CN117363970A - 一种油缸用管材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有高强度、低屈强比、低残余应力的油缸用管材，其特征在于，以质量百分比计，其组成为：C：0.25‑0.33％，Si：0.15‑0.55％，Mn：0.5‑1.1％，Cr：0.1‑0.5％，Mo：0.1‑0.35％，V：0.05‑0.15％，Ti：0.015‑0.05％，B：0.0015‑0.005％，Al：0.01‑0.05％，Ca：0.0005‑0.005％；余量为Fe和不可避免的杂质，所述油缸用管材的碳当量为0.45‑0.65，屈强比在0.93以下。本发明还提供该油缸用管材的制造方法。

Description

一种油缸用管材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种管材及其制造方法，具体地，涉及一种尤其适用于油缸、屈服强度在900-1030MPa范围的管材及其制造方法。
背景技术
目前工程机械轻量化要求越来越高，其对油缸管的强度提出了越来越高的要求，但通过强化C等有助于钢强度的元素而使强度提升，会导致管材碳当量上升，焊接性能下降，同时由于强度提升，导致油缸管存在的残余应力增大，导致管材在机加工后存在尺寸变化，油缸发生漏油。
钢的晶粒大小对其性能有直接影响，细晶强化是唯一一种能同时提高钢的强度和韧性的强化机制。一般而言，通过吹风、喷水等手段加快热态钢管(奥氏体状态)的冷却速度，会增大奥氏体的过冷度，促进铁素体形核，对晶粒细化和强度提升是有帮助的。
在线加速冷却虽然可以使得可用于制造油缸管的无缝钢管获得更细的晶粒和更好的性能，但冷速过快会引起贝氏体乃至马氏体相变，在明显提升强度的同时，也往往会引起材料性能的巨大变化，如韧性、延伸率下降，屈强比上升等，并不一定适应使用需求。尤其是，细化晶粒会使屈服比上升，对于油缸管这类的厚度超过15mm的管材而言，往往难以兼顾高韧性和低屈服比要求。另一方面，无缝钢管由于其断面的特殊性，内应力水平要高于板材等产品，强制冷却速度过快容易引发开裂等问题。
目前降低或消除残余应力常规手段有高温去应力退火及机械物理方法，但此类工艺方法成本高，且增加了生产流程。
中国专利CN201810365440.5公开了“调质无缝钢管残余应力的消除方法及采用的双向链式冷床”，通过控制轧后调质前钢管直度以及调质后冷床双向链来消除残余应力，省去调质去应力退火工序，达到降本目的。
中国专利CN201420805596.8公开了“非对称的钢管矫直辊”，设计了一种特殊的矫直辊，通过控制矫直过程中钢管受力，用于消除钢管的残余应力和氧化皮。
中国专利CN200910210718.2公开了“一种输送钢管残余应力水平的控制方法”，该专利中推导出了一个公式，通过测量钢管的弹复量和公式比较，从而得到钢管的残余应力水平，是一种测量表征残余应力水平的方法。
然而，现有的钢管产品尚无法令人满意，本领域期望有一种强度高、残余应力和屈强比低、使用寿命及安全性良好的油缸管产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、低屈强比、低残余应力的油缸用管材。
本发明的目的还在于提供该油缸用管材的制造方法。
为了实现上述目的，本发明者进行了深入的研究，结果发现，通过合理成分设计、轧后在线控冷及特殊的调质热处理工艺处理，可以获得高强度、低屈强比、低残余应力的油缸用管材。
本发明的油缸用管材的化学组成(以重量计)为，C：0.25-0.33％、Si：0.15-0.55％、Mn：0.5-1.1％、Cr：0.1-0.5％、Mo：0.1-0.35％、V：0.05-0.15％、Ti：0.015-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述油缸用管材的屈强比在0.93以下。
本发明的油缸用管材的制造方法包括以下步骤：
(1)将具有上述化学组成的原料进行冶炼：
其中，控制碳当量调整在0.45-0.65的范围内；
(2)将冶炼后的钢水通过连铸法制成板材或钢坯，然后热加工制成圆管坯，经环炉加热、穿孔、连轧、张力减径或定径，制成无缝钢管；
(3)对无缝钢管进行在线快速冷却处理和调质热处理。
在所述在线快速冷却处理中，优选通过外壁喷水冷却进行在线控制冷却。
另外，所述在线冷却控制中，优选将冷却前的管体温度控制在Ar3+120℃以上，平均冷却速度为20-40℃/s，冷却后温度在550℃-650℃的范围内，然后空气冷却至室温。
所述调质热处理中，优选对管体内壁进行内喷水冷却。
另外，所述调质热处理中，优选将冷却至室温的管体进行淬火加热，然后对管体外壁喷水冷却，冷却35-40S后，开启内壁冷却，充分冷却后进行回火处理。
优选地，淬火加热温度为850-900℃，到温后保温时间20-40min；回火热处理温度为500-550℃，保温时间为20-30min。
根据本发明，可得到屈服强度为900-1030MPa、抗拉强度在1000MPa以上、屈强比在0.93以下、同时具备良好的焊接性能和较低的残余应力的油缸用管材。
优选地，所述油缸用管材的冲击韧性(0度KU2)在40J以上。
具体实施方式
本发明中，采用中高碳、低Mn、Cr-Mo含微合金及Ti-B成分设计，控制钢种碳当量在0.45-0.65范围之间，利用钢管热轧后的余热，对在线冷却工艺进行控制，在不发生贝氏体或马氏体等非平衡态相变的前提下，有效细化晶粒，降低残余应力，提高钢管韧性，从而获得具备良好的焊接性能、屈服强度在900-1030MPa范围内、屈强比(即，屈服强度与拉伸强度之比)≤0.93且残余应力在-100MPa至50MPa的范围内的油缸用管材。
本发明中，所述油缸用管材的屈强比优选为0.85以上，更优选0.89以上。
本发明中，所述油缸用管材的冲击韧性(0度KU2)在40J以上，优选50J以上，更优选60J以上，特别优选70J以上。
本发明中，通过冶炼及管坯连铸将具有本发明的化学组成的钢材制成圆管坯后，再通过连轧制成油缸管后，进行了在线控冷工艺处理。其中，调质热处理时，水淬优先从外壁冷却，冷却35-40S后，开启内壁冷却，以确保外壁冷却时冷却效果不佳的位置通过内壁的冷却得到充分的冷却。
通过本发明的利用轧管后余热进行快速冷却的技术，可细化轧态组织，从而进一步细化调质热处理后组织，确保良好的强韧搭配。同时，通过此工艺生产的无缝管可将其残余应力降低至-100MPa≤残余应力≤50MPa的范围内。
由此，本发明者开发出了一种屈服强度在900-1030MPa范围内，抗拉强度≥1000MPa，屈强比≤0.93，同时具备良好的焊接性能和较低的残余应力的油缸用管材。
下面就本发明的油缸用管材及其制造方法进行说明。
本发明中，除非另有说明，所述化学成分含量百分比均以质量计。
本发明的油缸用管材包含如下化学成分：
C：0.25-0.33％，
Si：0.15-0.55％，
Mn：0.5-1.1％，
Cr：0.1-0.5％，
Mo：0.1-0.35％，
V：0.05-0.15％，
Ti：0.015-0.05％，
B：0.0015-0.005％，
Al：0.01-0.05％，
Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明中，所述油缸用管材以下式表示的碳当量控制在0.45-0.65范围内。
碳当量＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
视需要，在本发明的油缸用管材中亦可添加Nb、W、Cu、Ni等元素。
C：C是确保强度和淬透性的基本元素，同时C含量是影响碳当量及焊接性能最大的元素，同时碳通过控制析出强化比例，拉大了铁素体基体屈服和最终抗拉强度的差异，从而降低屈强比，C含量过高会导致管体在调质后内壁发生开裂，综合考虑，本发明中，优选控制C含量范围在0.25-0.33％之间。
Si：Si在钢种作为脱氧剂，Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，太高会使加工和韧性恶化，本发明中，Si含量控制在0.15-0.55％的范围内。
Mn：Mn元素为脱氧脱硫剂。同时，Mn对淬透性和强韧性水平有较大影响，Mn含量在0.5％以上有较好效果，但过多的Mn使碳当量过高，降低钢焊接热影响区的韧性，而且会导致连续铸造时产生中心偏析，恶化母材的冲击韧性。另外，Mn在本钢种中对淬透性的影响小于Cr元素，所以，本发明中，Mn含量在0.5-1.1％范围内较为合适。
Cr：在本钢种中，Cr可以增加钢的强度和淬透性，与Mo元素配合时效果更佳。然而，Cr含量过高，会明显提升碳当量，导致焊接开裂敏感性增大，降低焊接热影响区的韧性。本发明中，Cr含量宜在0.1-0.5％之间。
Mo：Mo是本发明的管材中的重要元素之一，主要用来提高钢的淬透性。其与Cr复合作用，提升淬透性效果更佳，可确保管体壁厚方向的组织及性能的稳定性。尤其是，适量的Mo可以在在线控冷过程中会起到很好的组织细化效果，对于后续的管体的强韧性(强度、韧性)的提升会起到很好的帮助。然而，过量的Mo不仅会导致碳当量过高，而且合金成本升高。因此，本发明中，Mo元素含量宜在Mo：0.1-0.35％范围内。
V：V通过析出碳化物，能够大幅提高钢的强度。然而，当V的添加量达到一定程度时，其增强效果并不明显，并且V是比较昂贵的合金元素，且会提高碳当量，因此，对于本发明来说，合适的V元素的含量范围为0.05-0.15％。
Ti：Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化高温状态奥氏体晶粒，在快速冷却过程中，Ti的碳氮化物作为形核点促进细化快冷组织，进而细化最终调质态组织，同时防止焊接过程中热影响区的组织粗化。其对强度也有一定贡献，弥补了因碳降低而引起的强度的下降，若含量高于0.05％，易形成粗大的TiN，降低材料韧性；同时Ti有固定N的作用，可确保B元素提高淬透性的效果。在本发明中，合适的Ti元素的含量范围为0.015％-0.05％。
B：B元素为经济的、可显著提高淬透性的元素，其与Ti元素复合添加。在本发明中，B元素的含量宜控制在0.0015-0.005％的范围内。
Al：Al与Si一样，可用作脱氧剂。钢种中加入0.01％以上的Al可细化晶粒，提高冲击韧性，但Al含量超过0.05％，则容易产生Al的氧化物夹杂缺陷。本发明中，Al含量范围宜为0.01-0.05％。
Ca：可以净化钢液，促使MnS球化，提高冲击韧性，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物。本发明中，Ca含量宜在0.0005-0.005％的范围内。
Nb：Nb是可任意添加的元素，在管材中作为未固溶的碳化物存在，对晶粒细化有效，有助于提高管材强度和韧性。但过量添加会导致Nb碳化物析出，降低管材的低温冲击功和扩管性能。因此，视需要添加时，其量优选在0.005～0.03％范围内。
W：W是可与前述Mo互换的元素，可含有上述两者或其中一方。这些元素过量添加，其效果会饱和。优选W元素和前述Mo元素的合计含量在上述0.1-0.35％的范围内。
Cu：Cu是使奥氏体相稳定的元素，可视需要添加。但若添加过量，则会在热加工时引起Cu脆性，显著降低钢在高温时的延展性。因此，Cu含量宜控制在0.7％以下。
Ni：钢中加Ni尤其是在调质钢中加Ni能大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，特别是在钢中加入了Cu时，为了防止加热或轧制时的热裂倾向，需加入一定量的Ni。但若添加过量，则熔体化时会促进碳化物残留，反而会导致管材韧性下降。因此，Ni添加量宜在0.04％以下。
本发明的油缸用管材的制造方法包括以下步骤(1)-(3)：
(1)冶炼及管坯连铸
将具有以下元素组成(以质量百分比计)的原料进行冶炼：
C：0.25-0.33％，
Si：0.15-0.55％，
Mn：0.5-1.1％，
Cr：0.1-0.5％，
Mo：0.1-0.35％，
V：0.05-0.15％，
Ti：0.015-0.05％，
B：0.0015-0.005％，
Al：0.01-0.05％，
Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，将以下式表示的碳当量调整在0.45-0.65的范围内，
碳当量＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
然后，将冶炼后的钢水通过连铸法制成连铸件(例如，板材或钢坯)，然后通过例如曼内斯曼法等热加工制成圆管坯。
冶炼后的钢水也可以直接浇注为圆管坯，或先浇注，再将其铸坯锻造或轧制成圆管坯。
视需要，成分中亦可添加Nb、W、Cu、Ni等元素。
(2)将在上述步骤(1)中得到的圆管坯，通过常规方法，例如经环炉加热、穿孔、连轧、张力减径或定径，制成无缝钢管。
(3)对在步骤(2)得到的无缝钢管进行在线控冷和调质热处理。
(i)在线快速冷却处理
为进一步细化轧制组织，从而利用组织遗传特性，细化最终调质热处理组织，采用定径后的快速冷却技术，有效利用了轧管余热。定径过程中的热变形使管体存在较多的位错，快冷冷却至一定温度后有效的保留了这些位错，而这些位错可以成为相变和析出相的形核点，另外快冷增大了相变过冷度，从而增大相变驱动力，两方面导致轧态组织明显细化。快冷冷却工艺如下：冷却前温度≥Ar3+120℃(Ar3:冷却时铁素体转变的开始温度)，采用外壁喷水方式进行冷却，平均冷速20-40℃/s，550℃≤冷却后温度≤650℃，然后进行空气冷却，冷却至室温，然后进行调质热处理。另外，在线控冷，通过外壁喷水冷却，在外壁形成了硬化层，增加了外壁变形抗力，保证了管体在后续冷却过程中较难发生弯曲变形，保证了管体的直度水平，同时降低了整管的残余应力水平，由于表面为硬化层，产生了压应力，增大了管体对外表类缺陷的容错性。
(ii)调质热处理
在线快速冷却处理后，自然冷却至室温，然后进淬火炉进行加热，加热温度850-900℃，到温后保温时间20-40min，本发明在淬火之后采用水冷方式进行冷却，冷却时钢管旋转，对钢管外壁采用外淋水进行喷水冷却，冷却35-40S后，开启内壁冷却，以保证外壁冷却时冷却效果不佳的位置通过内壁的冷却得到充分的冷却，此处喷水的流量密度为3000-3500m3/(h*mm2)，水的压力为0.5MPa。
由于外淋水对整个钢管长度同时进行冷却，冷却时钢管进行旋转冷却均匀性较好，增加钢管刚度，其较好的冷却均匀性保证了钢管较好的直度水平，避免了后续由于管子弯曲，矫直变形带来的较大残余应力。相比外壁外淋+内壁轴流同时冷却方式可获取更好的直度水平。
钢管的残余应力与冷却过程中的相变和热应力密切相关，通过此种冷却方式，在壁厚方向获得了相变和热应力的梯度分布，水冷后外壁由于热胀冷缩产生压应力，相变应力为拉应力，两者之和在0-200MPa范围内，壁厚中心位置热应力为拉应力，相变应力为压应力，两者之和为负值，内壁热应力和相变应力均为正值，因此内壁存在一定的开裂风险，冷却后需尽快进行回火处理。
回火热处理温度500-550℃，保温时间20-30min，回火后管体壁厚方向残余应力有所减小，但梯度分布趋势不发生变化，回火后整体管体的残余应力水平：-100MPa≤残余应力≤50MPa。
组织特征
通过此种冷却方式，配合上钢种成分，在外壁、中心均为回火索氏体组织，距内壁1-2mm位置存在少量的铁素体组织，这是由于仅外壁冷却时，内壁温度下降到了Ar3以下，析出了部分铁素体，此时内壁喷水后，剩余奥氏体转变成了马氏体组织，回火过程中转变了回火索氏体+铁素体组织。
实施例
以下，通过实施例和对比例对本发明进行举例说明，但本发明并不受限于这些实施例。
实施例1-13、对比例1-3
通过以下所示方法制造实施例1-13和对比例1-3的油缸用管材。
将按表1配比(表1中碳和合金之外，余量为Fe和不可避免的杂质)冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，所得连铸件加热至1200℃并保持2小时后，轧制成钢板。再将钢板热加工，制成圆管坯，然后进行穿孔、连轧、定径,制成无缝钢管。接着，利用轧管余热，按下表2所示条件采用外壁喷水方式进行快速冷却。然后空气冷却至室温，再进行调质热处理。由此得到实施例和比较例的油缸管试样。
按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB/T 229-1984金属夏比(U型缺口)冲击试验方法测定上述油缸用管材的屈服强度、抗拉强度、屈强比、冲击韧性(0度KU2)等力学性能。其中，屈服强度是将无缝钢管加工成API弧形试样，按API标准检验后取平均数得出。冲击试样是将无缝钢管加工成10mm*10mm*55mm尺寸、U型缺口的标准冲击试样，在0℃下检验得出。
采用目视检验或磁粉/超声无损检测来检验钢管体内壁是否有开裂。
残余应力按照GB/T241792009(金属材料残余应力测定压痕应变法)测定。
焊接性能按照GB/T4675.1-1984(焊接性试验-斜Y形坡口焊接裂纹试验方法)测定。
性能测定结果一并示于表2中。
表1油缸用管材的元素组成
C Si Mn Cr Mo V Ti B Al Ca 碳当量
实施例1 0.25 0.16 1.1 0.2 0.1 0.06 0.025 0.0015 0.015 0.0006 0.51
实施例2 0.27 0.25 1 0.15 0.15 0.07 0.015 0.002 0.025 0.002 0.51
实施例3 0.29 0.35 0.6 0.35 0.2 0.12 0.02 0.003 0.035 0.0015 0.524
实施例4 0.3 0.5 0.5 0.45 0.16 0.1 0.02 0.0025 0.03 0.003 0.53
实施例5 0.31 0.45 0.7 0.5 0.30 0.14 0.015 0.003 0.025 0.004 0.61
实施例6 0.33 0.3 0.8 0.35 0.12 0.09 0.045 0.0045 0.045 0.003 0.58
实施例7 0.31 0.28 0.9 0.2 0.13 0.08 0.048 0.0025 0.025 0.0009 0.54
实施例8 0.29 0.32 1 0.25 0.14 0.07 0.035 0.0025 0.03 0.001 0.55
实施例9 0.32 0.31 0.5 1 0.3 0.095 0.04 0.0025 0.035 0.0015 0.68
实施例10 0.28 0.27 0.9 0.4 0.18 0.095 0.03 0.002 0.025 0.0025 0.57
实施例11 0.29 0.3 0.6 0.25 0.17 0.095 0.04 0.003 0.025 0.002 0.49
实施例12 0.27 0.32 0.7 0.25 0.15 0.09 0.05 0.0025 0.025 0.002 0.48
实施例13 0.29 0.32 1 0.15 0.12 0.08 0.025 25 0.03 0.0015 0.53
对比例1 0.35 0.25 0.6 0.2 0.15 0.075 0.025 0.003 0.03 0.002 0.54
对比例2 0.22 0.26 0.9 0.3 0.16 0.085 0.03 0.003 0.02 0.001 0.48
对比例3 0.32 0.31 0.5 1 0.3 0.095 0.04 0.0025 0.035 0.0015 0.68
注：余量为Fe和不可避免的杂质
表2在线快速热处理、调质工艺条件及油缸用管材性能评价结果
在表1和表2中，比较例1和2显示，钢种中C含量过高，则所制得的管体内壁会开裂，而若过低，则难以得到所需屈强比。此外，比较例3显示，钢种的碳当量过高，则管材的焊接性能低下。

Claims (10)

1.一种油缸用管材，其特征在于，以质量百分比计，其组成为：
C：0.25-0.33％，Si：0.15-0.55％，Mn：0.5-1.1％，Cr：0.1-0.5％，Mo：0.1-0.35％，V：0.05-0.15％，Ti：0.015-0.05％，B：0.0015-0.005％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，
所述油缸用管材的碳当量为0.45-0.65，屈强比在0.93以下。
2.根据权利要求1所述油缸用管材，其特征在于，所述油缸用管材的回火后整体管体的残余应力为-100MPa～50MPa。
3.根据权利要求1所述的油缸用管材，其特征在于，所述油缸用管材的屈服强度为900-1030MPa，抗拉强度在1000MPa以上。
4.根据权利要求1或2所述的油缸用管材，其特征在于，所述油缸用管材的在0度的冲击功KU2在40J以上。
5.权利要求1至4中任一项所述的油缸用管材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将具有以重量百分比计的以下元素组成分的原料进行冶炼：
C：0.25-0.33％，
Si：0.15-0.55％，
Mn：0.5-1.1％，
Cr：0.1-0.5％，
Mo：0.1-0.35％，
V：0.05-0.15％，
Ti：0.015-0.05％，
B：0.0015-0.005％，
Al：0.01-0.05％，
Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，
其中，控制碳当量调整在0.45-0.65的范围内；
(2)将冶炼后的钢水通过连铸法制成板材或钢坯，然后热加工制成圆管坯，经环炉加热、穿孔、连轧、张力减径或定径，制成无缝钢管；
(3)对无缝钢管进行在线快速冷却处理和调质热处理。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述在线快速冷却处理中，通过外壁喷水冷却进行在线控制冷却。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述在线冷却控制中，将冷却前的管体温度控制在Ar3+120℃以上，平均冷却速度为20-40℃/s，冷却后温度在550℃-650℃的范围内，然后空气冷却至室温。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述调质热处理中，对管体内壁进行内喷水冷却。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述调质热处理中，将冷却至室温的管体进行淬火加热，然后对管体外壁喷水冷却，冷却35-40S后，开启内壁冷却，充分冷却后进行回火处理。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，淬火加热温度为850-900℃，到温后保温时间20-40min；回火热处理温度为500-550℃，保温时间为20-30min。
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