CN115351113B - 一种高强高韧性无缝钢管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无缝钢管技术领域，涉及一种高强高韧性无缝钢管的制备方法。化学成分包括：C 0.12‑0.18wt％，Si 0.20‑0.30wt％，Mn 0.80‑1.10wt％，P≤0.015wt％，S≤0.010wt％，Cr 1.25‑1.50wt％，Mo 0.80‑1.00wt％，V 0.1‑0.15wt％，Nb 0.06‑0.08 wt％，Ti 0.020‑0.025 wt％余量为基体Fe；以特定化学成分结合钢管制造加工工艺，棒料锻造、一道次热轧穿孔、一道次钢管坯冷轧及一道次的钢管坯冷拔工艺，使得无缝钢管具有较高的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、冲击韧性及扩口塑性等优良的综合机械性能。

Description

一种高强高韧性无缝钢管的制备方法
技术领域
本发明属于无缝钢管制备技术领域，具体涉及一种高强高韧性无缝钢管的制备方法。
背景技术
15CrMnMoVA/E钢是一种低碳低合金贝氏体钢，该钢有二次硬化现象，淬火加高温回火后具有高的强度，好的塑性和韧性，良好的冲压性能和焊接性能；经调质处理后，可焊接任何复杂的构件，焊后无需进行热处理。该钢是航空航天领域常用钢，但15CrMnMoVA/E钢存在扩口成材率低，产品性能不稳定等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高强高韧性无缝钢管的制备方法，本发明方法获得的无缝钢管具有高强度、高韧性、高精度和高疲劳性能。
为了实现本发明目的，所采用的技术方案为：一种高强高韧性无缝钢管的制备方法，无缝钢管的化学成分包括：C 0.12-0.18wt％，Si 0.20-0.30wt％，Mn 0.80-1.10wt％，P≤0.015wt％，S ≤0.010wt％，Cr 1.25-1.50wt％，Mo 0.80-1.00wt％，V 0.1-0.15wt％，Nb0.06-0.08 wt％，Ti 0.020-0.025 wt％ 余量为基体Fe。
包括如下步骤：
（1）电渣重熔获得均匀致密的钢锭，具体的，采用惰性气体保护或真空状态重熔。应用电渣重熔工艺的作用，是将需要的低合金金属材料按照组织成分提纯，获得均匀致密的金属钢锭。经过电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。
（2）棒料锻造，步骤（1）获得的钢锭进入加热炉加热，每隔10-15分钟进行翻料，保证受热均匀，加热温度为1100-1280℃，然后进行锻造，开始锻造温度1275-1280℃，终止锻造温度900±5℃。钢坯加热目的是提高钢坯在锻造过程中的塑性，增加钢坯的变形能力，减少钢坯在锻造成型过程中的阻力。钢坯锻造的目的：通过锻造实现需要的钢棒坯料的形状，消除炼钢过程中金属材料内部组织中微小气孔结构缺陷，改变材料内部组织夹杂物缺陷的流线方向，向有利于提高钢管材料组织性能的方向流线发展。
（3）多道次热轧穿孔，得钢管坯。
具体的，钢棒两端头端面打引导顶尖中心孔，然后送入斜底加热炉加热（加热温度为1180~1220℃），同时通过炉底辊道的滚动输送，一边进入一边匀速滚动输送，保证钢棒整体加热和受热均匀；钢棒出炉后在钢管热穿孔机上进行穿孔，由实心钢棒变成为空心钢管坯。通过钢棒穿孔过程，钢管坯在热状况下，通过内外模具的滚动挤压，再次将钢管坯内部组织结构性能进行了晶粒细化的提升，提高了材料的综合机械性能。
（4）一道次钢管坯冷轧，首先对钢管坯进行热处理，热处理温度为880-910℃，以消除前道次热穿孔钢管坯而产生的轧制应力，恢复钢管组织；然后进行酸洗清除氧化铁皮，再进行磷化处理，所用磷化液中含有25－45g/L磷酸二氢锌和85－95g/L硝酸锌，磷化液温度为65-80℃，磷化时间8-23分钟；然后将磷化后的钢管坯浸泡轧制油，最后冷轧制，实现接近成品钢管的尺寸和表面质量及性能。
通过本申请的磷化处理，可以使钢管坯表面附着拉拔油，进而能够顺利进行轧制。为了保证钢管坯能够顺利轧制，保护钢管表面与模具表面，在两者轧制接触面之间有轧制油充分保护与冷却润滑。
在冷轧制钢管坯过程中，使用的轧制油，具有润滑、冷却、抗挤压、耐磨、抗锈蚀的能力。
进一步的，酸洗用硫酸质量百分浓度20%，酸洗时间为15-30分钟，钢管经过硫酸酸洗清除钢管坯由于热处理产生的氧化皮。
（5）二道次钢管坯冷拔，首先将冷轧制后的钢管坯于保护气氛中热处理，热处理温度870-920℃，热处理时间35-50min；然后将钢管坯依次进行脱脂、水清洗、硫酸酸洗、2次水清洗、磷化、表调、水清洗、滤干、浸入拉拔油，最后冷拉拔，获得成品钢管，即高强高韧性无缝钢管。
本步热处理目的为：消除前道次冷轧制钢管坯而产生的轧制应力，为钢管下一步工序的加工提供加工性能准备，恢复钢管组织性能，以及保护钢管坯热处理后的钢管表面质量好，实现钢管表面无氧化皮。
浸泡轧制油：为了保证钢管坯能够顺利轧制，保护钢管表面与模具表面，在两者轧制接触面之间有轧制油充分保护与冷却润滑。
与现有技术相比，本发明取得了如下技术优势：
本发明通过钢管化学成分的合理设计，结合钢管整个制造加工工艺的科学合理流程的设计，棒料锻造、多道次热轧穿孔、一道次钢管坯冷轧及一道次的钢管坯冷拔工艺，使得无缝钢管具有较高的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、冲击韧性及扩口塑性等优良的综合机械性能，其中屈服强度高达400-510 MPa，抗拉强度达550-630 MPa，断裂伸长率达 37%，可焊性由于低的含碳量和低合金量，钢管的可焊性有所提高，成材率比普通碳素钢的成材率提高2%。
附图说明
图1为本发明钢管金属的金相照片。
图2是本发明钢管金属里的夹杂物照片，图中d=3.78μm为非夹杂物的宽度。
具体实施方式
本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。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。
本发明下面结合实施例作进一步详述：
本发明具体进行了几个无缝钢管的制备例（依次为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6），6个实施例中无缝钢管规格均为Ø38mm×2.5mm，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和实施例6获得产品编号分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，对应化学质量成分详见表1，性能见表2，其中机械性能采用GBT 228金属材料室温拉伸试验方法检测，平均晶粒度采用GB/T 6394金属平均晶粒度测定法测定。
机械性能检测方法中，使用设备为电液伺服万能试验机，型号为E64.605，额定负荷600KN，试验机精度0.5级（1%-100%），引伸计变形量：0%-100%，控制测试温度28-30℃。
金属平均晶粒度测定，包括如下步骤：
1.试验器具准备：
1）金相抛光机、2）金相显微镜、3）加热小电炉、4）500ml烧杯、5）吹风机、6）不锈钢镊子、7）200mm玻璃棒、8）0-200℃水银温度计、9）金相抛光剂、10）800目水砂纸、11）1000目金相砂、12）抛光布、13）小药勺、14）脱脂棉花、15）硝酸酒精（4wt%）等；
2.试样制备：
2.1.试样必须是当班生产规格，现场调机，在焊接功率与速度达到焊接条件表要求，进行取样；
2.2.试样必须标识明确：顾客或用途、钢号、炉号和生产批号等相关信息；
2.3.抛光机上安装800目水砂纸，砂纸必须平贴在抛光机的转盘上，不要有凹凸不平处；
2.4.粗磨试样平整后，更换1000目金相砂纸进行精磨，精磨时试样应放在磨盘的右半部分，试样磨面应均匀地压在砂纸上，不要用力过大；
2.5.精磨表面无划痕后，更换抛光布，进行抛光，试样应放在抛光盘的右半部分，抛光时试样磨面应均匀地压在抛光盘上，手压力量不得过大，以防试样崩出。按抛光剂喷头时用力不要太大，喷头不要离抛光盘太近，以防抛光剂过多地反弹回来散发在空气中被操作者吸入；
3试样的腐蚀：
采用4wt%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀3~4S后用脱脂棉花将试样檫净，烘干。
6个实施例的工艺流程如下：
原材料准备——原材料检验——电渣重熔冶炼——钢锭——锻造前金属钢锭检验——加热炉加热——钢锭热态锻造——钢棒——钢棒热穿孔前检验——加热炉加热——钢棒热穿孔——钢管坯1——检验。
钢管坯1冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为成品管——检验——入库。
各实施例更具体的操作如下（需要说明的是，以下操作中已经给出会影响无缝钢管性能的参数设定，未具体说明的默认对钢管性能无影响，或影响较小（可忽略），本领域技术人员可根据本领域的常规操作方法进行操作）。
实施例1
一、电渣重熔：采用惰性气体保护或真空状态重熔，将需要的低合金金属材料按照组织成分提纯，获得均匀致密的金属钢锭。经过电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。
二、锻造棒料的工艺：锻造前金属钢锭检验——加热炉加热——钢锭热态锻造——钢棒冷却——检验——入库。
具体的：
1、真空熔炼合金钢锭锻造工序前，对圆坯料检验工序，是保证钢坯料满足锻造的外观、尺寸复核，对坯料材质复核。
2、钢坯进入加热炉加热，钢坯加热温度优选设置为1160-1280℃，钢坯在加热过程中，要对炉内钢坯定时10-15分钟进行翻料一次，保证钢坯整体加热受热均匀。
3、钢坯锻造：开始锻造温度1280℃，终止锻造温度900℃。
钢坯加热目的，是提高钢坯在锻造过程中，提高钢坯的塑性，增加钢坯的变形能力，减少钢坯在锻造成型过程中的阻力。
钢坯锻造的目的：通过锻造实现需要的钢棒坯料的形状。消除炼钢过程中金属材料内部组织中微小气孔结构缺陷。改变材料内部组织夹杂物缺陷的流线方向，向有利于提高钢管材料组织性能的方向流线发展。
二、多道次热轧穿孔工艺为：钢棒穿孔前检验——钢棒两端头端面打导顶尖中心孔——钢棒加热炉加热——钢棒热态穿孔——钢管坯1冷却——检验——入库。
更具体的：1、钢棒两端头端面打导顶尖中心孔，是保证钢管穿孔机的穿孔顶尖芯头能够迅速对中，起引导作用。要求顶尖孔的顶尖角60°，顶尖角深度5-8毫米；
2、钢棒进入斜底加热炉加热（加热温度优选设置为1180~1220℃），同时通过炉底辊道的滚动输送，一边进入一边匀速滚动输送，保证钢棒整体加热和受热均匀。
3、钢棒出炉在钢管热穿孔机上进行穿孔，由实心钢棒变成为空心钢管坯。通过钢棒穿孔过程，钢管坯在热状况下，通过内外模具的滚动挤压，再次将钢管坯内部组织结构性能进行了晶粒细化的提升，提高了材料的综合机械性能。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
更具体的：
1、钢管坯1热处理：为了消除前道次热穿孔钢管坯而产生的轧制应力，恢复钢管组织性能。本次热处理采用热处理加热温度为890℃（需要说明的是，本发明在本步骤的热处理温度只需保证在所限定范围内即可，且范围内变化时对表2中的性能影响可忽略，所述范围是指：热处理温度为880-910℃）。
2、钢管坯1酸洗磷化：为了清除钢管坯1由于热处理产生的氧化皮，钢管经过硫酸酸洗清除氧化皮，硫酸质量百分浓度20%，酸洗时间15-30分钟。为了钢管坯1能够顺利轧制，钢管表面附着轧制油，将钢管坯1进行磷化处理，磷化液中含有25g/L磷酸二氢锌和85g/L硝酸锌，磷化液温度为65-70℃，磷化时间15分钟。需要说明的是，本发明中磷化工艺只需保证在所限定范围内即可，且范围内变化时对表2中的性能影响可忽略，所述范围是指：所用磷化液中含有25－45g/L磷酸二氢锌和85－95g/L硝酸锌，磷化液温度为65-80℃，磷化时间8-23分钟。
3、浸泡轧制油：为了保证钢管坯能够顺利轧制，保护钢管表面与模具表面，在两者轧制接触面之间有轧制油充分保护与冷却润滑。
4、钢管坯1冷轧制钢管坯2：为了进一步实现靠近成品钢管的尺寸和表面质量及性能，将热处理、酸洗磷化和浸泡轧制油的钢管坯在轧制机上进行冷轧制。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
更具体的：
1、钢管坯2热处理：为了消除前道次冷轧制钢管坯2而产生的轧制应力，恢复钢管组织性能，以及保护钢管坯2热处理后的钢管表面质量好，实现钢管表面无氧化皮。本次热处理采用保护气氛炉热处理工艺，加热温度910℃，热处理时间分别为40min（需要说明的是，本发明中热处理工艺只需保证在所限定范围内即可，且范围内变化时对表2中的性能影响可忽略，所述范围是指：热处理温度870-920℃，热处理时间35-50min）。然后将钢管坯依次进行脱脂、水清洗、硫酸酸洗、2次水清洗、磷化、表调、水清洗、滤干。
2、浸泡拉拔油：为了保证钢管坯能够顺利拉拔，保护钢管表面与模具表面，保证钢管充分变形，在两者拔制接触面之间有拉拔油充分保护与冷却及润滑。
3、钢管坯2冷拉拔成为成品管：为了进一步实现靠近成品钢管3的尺寸和表面质量及性能，将在保护气氛炉热处理、浸泡拉拔油的钢管坯2在拉拔机上进行冷拉拔制管，实现成品管的尺寸、表面质量和机械性能。
实施例2
一、电渣重熔：同实施例1。
二、锻造棒料的工艺：同实施例1。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
除以下具体限定条件外，其它操作方法同实施例1。
1、钢管坯1热处理加热温度880℃，
2、钢管坯1酸洗磷化：磷化液中含有30g/L磷酸二氢锌和90g/L硝酸锌，磷化液温度为75-80℃，磷化时间20分钟。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
除以下具体限定的外，其它操作步骤同实施例1：
1、钢管坯2热处理加热温度920℃，热处理时间为35mim。
实施例3
一、电渣重熔：同实施例1。
二、锻造棒料的工艺：同实施例1。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
除以下具体限定条件外，其它操作方法同实施例1。
1、钢管坯1热处理加热温度900℃，
2、钢管坯1酸洗磷化：磷化液中含有35g/L磷酸二氢锌和95g/L硝酸锌，磷化液温度为70-75℃，磷化时间20分钟。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
除以下具体限定的外，其它操作步骤同实施例1：
1、钢管坯2热处理加热温度915℃，热处理时间为40min。
实施例4
一、电渣重熔：同实施例1。
二、锻造棒料的工艺：同实施例1。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
除以下具体限定条件外，其它操作方法同实施例1。
1、钢管坯1热处理加热温度905℃，
2、钢管坯1酸洗磷化：磷化液中含有35g/L磷酸二氢锌和95g/L硝酸锌，磷化液温度为70-75℃，磷化时间20分钟。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
除以下具体限定的外，其它操作步骤同实施例1：
1、钢管坯2热处理加热温度880℃，热处理时间为50min。
实施例5
一、电渣重熔：同实施例1。
二、锻造棒料的工艺：同实施例1。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
除以下具体限定条件外，其它操作方法同实施例1。
1、钢管坯1热处理加热温度910℃，
2、钢管坯1酸洗磷化：磷化液中含有35g/L磷酸二氢锌和85g/L硝酸锌，磷化液温度为70-75℃，磷化时间20分钟。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
除以下具体限定的外，其它操作步骤同实施例1：
1、钢管坯2热处理加热温度875℃，热处理时间为50min。
实施例6
一、电渣重熔：同实施例1。
二、锻造棒料的工艺：同实施例1。
三、一道次钢管坯1冷轧工艺为：钢管坯冷轧前检验——钢管坯1热处理——钢管坯1酸洗磷化——浸泡轧制油——钢管坯1冷轧制成为钢管坯2——检验——入库。
除以下具体限定条件外，其它操作方法同实施例1。
1、钢管坯1热处理加热温度890℃，
2、钢管坯1酸洗磷化：磷化液中含有40g/L磷酸二氢锌和85g/L硝酸锌，磷化液温度为70-75℃，磷化时间10分钟。
四、二道次钢管坯2冷拔工艺：钢管坯2冷拔前检验——钢管坯2保护气氛热处理——浸泡拉拔油——钢管坯2拉拔成为钢管坯3——检验——入库。
除以下具体限定的外，其它操作步骤同实施例1：
1、钢管坯2热处理加热温度890℃，热处理时间为40min。表1 无缝钢管的化学质量成分（余量为基体Fe）, wt％
样品编号 C Si Mn P S Cr Mo V Nb Ti
Ⅰ 0.15 0.22 1.09 0.012 0.005 1.45 0.89 0.13 0.076 0.022
Ⅱ 0.14 0.22 1.10 0.014 0.003 1.46 0.85 0.14 0.070 0.020
Ⅲ 0.15 0.23 0.98 0.013 0.004 1.42 0.87 0.12 0.073 0.024
Ⅳ 0.17 0.21 1.08 0.014 0.002 1.40 0.87 0.21 0.069 0.020
Ⅴ 0.15 0.24 1.06 0.012 0.005 1.43 0.88 0.14 0.049 0.022
Ⅵ 0.13 0.25 1.07 0.014 0.008 1.39 0.91 0.15 0.070 0.015
表2 无缝钢管的性能测试
样品编号 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断裂伸长率/% 成材率/% 晶粒度/级 扩口率/%
Ⅰ 500 615 36 92.5 9 34
Ⅱ 495 620 36 92.8 9 36
Ⅲ 510 630 37 92.9 9 37
Ⅳ 437 588 35 92.6 8 35
Ⅴ 450 585 32 92.6 8.5 34
Ⅵ 443 578 35 92.4 8.5 35
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高强高韧性无缝钢管的制备方法，为航空航天用钢，其特征在于：无缝钢管的化学成分包括：C 0.12-0.18wt％，Si 0.20-0.30wt％，Mn 0.80-1.10wt％，P ≤0.015wt％，S≤0.010wt％，Cr 1.25-1.50wt％，Mo 0.80-1.00wt％，V 0.1-0.14wt％，Nb 0.06-0.08wt％，Ti 0.020-0.025 wt％， 余量为基体Fe；
包括如下步骤：
（1）电渣重熔获得均匀致密的钢锭；
（2）棒料锻造，步骤（1）获得的钢锭进入加热炉加热，每隔10-15分钟进行翻料，保证受热均匀，加热温度为1100-1280℃，然后进行锻造，开始锻造温度1275-1280℃，终止锻造温度900±5℃；
（3）多道次热轧穿孔，得钢管坯；
（4）一道次钢管坯冷轧，首先对钢管坯进行热处理，热处理温度为880-910℃；然后进行酸洗清除氧化铁皮，再进行磷化处理，所用磷化液中含有25－45g/L磷酸二氢锌和85－95g/L硝酸锌，磷化液温度为65-80℃，磷化时间8-23分钟；然后将磷化后的钢管坯浸泡轧制油，最后冷轧制；
（5）二道次钢管坯冷拔，首先将冷轧制后的钢管坯于保护气氛中热处理，热处理温度870-920℃，热处理时间35-50min；然后将钢管坯依次进行脱脂、水清洗、硫酸酸洗、2次水清洗、磷化、表调、水清洗、滤干、浸入拉拔油，最后冷拉拔，获得高强高韧性无缝钢管。
2.根据权利要求1所述的高强高韧性无缝钢管的制备方法，其特征在于：步骤（3）热轧穿孔方法包括：钢棒两端头端面打引导顶尖中心孔，然后送入斜底加热炉加热，加热温度为1180~1220℃，同时通过炉底辊道的滚动输送，一边进入一边匀速滚动输送，保证钢棒整体加热和受热均匀；钢棒出炉后在钢管热穿孔机上进行穿孔，由实心钢棒变成为空心的钢管坯。
3.根据权利要求1所述的高强高韧性无缝钢管的制备方法，其特征在于：步骤（4）中酸洗用硫酸质量百分浓度为20%，酸洗时间为15-30分钟。
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