能满足双层管成形要求；第三种是采用罩式退火方式，通过50小时以上的长时间保温，使碳原子以渗碳体的形式充分析出，从而减少固溶碳含量，改善钢板时效性，但目前，罩式退火方式由于其环保、能耗、效率等问题已属于落后产能，且罩式退火本身不可避免地会存在板型、表面质量、性能均匀性的问题，带来制管效率及合格率下降的问题。
现有冷轧钢板的耐时效技术主要集中于提高钢板本身的时效性，未涉及经高温热处理后钢板的耐时效性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板及其制造方法，解决现有的用连续退火方式生产的冷轧钢板用于连续钎焊型双层卷焊管时存在的焊管耐时效性差的技术问题。
本发明冷轧钢板自身具有优良的耐时效性，固溶碳析出充分，为热处理后钢板的耐时效性提供有利条件；同时，冷轧钢板制备双层卷焊管过程中，采用连续钎焊工艺，冷轧钢板经快速加热、冷却后仍能保持优良的耐时效性。
本发明的技术思路是，通过适当添加微量合金元素，同时结合冷轧钢板的工艺控制，在冷轧钢板中析出更为粗大、聚集、高温热稳定性更好的碳化物，一方面，促进钢板本身碳原子的析出，降低固溶量，改善冷轧钢板本身时效性；另一方面，减少冷轧钢板制备双层卷焊管过程中，采用连续钎焊工艺，冷轧钢板经快速高温热处理时碳化物的溶解，改善冷轧钢板在制备双层卷焊管过程中经快速加热、冷却后的时效性。
本发明技术方案基于申请人如下研究：申请人研究发现，以铁素体+珠光体或渗碳体等碳化物为基本组织的冷轧低碳钢板，在快速加热至奥氏体相变温度以上并快速冷却的过程中，碳化物的高温热稳定性对热处理后钢板的时效性有显著影响：碳化物的高温热稳定性越好，在加热过程中就越不易溶解，同时，未完全溶解的残余碳化物颗粒将成为冷却阶段碳原子再次析出的形核质点，有利于促进碳原子的析出，改善热处理后钢板的时效性。同时，碳化物颗粒的尺寸、分布也影响其高温时的溶解状态：在相同的碳含量下，冷轧钢板的碳化物颗粒越大，在加热时碳化物越不易溶解，因此时效性也越好。
本发明采用的技术方案是，一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.07％，Si≤0.05％，Mn：0.10～0.30％，P≤0.025％，S≤0.020％，Alt：0.03～0.06％，N≤0.003％，Cr：0.05～0.15％，其余为Fe和不可避免的夹杂。
本发明冷轧钢板的金相组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，所述铁素体的晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；珠光体的粒径为2.0-5.0μm，分布密度为700-1000个/mm2；厚度为0.3-0.5mm的冷轧钢板的屈服强度Rp0.2为230-300MPa，抗拉强度Rm为350-400MPa，断后伸长率A50mm为35-43％，硬度值为49-55HR30Tm，时效指数AI为15-20。
所述冷轧钢板的时效指数，包括，冷轧钢板试样按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成标准拉伸样后，先经8％的预变形，然后在保温箱内100℃保温60min后，按照时效指数AI＝(F2-F1)/A0，F1为预拉伸应变力值；F2为时效处理后屈服点对应力值；A0为原始面积进行计算。
本发明冷轧钢板主要用于采用快速加热到1100℃以上完成以铜膜为钎料的双层管壁焊合的双层卷焊管的生产。
本发明所述的双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板的化学成分限定在上述范围内的理由如下：
碳：通过研究发现，碳含量低于0.03％的冷轧钢板，经再结晶退火后，其渗碳体大都呈游离状分布，颗粒尺寸小于0.5um，在快速加热时，小颗粒的渗碳体极易溶解造成钢板中固溶碳的进一步增加，这对时效性是极为不利的。而碳含量大于0.03％时，配合适当的退火工艺，才可以形成一定颗粒尺寸的碳化物。同时，碳含量也不可过高，否则冷轧钢板强度过高不利于加工成型。因此，经反复实验，本申请限定碳含量为0.03-0.07％。
硅：低碳钢中Si是不可避免的杂质元素，Si含量严重损害冷轧钢板的塑性和成形性能，对表面质量也有一定影响。但是对Si含量要求过低则会提高炼钢精炼工序的成本。本发明限定Si≤0.05％。
锰：锰在本申请中的主要作用为形成适当的MnS颗粒，以便消除由于钢中不可避免的S的有害影响。此外，超过40的Mn/S比还可增加MnS在基体内形成的驱动力，进而降低在晶界析出的体积分数，减少其脆化作用。但Mn也是一种强化元素，含量不可太高，否则钢板的强度过高不利于卷管成型。因此，含量本发明限定Mn含量为0.10～0.30％。
磷、硫：磷、硫均是钢中的有害元素，在冷轧低碳钢中均希望这两种元素控制在较低的水平，但考虑到实际工艺控制能力，本发明限定S≤0.020％，P≤0.025％。
氮：固溶于钢中的氮元素是影响钢板时效性的重要原因。本申请中，由于带钢采用连续退火，由于退火时件有限，C、N原子无法充分以碳、氮化物的形式析出，影响带钢的时效性，因此，须严格控制带钢中氮含量以减轻时效影响，但考虑到实际工艺控制能力，本发明限定N≤0.003％。
铝：铝在钢中能够与游离氮形成氮化铝以固定一部分的氮原子，减少固溶氮原子的数量，从而有利于提高钢板的抗时效性。同时ALN颗粒也会为后续碳化物的析出提供形核质点，从而促进碳原子的析出，减少固溶量，提高带钢时效性。但是当Al含量过高时，会增加合金成本，另外也会形成过多的脱氧产物Al2O3夹杂，不利于管材的抗疲劳性。本发明限定Alt含量为0.03～0.06％。
铬：铬是一种强碳化物形成元素，一般与Ti、Nb、V等合金元素单独或组合运用于钢中，通过形成各种C、N化物减少钢中固溶碳含量，从而减轻钢板本身的时效性。但更重要的是，经实验研究发现，在高温热处理状态下，在各种含合金的碳化物中，含Cr碳化物的高温热稳定性最好，最不易溶解，而这正是冷轧钢板在快速高温热处理时可通过减少碳化物溶解来提高热处理后钢板时效性的有效有手段。由于不同种类、数量合金元素的加入通常会形成各种纳米级二相粒子，提高再结晶温度，在有限的退火条件下造成退火相对不足导致钢板强度上升，因此，在选择合适的合金种类与添加量时，一方面需要考虑其对提高碳化物高温热稳定性的作用，另一方面也要考虑冷轧钢板本身的强度需要满足用户的加工需要，因此，综合上述多方面，本申请选择Cr元素来提高渗碳体的高温热稳定性，同时通过实验确定，Cr含量为0.05～0.15％时，再结晶退火温度不会明显提升，冷轧钢板的强度仍可满足用户的使用要求。
一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板的制造方法，该方法包括：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分重量百分比：C：0.03～0.07％，Si≤0.05％，Mn：0.10～0.30％，P≤0.025％，S≤0.020％，Alt：0.03～0.06％，N≤0.003％，Cr：0.05～0.15％，其余为Fe和不可避免的夹杂；
连铸板坯经加热炉加热至1180-1230℃后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，精轧为7道次连轧，精轧结束温度为860℃-910℃，精轧后，控制钢板厚度为2.5-3.5mm，层流冷却阶段采用后段冷却，卷取温度为660-730℃卷取得到热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、立式连续退火炉退火、平整，卷取得到厚度为0.3-0.5mm成品冷轧钢板，所述冷轧压下率为85-90％，经过冷轧后的轧硬状态带钢在立式连续退火炉均热段的退火温度为740-780℃，带钢在均热段的退火时间为60-120s；平整延伸率为0.8-1.5％。
本发明采取的生产工艺的理由如下：
1、连铸板坯加热温度的设定
连铸板坯的加热温度一般是为保证在多道次轧制时，热卷仍能保证在Ac3奥氏体温度以上变形及动态回复再结晶，避免出现轧制时的铁素体与奥氏体的混晶导致的板型问题。对于本申请，将出炉温度设定为1180-1230℃。
2、精轧结束温度的设定
精轧结束温度的设定主要保证在轧制结束时仍可保证在Ar3线以上，固本申请依据成分设计，将精轧结束温度设定为860℃-910℃。
3、热轧卷取温度的设定
热轧卷取温度主要影响氮化物及碳化物的析出，本申请中设置的卷曲温度较高，这是为了ALN可在此温度期间及后续缓慢冷却过程中更加充分的析出，降低钢中固溶氮含量，减轻冷轧钢板本身的时效性，但卷曲温度过高会在带钢表面产生更多的氧化铁皮，影响表面质量，因此，本申请设定卷曲温度为660-730℃。
4、冷轧压下率的设定
冷轧压下率主要决定冷轧板的变形量，一方面决定最终冷轧钢板的厚度精度及板型，另一方面影响退火再结晶的回复动力，较高的冷轧压下率有利于产生更大的形变能进而降低再结晶温度，有利于后续的退火，但过高的压下率将对冷轧机组生产的稳定性及安全性造成影响。因此，本申请中设定冷轧压下率为85-90％。
5、退火温度和冷却工艺的设定
本申请中，退火温度与时间的设定主要是控制碳化物的析出数量、形态及分布。经实验验证，碳化物的颗粒尺寸越大，加热时碳化物的溶解量越少，在本申请设定的碳含量范围内，将退火温度设定在Ar1相变点以上，同时结合冷却工艺，可有效促进碳化物的聚集析出，降低钢板本身固溶碳含量，改善钢板时效性的同时，也可以提高热处理后钢板的耐时效性。因此，本申请中设定的带钢在立式连续退火炉均热段的退火温度为740-780℃，在均热段的退火时间设定为60-120s，得到钢板的基本组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；珠光体的粒径为2.0-5.0μm；分布密度为700-1000个/mm2。
6、平整延伸率的设定
平整率设置主要目的是消除冷轧退火钢板的屈服平台，保证材料的成型性，本申请中平整率控制在0.8-1.5％就可达到上述目的。
按本发明方法生产的冷轧钢板的金相组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，铁素体的晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；珠光体的粒径为2.0-5.0μm；分布密度为700-1000个/mm2，冷轧钢板的屈服强度Rp0.2为230-300MPa，抗拉强度Rm为350-400MPa，断后伸长率A50mm为35-43％，硬度值为49-55HR30Tm，时效指数AI为15-20。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：本发明冷轧钢板具备良好的耐时效性，表面质量良好、板型优良，且通过钢板成分与组织的优化设计，冷轧钢板制备双层卷焊管过程中，采用连续钎焊工艺，冷轧钢板经快速加热、冷却后仍能保持优良的耐时效性。
附图说明
图1为本发明实施例2的冷轧钢板的金相组织图。
图2为本发明实施例2的冷轧钢板采用连续钎焊工艺制成的双层焊管的焊管径向截面的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例1-3，对本发明做进一步说明，如表1-4所示。
表1为本发明实施例钢的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。
表1本发明实施例钢的化学成分，单位：重量百分比％。
Figure BDA0002192274190000061
通过转炉熔炼和RH炉精炼得到符合化学成分要求的钢水，钢水经全程吹Ar保护连续浇铸得到连铸板坯，连铸板坯的厚度为210-230mm，宽度为800-1100mm，长度为5000-10000mm。
炼钢生产的定尺板坯送至加热炉再加热，出炉除磷后送至连续热连轧轧机上轧制；通过粗轧轧机和精轧连轧机组控制轧制，经层流冷却后进行卷取，层流冷却采取后段冷却，产出合格热轧钢卷；热轧钢板的厚度为2.5-3.5mm，热轧工艺控制参数见表2。
表2本发明实施例热轧工艺控制参数
Figure BDA0002192274190000062
将上述热轧钢卷重新开卷经过酸洗后，在可逆轧制或5机架冷连轧机上进行一次冷轧，冷轧的压下率为85-90％，经过冷轧后的轧硬状态的带钢经过立式连续退火炉退火、平整、卷取得到厚度0.3-0.5mm的成品冷轧钢板。退火工艺为：带钢在立式连续退火炉的均热段温度为740℃-780℃，在均热段的退火时间为60-120s；平整延伸率为0.8-1.5％；冷轧、退火、平整工艺控制参数见表3。
表3本发明实施例冷轧、退火工艺控制参数
Figure BDA0002192274190000063
利用上述方法得到的冷轧钢板，参见图1，冷轧钢板的金相组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，所述铁素体的晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；渗碳体的粒径为2.0-5.0μm；分布密度为700-1000个/mm2。冷轧钢板的屈服强度Rp0.2为230-300MPa，抗拉强度Rm为350-400MPa，断后伸长率A50mm为35-43％，硬度值为49-55HR30Tm，时效指数AI为15-20。
将本发明得到的冷轧钢板按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按照《GB/T 13299钢的显微组织评定方法》进行显微组织观察，按照《GB/T 230.1金属材料洛氏硬度试验方法》测量硬度，力学性能见表4。
此外，按下述方法检测了冷轧钢板的时效指数：试样按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成标准拉伸样后，先经8％的预变形，然后在保温箱内100℃保温60min后，按照时效指数AI＝(F2-F1)/A0，F1为预拉伸应变力值；F2为时效处理后屈服点对应力值；A0为原始面积进行计算。
表4本发明实施例冷轧钢板的力学性能
Figure BDA0002192274190000071
用本发明冷轧钢板制备双层焊管的方法，包括以下步骤：
1)将上述钢板厚度为0.3～0.5mm冷轧卷开卷，对冷轧钢板进行双面镀铜，镀铜厚度为2.8-3.6μm；
2)纵向分条，分条成卷管所需宽度的镀铜窄带；
3)带钢两侧压制坡口：窄带两侧压制出坡度，以保证卷管后内外缝与管壁的贴合；
4)成型机将双面镀铜的冷轧钢板连续卷曲720°制成外径为4.75～8mm管体；
5)钎焊炉对制成的管体进行加热、钎焊，加热速度250-280℃/s，焊接段温度1120～1150℃，保温时间0.5-1.0s，冷却速度30-40℃/s。
制成的成品焊管表面无明显机械缺陷、无虚焊，焊管的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，2周后的延伸率A50mm≥22％。
将上述方法得到冷轧钢板经过现有常规的连续双层焊管产线制造双层焊管，参见图2，焊管的径向截面的金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级I6.0-7.5。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.07％，Si≤0.05％，Mn：0.10～0.30％，P≤0.025％，S≤0.020％，Alt：0.03～0.06％，N≤0.003％，Cr：0.05～0.15％，其余为Fe和不可避免的夹杂；所述冷轧钢板的金相组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，所述铁素体的晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；珠光体的粒径为2.0-5.0μm，分布密度为700-1000个/mm2，时效指数AI为15-20。
2.如权利要求1所述的一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板，其特征是，所述冷轧钢板的时效指数，包括，冷轧钢板试样按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工成标准拉伸样后，先经8％的预变形，然后在保温箱内100℃保温60min后，按照时效指数AI＝(F2-F1)/A0，F1为预拉伸应变力值；F2为时效处理后屈服点对应力值；A0为原始面积进行计算。
3.如权利要求1所述的一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板，其特征是，厚度为0.3-0.5mm的冷轧钢板的屈服强度Rp0.2为230-300MPa，抗拉强度Rm为350-400MPa，断后伸长率A50mm为35-43％，硬度值为49-55HR30Tm。
4.一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板的制造方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：
钢水经连铸得到连铸板坯，其中所述钢水化学成分重量百分比：C：0.03～0.07％，Si≤0.05％，Mn：0.10～0.30％，P≤0.025％，S≤0.020％，Alt：0.03～0.06％，N≤0.003％，Cr：0.05～0.15％，其余为Fe和不可避免的夹杂；
连铸板坯经加热炉加热至1180-1230℃后进行热轧，所述的热轧为两段式轧制工艺，粗轧为5道次连轧，精轧为7道次连轧，精轧结束温度为860℃-910℃，精轧后，层流冷却阶段采用后段冷却，卷取温度为660-730℃卷取得到热轧钢卷；
热轧钢卷重新开卷后经酸洗、冷轧、立式连续退火炉退火、平整，卷取得到厚度为0.3-0.5mm成品冷轧钢板，所述冷轧压下率为85-90％，经过冷轧后的轧硬状态带钢在立式连续退火炉均热段的退火温度为740-780℃，带钢在均热段的退火时间为60-120s；平整延伸率为0.8-1.5％；所述冷轧钢板的金相组织为等轴铁素体+聚集分布的珠光体，所述铁素体的晶粒度级别为Ⅰ9.0-10.0级；珠光体的粒径为2.0-5.0μm，分布密度为700-1000个/mm2，时效指数AI为15-20。
5.如权利要求4所述的一种双层卷焊管用耐时效性优良的冷轧钢板的制造方法，其特征是，热轧精轧后，控制热轧钢板的厚度为2.5-3.0mm。
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