CN1240867C - 非调质无缝钢管 - Google Patents
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Abstract
一种非调质无缝钢管，其特征在于：是以贝氏体为主体的组织，按重量%，含有C：0.10%～低于0.20%、Si：0.05%～1.0%、Mn：0.5%～2.5%、P：0.03%以下、S：0.05%以下、Cr：0.5%～1.5%、V：0.03%～0.3%、Al：0.003%～0.10%、N：0.001%～0.02%、O：0.003%以下，余量由Fe及杂质构成，且按下式定义的碳当量Cep.(%)为0.60%～0.85%，Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机械结构等的非调质无缝钢管，具体涉及一种能够以热轧管状态直接使用的、具有高强度及高韧性并且焊接性优良的非调质无缝钢管。
背景技术
以往，用于高强度下要求韧性的用途的非调质无缝钢管，按以下制造。即，首先，由钢坯，经过热加工的穿孔工序及轧制工序，制造非调质无缝钢管。然后，通过对该钢管进行淬火、回火，形成赋予规定强度水平及韧性的制品。
在上述无缝钢管的制造中，由于在制管后需要热处理工序，所以成本高，而且交货期长。为克服如此的问题，强烈要求不进行热处理，即不用调质也能具有高强度高韧性的无缝钢管。
不用调质也能具有高强度高韧性的无缝钢管，例如，已在特开平05-202447号公报、特开平09-25541号公报、特开平10-130783号公报、特开平10-204571号公报、特开平10-324946号公报、特开平11-36017、特开2000-328192号公报、特开2001-323338号公报、特开2001-247931号公报、特开2001-262275号公报等中公开。
特开平05-202447号公报、特开平09-25541号公报、特开平10-130783号公报、特开平10-204571号公报、特开平10-324946号公报、特开平11-36017及特开2000-328192号公报，为了在非调质的情况下兼顾高强度和韧性，都公开了成分调整或热加工的制管方法。此外，在这些公报中公开的技术中，共同处是添加0.2％以上的碳(C)，形成中碳钢系的成分设计。在上述以往的技术中，由于含有0.2％以上的碳，相对于强度级别，韧性不足。特别是在焊接部，经淬火硬化后，或降低韧性，或引起焊接裂纹。
特开2001-323338号公报，公开了以大范围的碳添加量的钢为对象，兼顾热加工性、切削性及韧性的钢管。但是，可以指出，在该公报公开的钢管中，由于未添加钒(V)，不能确保充分的强度。
特开2001-247931号公报及特开2001-262275号公报，公开了以宽范围的碳添加量的钢为对象，通过规定热轧时的制管温度，控制金属组织，确保强度、韧性的技术或热加工性的技术。但是，可以指出，为了实施在上述两公报中提出的低温制管，在以往的设备中，马达功率不足，需要进行设备改造。此外，为了在经过一度冷却后，通过再加热进行制管，存在需要再加热炉等设备的问题。
另外，在特开2001-247931号公报中，在权利要求的范围，虽规定宽范围的碳添加量，但在实施例中，碳添加量也达到0.2％以上。
发明内容
本发明的目的是提供一种非调质无缝钢管，能够非调质地兼顾高强度和高韧性，并能够确保良好的焊接性。具体的目标是，即使不严格规定途中的制管加工度或制管温度，也能够兼顾高强度和韧性，能够防止焊接部的裂纹或韧性的降低。
本发明者发现，要达到上述目的，以下措施是有效的。
(1)降低碳含有量。此外，为补充伴随碳含有量降低的强度，复合添加锰(Mn)、铬(Cr)和钒(V)。由此，能够得到高强度，并且包括焊接部也能够得到良好的韧性。
(2)在降低碳含有量的基础上，将碳当量(Ceq.)调整到规定的范围。
关于非调质的金属组织，标准的是铁素体·珠光体钢，但是，判明，如果为了适应高强度化的要求而进行高碳化，会降低韧性。为此，本发明者，为了降低碳含有量，补充强度，复合添加了Mn、Cr、V。由此，得到的非调质钢的金属组织，形成贝氏体为主体的组织，能够确保高强度和高韧性。另外，所谓的“贝氏体为主体的组织”，当然是包括100％存在贝氏体的组织，但也可以是在贝氏体和铁素体的混合组织中，含有50体积％以下铁素体的组织。
本发明的构架如下。
(1)抑制碳含有量低于0.2％。
(2)复合添加锰(Mn)、铬(Cr)和钒(V)。
(3)金属组织形成贝氏体为主体的组织，其中，作为能够兼顾高强度和高韧性，按下式规定的碳当量Cep.(％)满足在0.60以上0.85以下。
Cep.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
为了确保强度，Ceq.(％)在0.60～0.85的范围就可以，作为满足该范围的方法，可以调整各种合金元素的添加量。本发明者发现，其中，特别是关于Mn、Cr及V，如果同时复合添加，能够达到强度和韧性的良好平衡。即，在相同碳含有量时，与通过只添加Mn和Cr达到目标碳当量Ceq.时相比，通过在降低Mn和Cr的添加量的同时添加V来达到目标碳当量Ceq.时，能够得到良好的韧性。所以，关于Mn、Cr及V，重要的是要复合添加。
根据以上观点，按照本发明的非调质无缝钢管，其特征在于：是以贝氏体为主体的组织，按重量％，含有C：0.10％～0.20％(低于)、Si：0.05％～1.0％、Mn：0.5％～2.5％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Cr：0.5％～1.5％、V：0.03％～0.3％、Al：0.003％～0.10％、N：0.001％～0.02％、O：0.003％以下，余量由Fe及杂质构成，按下式定义的碳当量Cep.(％)为0.60％～0.85％。
Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
也可以将部分Fe置换成从Ni：0.05％～1.5％、Mo：0.05％～1.5％、Cu：0.05％～1.5％、B：0.0003％～0.01％中选择的1种或2种以上。
或，也可以将部分Fe置换成从Ti：0.005％～0.2％、Nb：0.005％～0.2％中选择的1种或2种。
此外，也可以将部分Fe置换成从Ni：0.05％～1.5％、Mo：0.05％～1.5％、Cu：0.05％～1.5％、B：0.0003％～0.01％中选择的1种或2种以上，及从Ti：0.005％～0.2％、Nb：0.005％～0.2％中选择的1种或2种。
以下说明上述限定的理由。
C：0.10％～0.20％(低于)
C是增加强度的元素，但也是降低焊接性的元素。因此，要在高强度水平确保韧性及焊接性，需要将C含有量控制在低于0.20％。如果从韧性及焊接性方面考虑，C含有量越低越好，但是，如果低于0.10％，很难保证强度。基于上述理由，将C含有量限定在0.10％～0.20％(低于)。从确保最佳的强度-韧性平衡的角度考虑，优选将C含有量控制在0.13％～0.17％的范围。
Si：0.05％～1.0％
Si具有作为脱氧剂同时提高强度的作用。但是，如果低于0.05％，得不到其效果，相反如果超过1.0％，降低韧性。基于上述理由，将Si含有量限定在0.05％～1.0％的范围。从确保最佳的强度-韧性平衡的角度考虑，优选将Si含有量控制在0.1％～0.4％的范围。
Mn：0.5％～2.5％
Mn，是在降低了C的钢中，通过与Cr、V一并复合添加，能在不降低韧性的情况下增加强度的元素。另外，如果超过2.5％，降低焊接性及韧性。基于上述理由，将Mn含有量限定在0.5％～2.5％的范围内。从确保最佳的强度-韧性平衡的角度考虑，优选将Mn含有量控制在1.5％～2.0％的范围。
P：0.03％以下
P，是在凝固时浓化在最终凝固位置附近，并且在晶界偏析，降低热加工性或韧性的杂质元素。因此，优选尽量降低其含有量。但由于能够允许到0.03％，所以将P的含有量设定在0.03％以下。但是，为进一步确保高韧性，优选在0.02％以下，更优选在0.01％以下。
S：0.05％以下
S与P同样，是在凝固时，在晶界偏析，降低热加工性或韧性的杂质元素。因此，优选尽量降低其含有量。但由于能够允许到0.05％，所以将P的含有量设定在0.05％以下。但是，如果过分降低，由于降低切削性，所以，在重视切削性时的S的下限值优选设定在0.01％。另外，在与切削性相比更重视韧性时，S含有量优选在0.02％以下，更优选在0.01％以下。
Cr：0.5％～1.5％
Cr，是在降低了C的钢中，通过与Cr、V一并复合添加，能在不降低韧性的情况下增加强度的元素。为确保规定的强度，需要0.5％以上的含有量。另外，如果超过1.5％，降低焊接性及韧性。基于上述理由，将Cr含有量限定在0.5％～1.5％的范围。从确保最佳的强度-韧性平衡的角度考虑，优选将Cr含有量控制在0.9％～1.4％的范围。
V：0.03％～0.3％
由于V析出微细的钒碳化物，增加强度，所以才添加V。如果与Cr、V一并复合添加，能够在高强度的同时抑制降低韧性。要得到此效果，需要添加0.03％以上。另外，如果超过0.3％，由于降低韧性，所以，将V含有量限定在0.03％～0.3％的范围内。从确保最佳的强度-韧性平衡的角度考虑，优选将V含有量控制在0.05％～0.15％的范围。
Al：0.003％～0.10％
Al具有作为脱氧剂的作用。要得到该效果，需要0.003％以上的含有量。如果超过0.10％，增加氧化铝系夹杂物，易产生表面缺陷。基于上述理由，将Al含有量限定在0.003％～0.10％的范围。另外，为确保稳定的表面质量，优选0.003％～0.05％的范围。
N：0.001％～0.02％
N与Al、Ti共存，可使结晶粒微细化，具有提高韧性的作用。但是，如果低于0.001％，其效果小，如果超过0.02％，反而降低韧性。基于上述理由，将N含有量限定在0.001％～0.02％的范围。
O：0.003％以下
O如果超过0.003％，降低韧性及疲劳强度。因此，将O含有量设定在0.003％以下。
从Ni：0.05％～1.5％、Mo：0.05％～1.5％、Cu：0.05％～1.5％、B：0.0003％～0.01％中选择的1种或2种以上
Ni、Mo、Cu、B，都是提高回火性增加钢强度的元素，根据需要，可以添加1种或2种以上。在添加时，对于Ni、Mo、Cu在0.05％以上，对于B在0.0003％以上，可发挥效果。另外，对于Ni、Mo、Cu，如果添加超过1.5％，Ni提高强度的效果饱和，同时也增加成本，Mo降低焊接性、韧性，Cu降低热加工性能。因此，Ni、Mo、Cu的上限值分别设定在1.5％。B如果添加超过0.01％，由于降低韧性，所以将0.01％作为上限。
从Ti：0.005％～0.2％、Nb：0.005％～0.2％中选择的1种或2种以上
Ti、Nb，都是形成碳化物，使组织微细化，从而提高韧性，同时通过在基体中析出增加强度，有助于高强度化的元素。因此，根据需要，可以添加上述中的1种或2种。另外，如果添加超过0.2％，降低韧性。基于上述理由，将其范围都限定在0.005％～0.2％的范围。
碳当量Cep.(％)：0.60％～0.85％。
Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
合金元素，分别按质量％定义。除上述的成分组成的限定外，从保证良好的强度、韧性和焊接性的角度考虑，优选将Ceq.限定在0.60％～0.85％的范围。如果Ceq.低于0.60％，不能确保强度，如果Ceq.超过0.85％，降低韧性，同时容易产生焊接裂纹。另外，从高强度的角度考虑，优选0.60％～0.85％，更优选0.70％～0.85％。
余量为Fe及杂质。
在杂质中，以0.01％作为上限，可以分别含有Ca、Mg、REM(稀土类金属)。这些元素对强度、韧性及焊接性无大的影响，但在铸造时，特别是在铸成圆钢锭时，有时也添加，以防止堵塞中间罐的喷嘴。这些元素的含有量如果超过0.01％，表面性状恶化，降低成品率。所以，作为杂质，也可以按上限分别含有0.01％。
按照本发明的无缝钢管，可以按以下制造。即，用转炉、电炉或真空熔炼炉熔炼上述组成的钢，采用连铸法或铸块法凝固。将该凝固物直接或分块形成钢管坯料，在经过通常的无缝钢管的制造工序，形成钢管后，通过空气冷却得到无缝钢管。
热轧后的冷却，优选利用自然放冷的空气冷却，但也可以实施鼓风(一边覆盖用风挡罩，一边冷却)等的暖冷却或风冷(一边送一些风，一边冷却)。
具体实施方式
熔炼表1所示的化学组成的钢，铸成锭后，经锻造制成钢坯，将上述钢坯加热到1250℃，用曼内斯曼芯棒式无缝钢管轧机造管，形成外径150mm×壁厚24.2mm的无缝钢管。在轧制后，空气冷却上述钢管。以造管本身状态，调查了上述钢管的机械性能(抗拉特性、采用夏氏试验的冲击特性)及焊接裂纹。
另外，焊接裂纹性，按照JIS Z 3158“Y形焊接裂纹试验”，采用入热20kJ/cm的涂药电焊法进行焊接，调查有无裂纹。上述试验结果也对照地示于表1。在表1中，TS(MPa)表示强度。此外，2uE20(J)，作为韧性指标，表示基于JIS Z2202及JIS Z 2242的夏氏破断能值，与采用相对于2mm的U缺口试验片的20℃试验的夏氏破断能量值(J)对应。
表1
| 试样序号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | V | Al | N | O | Ni | Mo | Cu | B | Ti | Nb | Ceq.(％) | Ts(MPa) | 2uE20(J) | 行无裂纹 | |
| 发明例 | 1 | 0.15 | 0.19 | 1.80 | 0.015 | 0.020 | 1.20 | 0.10 | 0.019 | 0.0011 | 0.0020 | 0.71 | 843 | 54 | ○ | ||||||
| 2 | 0.15 | 0.35 | 1.71 | 0.011 | 0.012 | 1.31 | 0.14 | 0.016 | 0.0061 | 0.0019 | 0.73 | 878 | 68 | ○ | |||||||
| 3 | 0.17 | 0.29 | 1.65 | 0.013 | 0.025 | 0.98 | 0.07 | 0.015 | 0.0055 | 0.0008 | 0.66 | 756 | 66 | ○ | |||||||
| 4 | 0.14 | 0.32 | 1.74 | 0.014 | 0.018 | 1.19 | 0.12 | 0.017 | 0.0034 | 0.0007 | 0.69 | 823 | 64 | ○ | |||||||
| 5 | 0.13 | 0.38 | 1.89 | 0.010 | 0.013 | 0.91 | 0.05 | 0.023 | 0.0057 | 0.0010 | 0.67 | 719 | 5B | ○ | |||||||
| 6 | 0.13 | 0.13 | 1.76 | 0.014 | 0.025 | 1.37 | 0.12 | 0.025 | 0.0021 | 0.0007 | 0.76 | 857 | 60 | ○ | |||||||
| 7 | 0.13 | 0.35 | 1.60 | 0.010 | 0.023 | 1.38 | 0.06 | 0.024 | 0.0180 | 0.0011 | 0.70 | 768 | 63 | ○ | |||||||
| 8 | 0.17 | 0.16 | 1.86 | 0.013 | 0.022 | 1.26 | 0.07 | 0.017 | 0.0091 | 0.0013 | 0.75 | 886 | 53 | ○ | |||||||
| 9 | 0.12 | 0.28 | 1.97 | 0.013 | 0.015 | 1.02 | 0.14 | 0.017 | 0.0020 | 0.0005 | 0.77 | 873 | 66 | ○ | |||||||
| 10 | 0.13 | 0.39 | 1.96 | 0.013 | 0.021 | 0.95 | 0.10 | 0.018 | 0.0058 | 0.0015 | 0.67 | 788 | 66 | ○ | |||||||
| 11 | 0.15 | 0.10 | 1.56 | 0.013 | 0.008 | 1.24 | 0.08 | 0.021 | 0.0076 | 0.0004 | 0.50 | 0.67 | 759 | 61 | ○ | ||||||
| 12 | 0.16 | 0.34 | 1.53 | 0.011 | 0.008 | 1.22 | 0.13 | 0.019 | 0.0096 | 0.0016 | 0.20 | 0.69 | 765 | 62 | ○ | ||||||
| 13 | 0.12 | 0.23 | 1.91 | 0.012 | 0.023 | 1.15 | 0.13 | 0.020 | 0.0076 | 0.0001 | 0.10 | 0.15 | 0.72 | 802 | 58 | ○ | |||||
| 14 | 0.13 | 0.33 | 1.50 | 0.014 | 0.015 | 1.48 | 0.11 | 0.022 | 0.0010 | 0.0004 | 0.0031 | 0.78 | 878 | 57 | ○ | ||||||
| 15 | 0.16 | 0.21 | 1.70 | 0.013 | 0.019 | 0.91 | 0.12 | 0.021 | 0.0042 | 0.0009 | 0.42 | 0.31 | 0.68 | 757 | 64 | ○ | |||||
| 16 | 0.17 | 0.36 | 1.91 | 0.014 | 0.016 | 1.21 | 0.12 | 0.017 | 0.0044 | 0.0010 | 0.015 | 0.75 | 861 | 64 | ○ | ||||||
| 17 | 0.17 | 0.36 | 1.65 | 0.014 | 0.006 | 1.46 | 0.14 | 0.022 | 0.0070 | 0.0019 | 0.021 | 0.77 | 868 | 62 | ○ | ||||||
| 18 | 0.17 | 0.35 | 1.69 | 0.011 | 0.023 | 1.26 | 0.11 | 0.020 | 0.0071 | 0.0004 | 0.009 | 0.018 | 0.73 | 832 | 69 | ○ | |||||
| 19 | 0.16 | 0.23 | 1.90 | 0.014 | 0.008 | 1.01 | 0.11 | 0.021 | 0.0045 | 0.0011 | 0.45 | 0.012 | 0.73 | 833 | 57 | ○ | |||||
| 20 | 0.14 | 0.28 | 1.78 | 0.012 | 0.023 | 0.92 | 0.10 | 0.022 | 0.0080 | 0.0015 | 0.53 | 0.22 | 0.007 | 0.02 | 0.72 | 806 | 53 | ○ | |||
| 21 | 0.16 | 0.37 | 1.73 | 0.012 | 0.007 | 1.03 | 0.14 | 0.019 | 0.0038 | 0.001g | 0.15 | 0.0009 | 0.025 | 0.71 | 786 | 54 | ○ | ||||
| 比较例 | 22 | 0.45 | 0.11 | 1.00 | 0.011 | 0.024 | 0.70 | 0.05 | 0.023 | 0.0066 | 0.0014 | 0.77 | 856 | 9 | × | ||||||
| 23 | 0.41 | 0.25 | 0.60 | 0.010 | 0.007 | 0.90 | 0.15 | 0.024 | 0.0051 | 0.0005 | 0.13 | 0.73 | 788 | 13 | × | ||||||
| 24 | 0.17 | 0.30 | 1.95 | 0.014 | 0.019 | 1.49 | - | 0.018 | 0.0068 | 0.0004 | 0.79 | 893 | 25 | ○ | |||||||
| 25 | 0.16 | 0.11 | 2.48 | 0.014 | 0.012 | - | 0.27 | 0.020 | 0.0078 | 0.0018 | 0.63 | 725 | 24 | ○ | |||||||
| 26 | 0.19 | 0.27 | 0.46 | 0.010 | 0.014 | 1.48 | 0.28 | 0.016 | 0.0033 | 0.0010 | 0.62 | 722 | 26 | ○ | |||||||
| 27 | O.15 | 0.31 | 2.35 | 0.010 | 0.020 | 1.40 | - | 0.015 | 0.0089 | 0.0005 | 0.11 | 0.0011 | 0.021 | 0.84 | 913 | 22 | ○ | ||||
| 28 | 0.11 | 0.26 | 0.61 | 0.010 | 0.006 | 0.57 | 0.04 | 0.017 | 0.0086 | 0.0019 | 0.33 | 580 | 86 | ○ |
表1中，试样序号1～21是本发明例，抗拉强度最低也要超过700MPa，最高达到接近900MPa。如此，即使是高强度，以冲击值评价的韧性也能够确保在50J以上，此外，也未发生焊接裂纹。
试样序号22～28是比较例。试样22、23是形成以往的铁素体·珠光体钢的中碳系成分的例子。此时，虽能够确保强度，但产生焊接裂纹。此外，试样24～27是未复合添加Mn、Cr、V或超出范围的例子。未引起焊接裂纹，但韧性不足。试样28，是虽满足成分组成范围，但碳当量Ceq.低的例子。强度从700MPa大幅度下降，不能用于高强度非调质无缝钢管的用途。
如上所述，如果采用本发明，即使不严格规定过程中的制管加工度或制管温度，也能够兼顾高强度和韧性，并能够得到能够确保良好焊接性的非调质无缝钢管。
Claims (4)
1.一种非调质无缝钢管，其特征在于：是以贝氏体为主体的组织，
按重量％，含有：C：0.10％～低于0.20％、Si：0.05％～1.0％、Mn：0.5％～2.5％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Cr：0.5％～1.5％、V：0.03％～0.3％、Al：0.003％～0.10％、N：0.001％～0.02％、O：0.003％以下；
余量由Fe及杂质构成；
按下式定义的碳当量Cep.(％)为0.60％～0.85％，
Ceq.＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
2.如权利要求1所述的非调质无缝钢管，其特征在于：
将部分Fe置换成从Ni：0.05％～1.5％、Mo：0.05％～1.5％、Cu：0.05％～1.5％、B：0.0003％～0.01％中选择的1种或2种以上。
3.如权利要求1所述的非调质无缝钢管，其特征在于：
将部分Fe置换成从Ti：0.005％～0.2％、Nb：0.005％～0.2％中选择的1种或2种。
4.如权利要求1所述的非调质无缝钢管，其特征在于：
将部分Fe置换成从Ni：0.05％～1.5％、Mo：0.05％～1.5％、Cu：0.05％～1.5％、B：0.0003％～0.01％中选择的1种或2种以上，及从Ti：0.005％～0.2％、Nb：0.005％～0.2％中选择的1种或2种。
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