CN114635030B - 一种超高强度无缝钢管的制造方法 - Google Patents

一种超高强度无缝钢管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超高强度无缝钢管制备领域。一种超高强度无缝钢管的制造方法，圆钢坯经过锻机锻造成长圆钢，长圆钢经剥皮、锯切后再中心深空钻钻出通孔形成管坯，管坯经过热挤压、热处理、矫直、机加工后形成成品；热挤压过程包括环形炉加热、第一次感应加热、扩孔、第二次感应加热、玻璃粉润滑，进入卧式挤压机进行热挤压，环形炉加热温度750±20℃，加热时间3小时，一次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，扩孔扩延系数1.10，二次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，挤压比8~9，挤压速度14~16%，挤压完成后空冷至室温。

Description

一种超高强度无缝钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及超高强度无缝钢管制备领域。
背景技术
超高强度合金钢合金元素含量少（<5%），经济性好，强度高，屈强比低，此类钢是通过淬火和低温回火处理获得较高的强度和韧性，钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。一般含碳量在0.30~0.45%。钢中合金元素总量约在5%左右，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo，W和V的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。
美国从20世纪40年代中期开始研究低合金超高强度钢，通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600~1900MPa，用于高压内燃机喷油管、飞机起落架及滑轨、管道等。低合金超高强度钢具有高强度，但它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。我国于1980年研制出成功406钢，通过降低碳含量和采用VIM+VAR冶炼技术，在406钢的基础上开发了D406A钢（30Si2MnCrMoVE），D406A钢的强度稍有下降，但提高了韧性（σb＞1620MPa，KIC＞87MPa•m1/2）。
由于超高强度合金钢材料热加工性能差，30Si2MnCrMoVE超高强度无缝钢管无法采用传统的热穿孔工艺生产，现有技术采用锻造/旋压加机加工工艺。采用此类工艺生产时，由于材料压力加工变形比小，其晶粒度指标很难一次达到技术要求，往往要重复进行二三次处理后才能使晶粒度满足要求。产品对尺寸精度要求高，同时由于材料热加工性能较差容易开裂，必须采用机加工工艺得到最终产品尺寸，机加工量很大。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提高超高强度合金钢材料（30Si2MnCrMoVE）钢管的性能。
本发明所采用的技术方案是：一种超高强度无缝钢管的制造方法，圆钢坯经过锻机锻造成长圆钢，长圆钢经剥皮、锯切后再中心深空钻钻出通孔形成管坯，管坯经过热挤压、热处理、矫直、机加工后形成成品；热挤压过程包括环形炉加热、第一次感应加热、扩孔、第二次感应加热、玻璃粉润滑，进入卧式挤压机进行热挤压，环形炉加热温度750±20℃，加热时间3小时，一次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，扩孔扩延系数1.10，二次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，挤压比8~9，挤压速度14~16%，挤压完成后空冷至室温。
热处理过程为，采用退火加回火热处理，退火温度910~930℃，保温40min，炉冷至500℃以下；回火温度280~300℃，保温90min，炉冷至室温。
锻机锻造比为7.5。
圆钢坯钢号为30Si2MnCrMoVE，化学成分按重量百分比计C 0.28~0.32%，Si 1.45~1.65%，Mn0.90~1.20%，Cr 1.00~1.30%，Mo 0.35~0.45%，V0.10~0.21%，S<0.010%，P<0.020%。
本发明的有益效果是：利用热挤压过程中材料变形量大、三向压应力的变形特点，结合退火加回火热处理，得到高强度、高韧性、组织均匀、晶粒细小的无缝管体，避免了锻造加旋压的传统工艺对材料组织性能的不利影响。此钢种（30Si2MnCrMoVE）热挤压方法制造的管体尺寸精度高，表面质量好，显著减少了机加工工作量，实现材料性能和制造经济性的大幅提高。
具体实施方式
由于30Si2MnCrMoVE钢种的组织性能特点，锻造时变形温度、变形程度和变形均匀性难以精确控制，锻后零件组织不均匀、晶粒粗大，不利于后续的热处理、机加工等工序的进行；锻件毛坯采用传统的机加工工艺生产后，其晶粒度和断裂韧性指标很难一次达到技术要求，往往要重复进行二三次热处理。同时，机加工工艺成材率极低（3%-5%），金属损耗大，加工成本居高不下。
为了经济可靠地制造此钢种的超高强度合金钢管，我们开创性地采用锻造+热挤压+机加工的方法，利用热挤压过程中材料变形量大、三向压应力的变形特点，结合退火加回火热处理，得到高强度、高韧性、组织均匀、晶粒细小、尺寸精度高的无缝管体，显著减少了机加工和热处理工作量，实现材料性能和制造经济性的大幅提高。
实施例1
一种超高强度无缝钢管的制造方法，其钢号为30Si2MnCrMoVE，钢号为30Si2MnCrMoVE，化学成分按重量百分比计C 0.31%，Si 1.46%，Mn1.05%，Cr 1.24%，Mo0.43%，V0.13%，S0.002%，P0.009%，其制造方法为：（一）锻造：（二）坯料准备；（三）热挤压；（四）热处理：（五）矫直；（六）机加工。成品力学性能σb＞1650MPa，断裂韧性KIC＞87MPa•m1/2，组织均匀，晶粒度6~8级。
4.1锻造
经转炉冶炼、模铸、电渣重熔、初轧开坯得到直径700mm圆钢坯，经快锻机锻造成直径255mm、15m长圆钢，锻造比7.5。
4.2坯料准备
圆钢经剥皮、锯切，成为直径247mm、长度640mm坯料，坯料中心用深孔钻钻出直径80mm通孔。
坯料外径允许偏差（0，-2） mm。
坯料长度允许偏差（+5，0） mm。
通孔同心度＜0.5mm；
坯料表面粗糙度Ra≤3.2μm。
4.3热挤压
坯料经过环形炉加热、第一次感应加热、扩孔、第二次感应加热、玻璃粉润滑，进入卧式挤压机进行热挤压。荒管外径为127mm，壁厚为14mm。
环形炉加热温度750±20℃，加热时间3小时。
一次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min。
扩孔锥规格115mm，扩延系数1.10。
二次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min。
挤压比8~9，挤压速度14~16%。
挤压完成后空冷至室温。
荒管尺寸公差：外径± 1.5mm，壁厚± 1.5mm。
4.4热处理
荒管进行退火加回火热处理。退火温度910~930℃，保温40min，炉冷至500℃以下；回火温度280~300℃，保温90min，炉冷至室温。
4.5矫直
荒管经热处理后在200℃进行矫直处理。
4.6 机加工
用高精度五轴联动数控车床加工至成品尺寸截面，外径108mm，壁厚1.5mm。
表1 实施例性能和成材率对比
对比例1
一种超高强度无缝钢管的制造方法，其钢号为30Si2MnCrMoVE，钢号为30Si2MnCrMoVE，化学成分按重量百分比计C 0.31%，Si 1.46%，Mn1.05%，Cr 1.24%，Mo0.43%，V0.13%，S0.002%，P0.009%，其制造方法为：（一）锻造：（二）坯料准备；（三）热挤压；（四）热处理：（五）矫直；（六）机加工。成品力学性能σb＞1650MPa，断裂韧性KIC＞87MPa•m1/2，组织均匀，晶粒度6~8级。
4.1锻造
经转炉冶炼、模铸、电渣重熔、初轧开坯得到直径700mm圆钢坯，经快锻机锻造成直径255mm、15m长圆钢，锻造比7.5。
4.2坯料准备
圆钢经剥皮、锯切，成为直径247mm、长度640mm坯料，坯料中心用深孔钻钻出直径80mm通孔。
坯料外径允许偏差（0，-2） mm。
坯料长度允许偏差（+5，0） mm。
通孔同心度＜0.5mm；
坯料表面粗糙度Ra≤3.2μm。
4.3 采用现有旋压技术加工成才
4.4热处理
荒管进行退火加回火热处理。退火温度910~930℃，保温40min，炉冷至500℃以下；回火温度280~300℃，保温90min，炉冷至室温。
二步退火退火温度910~930℃，保温40min，炉冷至500℃以下；回火温度280~300℃，保温90min，炉冷至室温。（需要采用两次，不然容易开裂）。
4.5矫直
荒管经热处理后在200℃进行矫直处理。
4.6 机加工
用高精度五轴联动数控车床加工至成品尺寸截面，外径108mm，壁厚1.5mm。
对比例2
一种超高强度无缝钢管的制造方法，其钢号为30Si2MnCrMoVE，钢号为30Si2MnCrMoVE，化学成分按重量百分比计C 0.31%，Si 1.46%，Mn1.05%，Cr 1.24%，Mo0.43%，V0.13%，S0.002%，P0.009%，其制造方法为：（一）锻造：（二）坯料准备；（三）热挤压；（四）热处理：（五）矫直；（六）机加工。成品力学性能σb＞1650MPa，断裂韧性KIC＞87MPa•m1/2，组织均匀，晶粒度6~8级。
4.1锻造
经转炉冶炼、模铸、电渣重熔、初轧开坯得到直径700mm圆钢坯，经快锻机锻造成直径255mm、15m长圆钢，锻造比7.5。
4.2坯料准备
圆钢经剥皮、锯切，成为直径247mm、长度640mm坯料，坯料中心用深孔钻钻出直径80mm通孔。
坯料外径允许偏差（0，-2） mm。
坯料长度允许偏差（+5，0） mm。
通孔同心度＜0.5mm；
坯料表面粗糙度Ra≤3.2μm。
4.3矫直
荒管经热处理后在200℃进行矫直处理。
4.4 机加工
用高精度五轴联动数控车床加工至成品尺寸截面，外径108mm，壁厚1.5mm。
通过表1可以看出，采用本发明加工方式相比于对比例（采用锻造加旋压加机加工的方式）和对比例2（采用锻造加机加工方式制造超高强度无缝钢管材料），成材率指标显著提高。

Claims (2)

1. 一种超高强度无缝钢管的制造方法，其特征在于：圆钢坯经过锻机锻造成长圆钢，圆钢坯钢号为30Si2MnCrMoVE，化学成分按重量百分比计C 0.28~0.32%，Si 1.45~1.65%，Mn0.90~1.20%，Cr 1.00~1.30%，Mo 0.35~0.45%，V0.10~0.21%，S<0.010%，P<0.020%，长圆钢经剥皮、锯切后，成为直径247mm、长度640mm坯料，再中心深空钻钻出直径80mm通孔形成管坯，管坯经过热挤压、热处理、矫直、机加工后形成成品；热挤压过程包括环形炉加热、第一次感应加热、扩孔、第二次感应加热、玻璃粉润滑，进入卧式挤压机进行热挤压，环形炉加热温度750±20℃，加热时间3小时，一次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，扩孔扩延系数1.10，二次感应加热温度1180±15℃，加热时间5min，挤压比8~9，挤压速度14~16%，挤压完成后空冷至室温；热处理过程为，采用退火加回火热处理，退火温度910~930℃，保温40min，炉冷至500℃以下；回火温度280~300℃，保温90min，炉冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度无缝钢管的制造方法，其特征在于：锻机锻造比为7.5。
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