CN113897550A - 一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢及其制备方法。所述管线钢的组成为C0.03～0.06％，Si0.15～0.25％，Mn1.60～1.80％，Nb0.05～0.06％，Ti0.008～0.020％，Mo0.10～0.20％，Al0.02～0.04％，Cu0.10～0.20％，Cr0.15～0.25％，P≤0.015％，S≤0.004％，余量为铁和不可避免的杂质；基于低碳低合金化成分，优化控轧控冷工艺中的弛豫和控制冷却过程，制备出铁素体+粒状贝氏体双相组织的管线钢，具有易焊接、高强度、高韧性和低屈强比。

Description

一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及管线钢技术领域，具体提供了一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢及其制备方法。
背景技术
目前，石油、天然气等化石能源仍占据着世界能源结构中的主体地位，随着经济的发展，对油气资源的需求量大大增加，但是国家及地区之间的油气资源极其不平衡，必须通过管道将油气资源由开采地长距离输送到需求地。为了提高油气输送管道的输送能力，必须采用大口径的焊接钢管并增加管道的输送压力，因而对钢管的焊接性能和强度提出较高要求。增加C含量是提高钢材强度最直接有效的途径，但是，碳当量提高却对焊接性能产生非常不利的影响。对于长距离的油气输送管道，沿途的地质条件较为复杂，有些油气输送管线，如中缅油气输送管道，必须经过移动地层、泥石流等地质灾害频发区域，为了保障管道输送的安全性，对钢材提出了较高韧性和较低屈强比的要求。然而，对于管线钢产品，强度的提高往往导致韧性的降低和屈强比的提高。
在现有技术中，专利CN102912228A公开了一种经济型高强度低屈强比管件钢的制备方法，通过较高的碳含量设计提高强度，通过控轧控冷后的热处理工艺得到软硬两相组织，从而获得高强度低屈强比的管件钢，但是，较高的碳含量对焊接性能和韧性均产生不利的影响，而且，该方法仅适合管件钢生产。
专利CN106319390A公开了一种X70级抗大变形管线钢及制造方法，其通过在控轧控冷工艺后增加两相区淬火和回火工艺，得到适当比例的软硬两相组织，实现强度、低温韧性、屈强比等性能的良好匹配。但是，该方法为了获得适当比例的两相组织而增加了热处理工序，生产成本提高，经济性不佳。
专利CN101962733A公开了一种低成本、高强韧的X80级抗大变形管线及其生产方法，采用两阶段控制轧制和空冷+水冷两阶段控制冷却工艺，得到软硬两相组织，从而获得高强韧性抗大变形管线钢。但是，其水冷的终冷温度较低，促使板条状贝氏体的形成，降低了钢材的韧性。
本发明提供了一种制备易焊接、高强韧性、低屈强比管线钢的技术方案，采用低碳低合金化成分设计，通过轧后的弛豫处理和两阶段控制冷却工艺，获得了强韧性匹配且易焊接、低屈强比的钢材，而且无需采用额外的热处理工艺，可以减少能源消耗和降低碳排放，具有较好的经济效益和社会效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明基于低碳低合金化的成分设计，在保证焊接性能的同时提供足够的强度富余量。在制造工艺方面，通过对终轧和开冷过程之间的弛豫缓冷过程的精确控制，精准调控双相组织含量，通过对控制冷却过程的优化，促进粒状贝氏体的形成，从而提高管线钢韧性和降低屈强比。
为了达到上述目的，本发明提供了一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢，所述管线钢为铁素体和粒状贝氏体双相组织结构；
所述管线钢中各化学成分质量百分比为：C 0.03～0.06％，Si 0.15～0.25％，Mn1.60～1.80％，Nb 0.05～0.06％，Ti 0.008～0.02％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.02～0.04％，Cu 0.10～0.20％，Cr 0.15～0.25％，P≤0.015％，S≤0.004％，Ceq 0.35～0.46％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明C元素的含量在0.03～0.06wt％范围内，具体的，如0.03wt％，0.04wt％，0.05wt％，0.06wt％；C是提高强度最主要和最经济的元素，随着碳含量的增加，钢的强度大大提高，C含量不低于0.03wt％时，有利于贝氏体基体强度提高、NbC第二相的析出和晶粒细化，但是，C含量超过0.06wt％时，其焊接性能及塑韧性明显下降。
本发明Si元素的含量在0.15～0.25wt％范围内，具体的，如0.15wt％，0.16wt％，0.17wt％，0.18wt％，0.19wt％，0.20wt％，0.21wt％，0.22wt％，0.23wt％，0.24wt％，0.25wt％；Si含量不低于0.15wt％时，能抑制过饱和铁素体脱溶，迟滞贝氏体相变，促进M/A组织形成，有利于提高钢的淬透性和强度，但是，在Si含量高于0.25wt％时，容易导致钢材冷脆的发生，并影响焊接质量。
本发明Mn元素的含量在1.60～1.80wt％范围内，具体的，如1.60wt％，1.61wt％，1.62wt％，1.63wt％，1.64wt％，1.65wt％，1.66wt％，1.67wt％，1.68wt％，1.69wt％，1.70wt％，1.71wt％，1.72wt％，1.73wt％，1.74wt％，1.75wt％，1.76wt％，1.77wt％，1.78wt％，1.79wt％，1.80wt％；Mn含量不低于1.60wt％时，有助于冶炼时脱氧和消除硫的影响，并能产生固溶强化和细化铁素体晶粒，有利于提高钢板强度和韧性，但是，Mn含量高于1.80时，容易产生中心偏析、带状组织和微裂纹等不利因素，影响冲击韧性和钢材内部质量。
本发明Mo元素的含量在0.10～0.20wt％范围内，具体的，如0.10wt％，0.11wt％，0.12wt％，0.13wt％，0.14wt％，0.15wt％，0.16wt％，0.17wt％，0.18wt％，0.19wt％，0.20wt％；Mo的含量不低于0.10wt％时，有利于提高奥氏体稳定性和钢的淬透性，提高钢板厚度方向的组织均匀性，但是，Mo的含量高于0.20wt％时，对强度提高的贡献不大，且不利于钢的焊接性能，经济性不佳。
本发明Cr元素的含量在0.15～0.25wt％范围内，具体的，如0.15wt％、0.16wt％、0.17wt％、0.18wt％、0.19wt％、0.20wt％、0.21wt％、0.22wt％、0.23wt％、0.24wt％、0.25wt％；Cr的含量不低于0.15wt％时，有利于降低钢的相变点，产生细晶强化，改善钢的淬透性，但是，Cr的含量高于0.25wt％时，容易在晶界上析出粗大碳化物，显著降低钢的韧性和焊接性能。
本发明Cu元素的含量在0.10～0.20wt％范围内，具体的，如0.10wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％、0.15wt％、0.16wt％、0.17wt％、0.18wt％、0.19wt％、0.20wt％；Cu含量不低于0.10wt％时，产生析出强化，此外，对钢的耐蚀性、可焊性、低温韧性等性能的改善都非常有益，但是，Cu含量高于0.20wt％时，容易导致热脆。
本发明Nb元素的含量在0.05～0.06wt％范围内，有显著的沉淀强化效果和晶粒细化作用，有利于组织弥散和均匀化，提高钢的强度和韧性。
本发明Ti元素的含量在0.008～0.02wt％范围内，可以产生沉淀强化和晶粒细化作用，同时还能改善硫化物的分布形态，有助于提高钢的强度和韧性。
本发明Al元素含量在0.02～0.05wt％范围内，Al和O、N有极强的亲和力，能够起到积极的脱氧效果，并与N形成AlN，既能细化晶粒，又能有效固N。
本发明中，S的含量＜0.015wt％，P的含量＜0.004wt％，通过严格控制S、P等杂质元素获得高韧性，减少热裂和冷裂倾向。
进一步的，本发明所述多边形铁素体占比为40-60％，所述粒状贝氏体占比为40-60％。
进一步的，本发明所述管线钢的屈服强度均大于470MPa，抗拉强度均大于640MPa，-20℃冲击吸收功均不小于270J，屈强比不大于0.77。
基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种上述所述的易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，所述管线钢配料按照上述化学成分质量百分比进行，所述制备方法具体包括以下步骤：
将所述管线钢配料进行粗炼和精炼，进行炉前快速成分分析及成分调整；然后进行铸造获得钢坯；
将所述钢坯预热处理后进行控轧控冷获得易焊接的高强韧性低屈强比管线钢；
进一步的，所述预热处理过程，加热炉炉膛温度不超过1250℃，均热温度在1220～1240℃，均热时间1～1.5h。该温度既保证合金元素充分固溶，增加奥氏体组织稳定性并产生固溶强化，又避免晶粒长大粗化。
进一步的，所述控轧控冷包括：控轧、弛豫和控冷，所述控轧包括粗轧和精轧。
进一步的，所述粗轧为在再结晶区进行的高温轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为980～1000℃，道次压下率为15～18％，总压下率为65～75％，有利于促进奥氏体再结晶，从而细化奥氏体晶粒尺寸。
进一步的，所述精轧为在未再结晶区进行的低温轧制，开轧温度为870～890℃，终轧温度为780～810℃，轧制道次为7道次，最后3道次累计压下率为45～55％，使奥氏体扁平化，从而形成细而长的变形带，增加位错强化，有利于细化晶粒。
进一步的，所述弛豫过程为从精轧终轧温度到控冷开冷温度之间缓慢冷却的过程；所述弛豫过程的缓冷速率为1-3℃/s，弛豫时间控制在30～40s；所述弛豫过程在奥氏体双相区内进行，制品缓慢冷却，奥氏体中逐渐析出铁素体组织，随着弛豫过程的进行，铁素体析出量增加。
进一步的，所述控冷过程采用两阶段控制冷却，前半段与后半段水量比为1.1～1.3:1，开冷温度为720-745℃，平均冷却速度为12～16℃/s，终冷温度为460～520℃，随后空冷至室温。在第一阶段，加大冷却水量，使制品快速通过珠光体转变区，抑制珠光体的生成，在第二阶段，降低冷却水量，延长制品在贝氏体区的停留时间，促进粒状贝氏体的形成。最终，促进铁素体+粒状贝氏体的形成。
两相组织的含量与弛豫过程控制参数，尤其是终轧温度、弛豫时间和开冷温度密切相关。在本发明控制参数范围内，随着终轧温度和开冷温度差值的增大，铁素体含量占比提高，粒状贝氏体含量占比相应减少，适当的弛豫时间保证相变充分进行的同时不使组织过分粗大。两阶段控冷工艺促进了奥氏体向粒状贝氏体的转变。通过弛豫参数和两阶段控冷工艺的控制，可以获得铁素体(约40～60％)+粒状贝氏体(40～60％)双相组织，由贝氏体相为管线钢提供必要的强度，铁素体相保证足够的塑性，合适的两相比例降低屈强比，最后获得易焊接的高强韧性低屈强比的管线钢。
本发明技术方案有如下的有益效果：
(1)本发明通过优化的成分配方和控轧控冷(TMCP)工艺，获得了具有优良综合力学性能的管线钢板，其屈服强度均大于470MPa，抗拉强度均大于640MPa，-20℃冲击吸收功均不小于270J，屈强比均不大于0.77。
(2)本发明通过低碳设计，搭配适当的合金化技术，解决了管线钢中“高强度”和“易焊接性”、“高韧性”、“低屈强比”之间的矛盾，实现高强韧性、低屈强比和焊接性能的最佳匹配。
(3)本发明在精轧后通过控制弛豫过程的工艺参数，对铁素体和粒状贝氏体软硬两相组织的含量进行精确调控，通过两阶段控冷工艺，有效避免珠光体的形成，促进粒状贝氏体的形成，从而在保证强度的同时，获得高的韧性和低的屈强比，且无需采用其他额外的热处理工艺，可以减少能源的消耗和降低碳排放，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明实施例采用的控轧控冷(TMCP)工艺流程及相关参数图；
图2为本发明实施例9获得的管线钢的SEM照片；
图3是本发明实施例7获得的管线钢的SEM照片；
图4是本发明实施例8获得的管线钢的SEM照片；
图5是本发明实施例10获得的管线钢的SEM照片；
图6是本发明实施例11获得的管线钢的SEM照片。
图7是本发明对比例9获得的管线钢的SEM照片。
图8是本发明对比例10获得的管线钢的SEM照片。
图9是本发明对比例12获得的管线钢的SEM照片。
具体实施方式
为进一步阐明本发明要解决的技术问题、技术方案和技术效果，下面将结合附图及实施例进行具体描述，所述实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明针对现有的问题，提供了一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢及其制备方法，采用低碳低合金化成分设计，通过轧后的弛豫处理和两阶段控制冷却工艺，获得了强韧性匹配且易焊接、低屈强比的钢材。
表1列出了本技术方案实施例和对比例主要合金元素的质量百分数，实施例和对比例中的其它元素含量相同，其中Al为0.03wt％，Cu为0.15wt％，Si为0.2wt％余量为Fe和不可避免的杂质，其中P<0.01wt％、S<0.003wt％。
表1实施例和对比例的主要合金元素质量百分数
Figure BDA0003294175900000061
Figure BDA0003294175900000071
按照确定的化学成分配比进行配料，熔料、脱磷后，进行炉外精炼、氩气搅拌，然后铸造成钢坯，预热处理后进行热轧，之后进行热处理。表2列出了实施例和对比例的弛豫和控制冷却方案。
表2实施例和对比例的弛豫和控制冷却方案
Figure BDA0003294175900000072
Figure BDA0003294175900000081
按照标准GB/T 228.1-2010测试屈服强度、抗拉强度，按照GB/T 229-2020测试钢板-20℃下的心部冲击吸收功，结果如表3所示。
表3实施例和对比例的力学性能指标
Figure BDA0003294175900000091
Figure BDA0003294175900000101
由表3可知，本发明实施例管线钢的屈服强度均大于470MPa，抗拉强度均大于640MPa，-20℃冲击吸收功均不小于270J，屈强比均不大于0.77。
由实施例1、实施例2、对比例1、对比例2可知，随着碳含量增加，管线钢强度提高，韧性降低，由实施例3、实施例4、对比例3、对比例4可知，随着Mn含量增加，管线钢强度提高，韧性降低，当Mn含量在本申请保护范围内时，管线钢综合力学性能优异，但是，当Mn含量超出本申请保护范围时，管线钢强度和韧性难以兼顾。对比例5中Cr+Mo含量过高，管线钢韧性下降且成本增加，对比例6中Nb+Ti含量过高，管线钢韧性较差。
由实施例9、实施例7、实施例8可知，当控轧控冷参数在本申请保护范围内时，随着终轧温度的降低，铁素体含量逐渐减少，如图2、图3、图4所示，铁素体含量分别为60％左右、55％左右和40％左右，主要呈准多边形特征，晶界较明晰。铁素体与贝氏体两相交替分布，适当含量的铁素体组织为管线钢提供足够的韧性，适当含量的贝氏体组织为其提供足够的强度，两者搭配可以在保证强韧性的基础上降低管线钢屈强比，如实施例7、实施例8、实施例9，强韧性高，屈强比低。但是，当终轧温度低于本申请保护的范围时，如对比例7，终轧温度和开冷温度的差值较小，弛豫的有益效果未充分发挥出来，管线钢的韧性较低，屈强比较高。当终轧温度高于本申请保护的范围时，如对比例8，终轧温度和开冷温度的差值较大，过度的弛豫使得管线钢强度大幅度降低，难以满足性能要求。
由实施例10、实施例7、实施例11可知，当控轧控冷参数在本申请保护范围内时，随着开冷温度的降低，铁素体含量呈增加趋势，如图5、图3、图6所示，铁素体含量分别为40％左右、55％左右和60％左右，其中铁素体晶粒细小均匀，主要呈准多边形形貌，与贝氏体交替分布，有效提高管线钢强韧性，降低其屈强比。当开冷温度高于本申请保护的范围时，如对比例9，终轧温度和开冷温度的差值较小，弛豫的有益效果未充分发挥出来，如图7所示，铁素体含量大幅度降低至30％左右，制备的管线钢韧性较低，屈强比较高。当终轧温度低于本申请保护的范围时，如对比例10，终轧温度和开冷温度的差值较大，过度弛豫大幅度提高了铁素体含量，如图8所示，铁素体含量达到70％左右，导致强度大幅度降低，难以满足要求。
由对比例12可知，当管线钢未采用分阶段冷却时，铁素体组织较为粗大且存在少量退化珠光体，如图9所示，这使其强度、韧性下降，屈强比提高。当冷却前、后两阶段水量比超过本申请保护的范围时，如对比例11，达到1.4:1，导致管线钢的韧性和屈强比降低，难以满足油气输送要求。
当冷却速率高于本申请保护的范围时，如对比例13，管线钢韧性大幅度降低，当冷却速率低于本申请保护的范围时，如对比例14时，管线钢强度较低，均难以满足要求。
综上所述，不在本发明范围之内的成分，或者未采用本发明提供的弛豫工艺和控制冷却工艺，管线钢的力学性能指标均较低，其在制备过程中产生的缺陷难以消除，综合力学性能较差。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢，其特征在于，所述管线钢为铁素体和粒状贝氏体双相组织；
所述管线钢中各化学成分质量百分比为：C 0.03～0.06％，Si 0.15～0.25％，Mn 1.60～1.80％，Nb 0.05～0.06％，Ti 0.008～0.02％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.02～0.04％，Cu0.10～0.20％，Cr 0.15～0.25％，P≤0.015％，S≤0.004％，Ceq 0.35～0.46％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢，其特征在于，所述铁素体占比为40-60％，所述粒状贝氏体占比为40-60％。
3.根据权利要求1所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢，其特征在于，所述管线钢的屈服强度均大于470MPa，抗拉强度均大于640MPa，-20℃冲击吸收功均不小于270J，屈强比不大于0.77。
4.一种如权利要求1-3任意所述的易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，所述管线钢配料按照权利要求1所述的化学成分质量百分比进行，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
将所述管线钢配料进行粗炼和精炼，进行炉前快速成分分析和成分调整；然后进行铸造获得钢坯；
将所述钢坯预热处理后进行控轧控冷获得易焊接的高强韧性低屈强比管线钢；所述控轧控冷步骤具体包括：控轧、弛豫和控冷；所述控轧包括粗轧和精轧，所述弛豫为终轧和开冷间的缓慢冷却过程，所述控冷为两阶段控制冷却。
5.根据权利要求4所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，其特征在于，所述预热处理过程，加热炉炉膛温度不超过1250℃，均热温度在1220～1240℃，均热时间为1～1.5h。
6.根据权利要求4所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，其特征在于，所述粗轧为在再结晶区进行的高温轧制，开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为980～1000℃，道次压下率为15～18％，总压下率为65～75％。
7.根据权利要求4所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，其特征在于，所述精轧为在未再结晶区进行的低温轧制，开轧温度为870～890℃，终轧温度为780～810℃，轧制道次数为7，最后3道次累计压下率为45～55％。
8.根据权利要求4所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，其特征在于，所述弛豫过程的缓冷速率为1-3℃/s，弛豫时间控制在30～40s。
9.根据权利要求4所述一种易焊接的高强韧性低屈强比管线钢的制备方法，其特征在于，所述两阶段控冷过程采用前段快冷后段慢冷，前半段与后半段水量比为1.1～1.3:1，开冷温度为720-745℃，平均冷却速度为12～16℃/s，终冷温度为460～520℃，随后空冷至室温。
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