CN114635078A - 高强度钢管以及用于制造高强度钢管的方法 - Google Patents

高强度钢管以及用于制造高强度钢管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度钢管。本发明还涉及一种用于制造高强度钢管的方法。该方法的特征在于，使热轧毛坯管经受至少两个硬化步骤以及最后的回火步骤，将毛坯管加热到至少Ac3温度的淬火温度以进行硬化，并且将其加热到400℃至600℃范围内的回火温度以进行回火。

Description

高强度钢管以及用于制造高强度钢管的方法
技术领域
本发明涉及一种高强度钢管以及一种用于制造高强度钢管的方法。
背景技术
对于许多管或由其制成的管产品的应用需要它们是高强度的并且仍然具有足够的韧性。尤其是在作为气囊管的应用中，这些要求特别高。
在制造钢管时已知的是，对毛坯管、尤其是热轧毛坯管(其也被称为管坯)进行热处理。尤其是已知，管坯经受硬化步骤以及随后的回火步骤。所述热处理的缺点在于，在淬火(Abschrecken)前存在的奥氏体晶粒的晶粒大小和平均马氏体包尺寸是很大的。因此钢管的屈服极限很小，这对于相应的应用是不利的。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种钢管，其满足相应应用的要求。
根据一个方面，所述任务通过一种用于制造高强度钢管的方法来解决。该方法的特征在于，使热轧毛坯管经受至少两个硬化步骤以及最后的回火步骤，将毛坯管加热到高于Ac3温度的淬火温度以进行硬化
Figure BDA0003413960820000011
并且将其加热到400℃至600℃范围内的回火温度以进行回火。
高强度钢管是指具有至少900MPa的高抗拉强度Rm、优选至少1050MPa的抗拉强度的钢管。用于制造钢管的热轧毛坯管也称为管坯。为了由毛坯管制造钢管，优选至少需要对毛坯管进行热处理。
根据一个实施方式，所述热处理包括至少两个硬化步骤以及最后的回火步骤。借助加热或预热到淬火温度、保持在淬火温度以及淬火而进行的硬化被称为硬化步骤。优选地，将淬火实施到低于马氏体起始温度(Ms)的温度。
在一个实施方式中，紧接着最后的硬化步骤是回火步骤。在回火步骤中，将经淬火的毛坯管加热至回火温度、保持在该回火温度并且由该回火温度冷却。
优选地，在该方法的其中一个实施方案中实施两个硬化步骤。实施两个硬化步骤以及唯一紧接着第二硬化步骤的回火步骤在下文中也被称为双重淬火和回火或双重淬火和回火(DQ&T)。
优选地，每个硬化步骤包括加热至淬火温度、保持在淬火温度和淬火。淬火温度优选高于Ac3温度，从而通过加热并保持在淬火温度使钢奥氏体化。在每次奥氏体化之后进行淬火。
以高冷却速率进行冷却称为淬火。因此，淬火尤其是与空气冷却等冷却工艺不同。此外，在根据本发明的淬火中，毛坯管优选这样淬火，使得毛坯管的整个壁厚减小到期望温度。所期望的温度在此是奥氏体转变为马氏体的温度。这尤其可以是所谓的马氏体起始温度Ms，但优选是钢合金的马氏体终止温度，在所述马氏体终止温度下奥氏体大部分或完全转变为马氏体。在此，其例如是低于300℃的温度。然而，毛坯管也可以大约淬火到室温或者在淬火后为了马氏体转变可以缓慢地进一步冷却。
此外，根据本发明的至少两个硬化步骤在热轧之后进行。在硬化步骤本身中不会进行毛坯管的进一步变形。
根据一个实施方式，在硬化步骤中、即为了硬化将毛坯管加热或预热到大于Ac3温度的淬火温度。Ac3温度表示这样的温度，在该温度下材料、即毛坯管的钢被奥氏体化。
在回火步骤中，将毛坯管加热到回火温度，该回火温度优选在400℃至600℃的范围内。优选地，回火温度在400℃至500℃的范围内。特别优选地，回火温度在所述范围内高于400℃。
根据一个优选的实施方式，通过使毛坯管经受多次、尤其是两次淬火和回火(DQ&T)，调节毛坯管中非常细晶粒的微观结构。尤其是实现了明显更高的晶粒细化，也就是说相比于仅通过一次硬化以及随后的回火处理的毛坯管更小的晶粒大小。尤其是实现了淬火前存在的奥氏体晶粒的明显更小的平均奥氏体晶粒大小。所述奥氏体晶粒大小也被称为初始的或先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)。此外，提高钢管材料的屈服极限并且提高钢管材料的韧性。这尤其是由抗拉强度的提高和通过晶界的裂缝传播的停止而产生，这尤其是通过较小的马氏体包尺寸(davg)产生。
根据一个实施例，将毛坯管加热到Ac3+50℃的温度以进行硬化。由此确保毛坯管的材料完全奥氏体化。
根据一个优选的实施方式，在回火步骤之后拉伸毛坯管。尤其是，在回火步骤之后对毛坯管进行至少一个冷拉步骤。通过该实施方式可以制造具有小的壁厚并且尽管如此具有通过热处理调节的特性、尤其高的抗拉强度、高的屈服极限以及同时高的韧性、尤其是冷韧性的钢管。在该实施方式中，通过该方法制造的钢管尤其是可被用作气囊管。
根据一个实施方式，在回火之后被冷拉的毛坯管中实施消除应力退火。
根据一个优选的实施方式，通过感应加热进行加热。通过感应加热能够实现高加热速率。
根据一个优选的实施方式，在大于50K/s、优选大于70K/s、例如200K/s的加热速率时加热到淬火温度。
根据一个优选的实施方式，在小于4s的t8/5时间进行淬火。从800℃冷却至500℃所需的时间段被称为t8/5时间。
根据一个实施方式，在淬火之前将毛坯管保持在淬火温度1至10秒的时间段，例如3至6秒。
根据一个实施方式，毛坯管在回火温度下保持大于5秒的时间段。
根据另一方面，所述任务通过一种高强度气囊管来解决，其特征在于，钢管具有带有＜5μm的先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)的组织结构的马氏体组织并且具有至少900MPa、优选至少1050MPa的抗拉强度以及最大-60℃(零下60℃)的转变温度。气囊管接下来也被称为钢管。
优选地，先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)＜4.6μm、尤其是＜4.0μm、特别优选＜3.5μm。
转变温度，也被称为韧脆转变温度(DBTT)，限定了韧性特性从高能层(其可以简单地被称为高层)转变到低能层(其可以简单地被称为低层)的温度。在冷却到转变温度以下时，缺口冲击韧性会剧烈下降并且因此会发生脆性断裂。转变温度可以在环形夏比试验中测定，其中从制成的气体发生器管中切出环形的切口，其设有限定的缺口，并且然后在摆动冲击装置中检验。尤其是，钢管在最高达-60℃时也具有延展特性。优选根据对应于ISO 179的日本标准协会(JSA)的JIS Z 2242标准测量夏比冲击强度。
根据另一方面，所述任务通过一种高强度钢管来解决，其特征在于，所述钢管根据本发明的方法来制造。在一个实施方式中，根据本发明的方法制造的钢管具有带有＜5μm的先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)的组织结构并且具有至少900MPa的抗拉强度以及最大-60℃的转变温度。钢管优选是气囊管。
关于该方法所描述的优点和特征(只要可应用)也适用于根据权利要求1和权利要求2所述的根据本发明的钢管并且反之亦然。此外，关于根据权利要求1所述的钢管所描述的优点和特征(只要可应用)也适用于根据本发明的方法制造的钢管并且反之亦然。
根据一个优选的实施方式，钢管具有马氏体组织。
根据一个实施方式，钢管由合金构成，该合金除了铁和由熔化引起的杂质之外以质量％(质量百分比)计具有如下合金元素：
C 0.07至0.50
Si 0.01至0.60
Mn 0.3至1.7
Cr 最大1.2
Mo 最大1.2
Ni 最大0.4
Al 0.01至0.10
V 最大0.15
Nb 最大0.06
Ti 最大0.06。
合金在下面也称为钢合金、钢或材料。合金元素的含量数据以质量百分比给出，但必要时仅以百分比表示。
碳(C)优选以0.07至0.50质量％的范围内的量存在。碳提高钢合金的强度。
硅(Si)优选以0.01至0.60质量％的范围内的量、优选0.01至0.50质量％的范围内的量存在。硅提高抗拉强度和屈服极限。
锰(Mn)优选以0.3至1.7质量％的范围内的量存在。锰提高钢合金的屈服极限和强度。另外，锰作为碳的替代物改进可焊接性。根据一个优选的实施方式，锰以0.5至1.7质量％的范围内的量、特别优选以0.6至1.7质量％的范围内的量存在。
铬(Cr)优选以最大1.2质量％的量存在。铬提高钢合金的韧性和抗拉强度。
钼(Mo)优选以最大1.2质量％的量存在。钼尤其是改进钢合金的抗拉强度和可焊接性。
镍(Ni)优选以最大0.4质量％的量存在。镍提高抗拉强度和屈服极限。
铝(Al)优选以0.01至0.10质量％的范围内的量存在。
钒(V)优选以最大0.15质量％的量存在。钒提高合金的抗拉强度。
铌(Nb)优选以最大0.06质量％的量存在。
钛(Ti)优选以最大0.06质量％的量存在。
由熔化引起的或由熔炼引起的杂质尤其是在钢制造时尤其是通过在制造熔体并且处理熔体时添加的材料到达钢合金中的杂质。
在一个实施变型方案中，根据本发明的钢管由钢合金制成，所述钢合金尤其是可被用于根据本发明的方法，所述钢合金由以下合金元素构成，所述合金元素除了铁和由熔化引起的杂质之外以质量％计存在于所述钢合金中：
C 0.08至0.15
Si 0.01至0.60
Mn 1.0至1.7
Cr 最大1.0；优选0.2至0.9
Mo 最大0.2
Ni 最大0.4；优选0.15至0.4
Al 0.01至0.10
V 最大0.15
Nb 最大0.06
Ti 最大0.06。
所述钢管尤其是气囊管。根据一个优选的实施方式，钢管具有带有＜5微米(μm)、优选4.6μm、尤其是＜4.0μm、特别优选＜3.5μm的平均初始奥氏体晶粒大小(Davg)的组织结构。
根据一个优选的实施方式，钢管、尤其是气囊管具有带有davg＜3μm的平均马氏体包尺寸的组织结构。
根据一个实施方式，钢管、尤其是气囊管具有由伸展的、回火的马氏体组成的组织结构。该组织结构优选尤其是通过热处理以及随后的冷拉实现。
优选地，气囊管具有小于-60℃的转变温度。转变温度优选通过上述的环形夏比试验测定。例如，在此通过在作为环形的缺口冲击样本、也就是说作为具有为了测试目的引入的目标缺口的狭窄的管区段的相应的纵向区段中取样来测定转变温度。在冷却至试验的低温条件之后进行轴向冲击样本。从样本的塑性断裂特性转变到脆性断裂特性的那个低温称为转变温度。可以理解的是，为了其测定，必须测试表征纵向区段的多个样品。
根据一种实施方式，钢管、尤其是气囊管具有小于4毫米(mm)的壁厚。具有这种壁厚的钢管尤其是用作气囊管。
优选地，钢管具有相对于最终调质的钢管减小的针对外径(AD)和/或内径(ID)的公差带、尤其是标准EN10305-1的“值”的一半。
优选地，所述钢管与最终调质的、未经后处理的钢管相比是无氧化皮的(zunderfrei)。
在气囊管中，优选在热处理之后的制造中实施拉伸过程、尤其是冷拉步骤。特别优选地，在拉伸之后实施消除应力退火。
附图说明
通过以下对附图的描述来详细阐述本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的制造方法的一个实施方式的时间-温度变化曲线；
图2示出根据本发明的制造方法的另一个实施方式的时间-温度变化曲线；
图3示出本发明的实施方式的钢管的先前的奥氏体晶粒大小分布的示意图；以及
图4示出具有先前的奥氏体晶粒边界并且具有马氏体包边界的马氏体组织的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出根据本发明的制造方法的一个实施方式的时间-温度变化曲线。如由图1得出，将热轧毛坯管在第一硬化步骤中加热至大于900℃的淬火温度。所述加热以大于50开尔文/秒(K/s)、例如大于70K/s的加热速率进行。随后将毛坯管在淬火温度下保持1至10秒、例如4至5秒的时间。之后，将毛坯管以小于4开尔文/秒的冷却速率t8/5淬火到低于马氏体起始温度的温度。然后再次实施所述硬化步骤。在第二硬化步骤之后，将毛坯管加热到高于400℃、尤其是400℃至500℃的回火温度。所述加热尤其是在加热速率大于15K/s的情况下进行。在超过5秒的保持时间之后将毛坯管冷却。
在图2中示意性地示出根据本发明的制造方法的另一个实施方式的时间-温度变化曲线。在该实施方式中，紧接着回火步骤，将毛坯管通过拉伸、尤其是冷拉而成形并且随后经受消除应力退火。在大于420℃的温度下实施消除应力退火并且优选将毛坯管在该温度下保持超过500秒。
在图3中示意性地示出根据本发明的实施方式的钢管(DQT)的先前的奥氏体晶粒大小分布。如从该图表中得出，根据本发明的实施方式，经受双重硬化和回火的晶粒尺寸主要为约3.0μm。在钢管的表面截面为27950μm2时由纵向磨削
Figure BDA0003413960820000081
测量晶粒大小。
在具有30mm外径和2.3mm壁厚(30×2.3)的管坯上实施测量。
根据本发明的方法相对于将冷拔管硬化的方法(Final-QT)和将简单调质处理的钢管冷拔并且消除应力退火的方法(QT+SR)也是有利的。相对于借助Final-QT方法制造的成品管，根据本发明实现的小的先前的奥氏体晶粒大小的可能性较高。与借助QT+SR方法制造的成品管相比，在根据本发明制造的管中先前的奥氏体晶粒大小要小得多。
图4示意性地示出马氏体组织。尤其是示出先前的奥氏体晶粒大小和马氏体包边界。平均马氏体包尺寸用davg表示并且平均先前的奥氏体晶粒大小用Davg表示。
因此，本发明涉及一种对高强度热轧钢管进行双重淬火和回火(DQ&T)的方法。优选地，借助感应加热加热到淬火温度。利用本发明产生非常细晶粒的微观结构。尤其是，与常规的借助淬火和回火(Q&T)制造的钢管相比，先前的奥氏体晶粒大小更小。相对于具有Davg为7.8μm的QT管，利用根据本发明的方法实现了具有4.6μm的平均奥氏体晶粒大小(Davg)的显著的晶粒细化。
在经调质处理的组织中的晶粒细化和小的马氏体包尺寸导致根据霍尔-佩奇关系(Hall-Petch-Beziehung)材料的屈服极限增加并且材料的韧性增加，其方式是：提高抗拉强度并且阻止裂缝传播通过晶界。这些特性也在根据本发明的方法DQ&T中实现。
利用根据本发明的方法在冷拉之后可以实现davg＜3μm并且Davg＜5μm。
本发明具有一系列优点。尤其是可以在同时具有高屈服极限/强度的情况下实现高韧性(尤其是在低温下)。因此，提供了安全的高强度构件(例如安全的气囊管)以及具有经调质处理的组织的产品。此外，还提供了具有最佳表面质量的细晶粒的钢。在具有较大尺寸(例如AD＞30mm并且WD＞2mm)的管的情况下也可以实现这些优点，这些管例如可被用在气囊区域中。本发明不限于无缝钢管，而是也可以涉及焊接钢管。

Claims (20)

1.高强度气囊管，其特征在于，该高强度气囊管具有带有＜5μm的先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)的组织结构的马氏体组织并且具有至少900MPa的抗拉强度以及最大-60℃的转变温度。
2.高强度钢管，其特征在于，所述高强度钢管按照根据权利要求10至20中任一项所述的方法制成。
3.根据权利要求2所述的高强度钢管，其中，该钢管具有马氏体组织和至少900MPa、尤其是至少1050MPa的抗拉强度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高强度钢管，其中，该钢管由合金制成，所述合金除了铁和由熔化引起的杂质之外以质量％计具有如下合金元素：
Figure FDA0003413960810000011
5.根据权利要求4所述的高强度钢管，其中，锰以0.5至1.7质量％的范围内的量存在、优选以0.6至1.7质量％的范围内的量存在。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的高强度钢管，其中，该钢管具有带有＜5μm、优选＜4.6μm、尤其是＜4.0μm、特别优选＜3.5μm的先前的平均奥氏体晶粒大小(Davg)的组织结构。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的高强度钢管，其中，该钢管具有带有davg＜3μm的平均马氏体包尺寸的组织结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的高强度钢管，其中，该钢管具有由伸展的、回火的马氏体组成的组织结构。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的高强度钢管，其中，该钢管具有小于4mm的壁厚。
10.用于制造高强度钢管的方法，其特征在于，使热轧毛坯管经受至少两个硬化步骤以及最后的回火步骤，将毛坯管加热到至少Ac3温度的淬火温度以进行硬化，并且将其加热到400℃至600℃范围内的回火温度以进行回火。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个硬化步骤包括加热至淬火温度、保持在淬火温度和淬火。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在每个硬化步骤中，淬火到低于马氏体起始温度(Ms)的温度上。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，唯一的回火步骤跟随两个硬化步骤实施。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，将毛坯管加热至大于Ac3的温度、尤其是Ac3+50℃的温度以用于硬化。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，在回火步骤之后拉伸毛坯管。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，使毛坯管在拉伸之后经受消除应力退火。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，通过感应加热、尤其是在加热速率大于50K/s时进行加热。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，在小于4秒的t8/5时间进行淬火。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的方法，其中，将毛坯管在淬火之前保持在淬火温度1至10秒的持续时间。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的方法，其中，将所述毛坯管保持在回火温度超过5秒的时间段。
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