一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法

文档序号:10680387阅读:514来源:国知局
一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法
【专利摘要】一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法,该钢化学成分重量百分比为:C:0.11~0.17%,Si:0.1~0.5%,Mn:0.5~2.0%,Al:0.01~0.05%,Ca:0.001~0.01%,P≤0.015%,O≤0.003%,S≤0.005%,N≤0.004%,其余为Fe以及不可避免的杂质,且同时需满足:0.3%<C*Mn+Cr+2Mo<1.1%。本发明通过相变强化复合应变强化工艺制备出冷加工高强度钢管,该钢管的屈服强度达到890MPa以上,延伸率≥10%,其组织为形变铁素体+回火马氏体,具有优良的阻尼减震性能。
【专利说明】
-种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法
技术领域
[0001] 本发明设及高强度钢管,具体设及一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的 制造方法,尤其设及采用相变强化工艺生产的、屈服强度890M化W上的冷拔/冷社高强度 钢、钢管及钢管的制造方法。
【背景技术】
[0002] 工程机械及钢结构向着大承重、轻量化方向发展是社会发展的必然趋势。特别是 对于承受高载荷的钢结构件来说,提高材料的强度等级,不仅可W减少结构的自重,降低材 料成本,还有利于提高钢结构件的承载能力。因此,如何低成本、高效地提高钢的强度一直 是材料科学工作者追求的目标。
[0003] 对于汽车工业,随着对汽车安全性能的要求越来越高,对汽车用高强度防撞管、减 震管、车轴用管等的要求不断增加,所需要材料的强度等级越来越高,例如,汽车为了增加 车口的刚度,车口内大都安装有防撞管。由高强度钢制成的防撞管形成第一道抗碰撞的屏 障,可将侧面或前面的撞击载荷均匀地传递到车身的主要构件上。
[0004] 目前汽车防撞管的制管工艺主要采用钢板焊接制管工艺,控制钢板社制后的卷曲 溫度使其具有良好的加工性和均匀细化的初始晶粒,将热社板剪切后,采用焊管工艺制管, 然后进行高频感应泽火+低溫回火的热处理。如日本专利JP04063242A所公开的,其化学成 分为(::0.15~0.25%,51《0.5%,]\111:0.8~1.5%,1'1《0.04%,8《0.0035%,1^《 0.0080%,化《0.50%,化《0.50%,]?〇《0.50%和。6。其采用钢板焊管工艺制成钢管,通过 高频泽火后,其强度可达到1176Mpa,延伸性能达到10%。但是,由于该工艺采用焊接制管工 艺,其焊缝及热影响区在高频感应泽火后无法得到超细晶粒,该区域的强度比钢管母材低 30%左右,从而导致整管性能下降。
[0005] 中国专利CN200810033166.8公开了一种汽车用高强度防撞管及其制造方法,其化 学成分重量百分比为:C:0.15 ~0.25%、Mn:0.8 ~1.5%、Si:0.2 ~0.5%、Ti:0.01~ 0.04%、8:0.001~0.004%、¥:0.05~0.15%、0.008%<1^《0.015%,采用穿孔+冷社或冷 加工工艺制成无缝钢管,然后对钢管进行正火+高频感应泽火+退火工艺的热处理。由于采 用高频感应加热泽火,仅可W生产出最大壁厚为2.5mm的汽车防撞管,对于生产大口径、壁 厚大于3mm的高强度钢管难度极大。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法, 可W生产壁厚达3~20mm的厚壁无缝钢管,该钢管的屈服强度>890MPa,延伸率>10%,获 得形变铁素体和回火马氏体的混合微观组织,具有优良的阻尼减震性能,可应用于汽车用 高强管,还可用作建筑用高强度粧管W及设及军事工程或防灾减灾工程中作为防护结构的 挡墙用管等。
[0007] 为达到上述目的,本发明的技术方案是:
[000引一种相变强化冷加工高强度钢,其化学成分重量百分比为:C: 0.11~0.17%,Si : 0.1~0.5%,Mn:0.5~2.0%,Al:0.01~0.05%,Ca:0.001~0.01%,P《0.015%,0《 0.003%,5《0.005%,1^《0.004%,其余为。6^及不可避免的杂质,且上述元素同时需满足 如下关系:0.3 % <C*Mn+Cr+2Mo< 1.1 %。
[0009] 进一步,所述相变强化冷加工高强度钢的化学成分中还包括:0<抓《0.06%,0<V 《0.12%,0<]\1〇《0.5%,0<1'1《0.03%,0<化《0.3%,0<化《0.2%,0<〇1《0.3%中的至少 两种,W重量百分比计。
[0010] 所述相变强化冷加工高强度钢的微观组织为形变铁素体+回火马氏体的混合组 织。
[0011] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢的屈服强度>890MPa,延伸率>10%。
[0012] 本发明一种相变强化冷加工高强度钢管,其化学成分重量百分比为:C:0.11~ 0.17%,Si:0.1~0.5%,Mn:0.5~2.0%,Al:0.01~0.05%,Ca:0.001~0.01%,P《 0.015%,0《0.003%,S《0.005%,N《0.004%,其余为FeW及不可避免的杂质,且上述元 素同时需满足如下关系:0.3%<C*Mn+Cr+2Mo<l. 1 %。
[0013] 进一步,所述相变强化冷加工高强度钢管的化学成分中还包括:0<抓《0.06%,0< ¥《0.12%,0<]\1〇《0.5%,0<1'1《0.03%,0<吐《0.3%,0<化《0.2%,0<加《0.3%中的至 少两种,W重量百分比计。
[0014] 所述相变强化冷加工高强度钢管的微观组织为形变铁素体+回火马氏体的混合组 织。
[0015] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度>890MPa,延伸率>10%。
[0016] 又,所述相变强化冷加工高强度钢管成品尺寸为壁厚3~20mm,外径20~457mm。
[0017] 本发明钢的成分设计原理为:
[0018] C:C是提高钢强度的主要元素之一,其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强 度,且添加成本低。当C含量低于0.11%时,无缝钢管很难达到890MPaW上的强度,但是当C 含量高于0.17%时,无缝钢管的低溫冲击性能会受到影响。因此,本发明控制C含量为0.11 ~0.17%。
[0019] Si:在炼钢过程中Si作为还原剂和脱氧剂,其在钢中不形成碳化物,且在钢中的固 溶度较大,能够强化钢中的铁素体W提高钢的强度。然而,一旦Si含量超过0.5%时则会大 大降低钢管的初性。因此,本发明将Si含量控制为0.10~0.5%。
[0020] Mn:Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加 Mn含量能够使钢的相变溫度降低, 减小相变临界冷却速度,Mn含量达到0.5 % W上时,能够显著增大钢的泽透性;不过,若Mn含 量超过2.0%时,成分偏析严重。故本发明将Mn含量控制为0.5~2.0%。
[0021] A1:A1在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的初性和加工性。当A1含量达到 0.01 % W上时,其提高钢的初性和加工性的效果较为显著,但是当A1含量超过0.05%时,炼 钢难度显著增加。因此,本发明将A1含量控制为0.01~0.05%。
[0022] Nb:师是强碳氮化物的形成元素,热社时可W推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒 的作用,在再加热过程中,可W阻碍奥氏体晶粒长大。不过当师含量过高,则成本增加。因 此,本发明将佩含量控制为0~0.06%。
[0023] V:V是强碳化物的形成元素,其与碳的结合能力很强,形成的细小弥散的VC质点能 够起到弥散强化的作用,使钢的强度明显增加。但是如果V的含量过高,则成本增加,为此, 本发明控制钢中V含量为0~0.12%。
[0024] Ti:Ti是强碳氮化物的形成元素,形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可W细化 奥氏体晶粒;若Ti含量太高,易形成粗大的TiN,达不到添加的目的。本发明宜采用Ti含量为 0 ~0.03%。
[0025] Mo:Mo可W有效地提高材料的强度水平,具有显著的固溶强化和提高泽透性的效 果,考虑到成本因素,本发明宜采用Mo含量为0~0.5%。
[0026] 化:化是中强碳化物的形成元素。钢中Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体,W提 高其稳定性,另一部分化则溶于铁素体中起到固溶强化作用,提高铁素体的强度和硬度。与 此同时,化也是提高钢的泽透性的主要元素。考虑添加成本的因素,本发明将Cr含量控制为 0 ~0.3%。
[0027] 化:化可W增强钢的初性,即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果,如果化含量 超过0.3 %时,对钢的热加工性会产生较大影响,即使添加复合元素也不能保证钢管的热加 工性,因此,本发明需要将化含量控制为0~0.3%。
[0028] Ni:Ni既是可W提高钢的强度和泽透性的元素,又是可W提高钢的初性的元素。综 合钢的成本因素考虑,本发明将Ni含量控制在0~0.2%的范围之内,才能与其他元素配合 可达到理想的强化作用并同时提高钢的初性。
[0029] Ca:化净化钢液,使夹杂物变性W控制硫化物分布形态,达到获得细小球形、弥散 均布的硫化物的目的,本发明宜采用化含量为0.001~0.01 %。
[0030] 本发明还需控制0.3%<C*Mn+Cr+2Mo<l. 1 %,W使在获得所述的形变铁素体+回火 马氏体组织的基础上,达到890MPaW上的高强度性能要求。
[0031] P、S、0、N是本发明严格控制的有害元素,它们易形成夹杂物,一方面对材料的强度 和初性不利,另一方面,容易导致冷加工时产生缺陷W致断裂,因此必须严格限制,尽量控 审化《0.015%,0《0.003%,S《0.005%,N《0.004%。
[0032] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其包括如下步骤:
[0033] 1)按上述化学成分的配比冶炼、铸造成管巧;
[0034] 2)将管巧加热到1200~1260°C,均热30~90min;
[0035] 3)对加热后的管巧进行热穿孔,再对管巧进行减径、减壁厚后自然冷却,冷却至室 溫,获得热社态母管;或再将热社态母管进行冷加工,获得冷加工母管;
[0036] 4)泽火加热
[0037] 将热社态母管或冷加工母管在Aci~Ac3之间加热后水泽,其中,
[0038] Aci= (723-10.7Mn-16.9Ni+29. lSi+16.9Cr) °C,
[0039]
[0040] 5)冷加工至成品尺寸,冷加工延伸系数控制在1.1~1.4;再进行去应力退火处理, 去应力退火溫度为150~250°C,保溫时间为30~90min。
[0041] 进一步,步骤3)中,对热社态母管酸洗、憐化、皂化后采用冷拔或冷社方式进行冷 加工W获得冷加工母管。
[0042] 又,本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的外径为20~457mm,壁厚为3~20mm。
[0043] 所述相变强化冷加工高强度钢管成品的微观组织为形变铁素体+回火马氏体。
[0044] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度>890MPa,延伸率>10%。
[0045] 步骤4)中,泽火加热溫度的Aci为下临界溫度,Ac3为上临界溫度,在Aci~Ac3之间加 热后然后对钢管进行水泽的设计原理是,在Aci~Ac3运一加热溫度区间,获得铁素体+奥氏 体的两相组织,水泽后,奥氏体发生相变,转变成含高位错密度的板条马氏体,运种马氏体 不仅具有一定的形变能力,而且能起到马氏体强化的效果。另外,水泽后具有良好变形能力 的铁素体完全保留了下来,从而获得铁素体+马氏体的混合组织,为后续的冷变形提供了强 有力的组织保障。
[0046] 步骤5)中,冷加工道次的延伸系数控制为1.1~1.4, W保证钢管在最终热处理前 获得足够的应变硬化效果,同时避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷。如果冷加工延伸系 数过低,铁素体不能充分变形,就达不到应变强化的效果;而如果太高,则在相变强化的复 合作用下,裂纹容易起源于马氏体,钢管很容易开裂。
[0047] 步骤5)中,去应力退火的加热溫度过高或者保溫时间过长均会导致马氏体完全分 解,造成强度显著下降的后果,另外还会造成铁素体在冷加工过程中产生的高密度位错消 失,发生回复和再结晶,使得钢管的强度显著下降。然而,加热溫度过低又不能使冷加工过 程产生的残余应力消除,将导致材料的延伸率不能达到使用要求,因此,本发明控制去应力 退火溫度为150~250°C,保溫时间为30~90min。
[0048] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管成品的微观组织为形变铁素体+回火马氏 体,运种形变铁素体和回火马氏体都含有高密度的位错,具有优良的阻尼减震的效果。本发 明所述高强度冷加工管具备高的强度,其屈服强度可W达到890M化、1000M化、1100M化、 1200MPa等不同强度级别,满足用户不同需求,同时延伸率均>10%。
[0049] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管合金含量少,生产成本低。同时,本发明通 过亚溫泽火工艺结合适当的冷加工延伸系数,达到了显著的相变强化和应变强化的效果, 不但保证了制造钢管的生产效率,还有效地避免了钢管的开裂。
[0050] 本发明采用相变强化工艺,充分发挥泽火时产生的相变强化和冷加工时产生的应 变强化,使马氏体强化和应变强化产生了显著的复合强化效果,再通过去应力退火工艺获 得了屈服强度>890M化、延伸率>10%的高强度无缝钢管,而且由于采用了整管加热水泽 的方式,使得可W生产壁厚达20mm的厚壁无缝钢管,不仅可制造性好,产品工艺简单,性价 比高,而且尺寸精度优良,具有优良的阻尼减震性能,此类无缝钢管尤其适用于制造车用冷 加工高强钢管。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明实施例1中水泽后钢管的典型微观组织照片。
[0052] 图2为本发明实施例1中冷加工高强钢管的典型微观组织照片。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0054] 表1为本发明实施例及对比例钢的成分,表2为本发明实施例及对比例钢管的制造 工艺,表3为本发明实施例及对比例钢管的力学性能。
[0055] 本发明实施例的制造工艺包括步骤如下,具体工艺参数参见表2:
[0056] (1)按照如表1所示的化学元素质量百分配比进行冶炼、铸造成管巧;
[0化7] (2)采用环形加热炉将管巧加热至1200~1260°C,均热30~90min;
[0058] (3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔,通过=漉张力减径机对管巧进行减径减 壁厚后自然冷却,获得热社态母管,或者对钢管进行酸洗后再憐化皂化之后,进行冷加工获 得冷加工母管;
[0059] (4)对热社态母管或冷加工母管进行两相区泽火,泽火加热溫度为750~830°C,然 后对钢管进行水泽,本发明实施例1水泽后组织效果图参见图1。
[0060] (5)泽火后进行最后道次冷加工,控制最后道次冷加工的延伸系数为1.1~1.4, W 保证钢管在最终热处理前获得足够的应变硬化的效果,同时避免在冷加工后钢管产生开裂 等缺陷。
[0061 ] (6)冷加工后进行去应力退火,去应力退火溫度为150~250°C,保溫时间为30~ 90min,本发明实施例1钢管组织效果图参见图2。
[0062] 由图1可知,本发明母管水泽后获得了铁素体+马氏体的混合组织,实现了马氏体 强化的效果;由图2可知,本发明钢管为形变铁素体+回火马氏体的混合组织。
[0063] 表3为热社态母管、水泽后钢管W及冷加工去应力退火后钢管成品的力学性能,由 表3可知,本发明水泽后钢管的屈服强度和热社态屈服强度相当,但抗拉强度明显提高,马 氏体强化效果非常明显;在随后的冷加工延伸变形中,1.1~1.4的延伸系数使得钢管的屈 服强度和抗拉强度显著提升,去应力退火后可W达到屈服强度890M化W上不同的强度等 级,产生的应变强化和马氏体强化的效果十分显著。
[0064] 由表1-3可知,实施例1-8中冷高强度冷加工管的屈服强度均>890MPa、延伸率均 >10%,可W满足用户对不同强度等级的要求。然而,当无缝钢管中的某些化学元素质量百 分配比超过了本发明所限定的范围,例如对比例1仅含V-种元素、对比例2的C含量过低,屈 服强度不能达到890M化级,而对比例帥Mo含量过高,冷加工退火后延伸率达不到要求,因 此,运些无缝钢管的综合力学性能并不符合高强度冷加工钢管的标准。


【主权项】
1. 一种相变强化冷加工高强度钢,其化学成分重量百分比为:c: 0.11~0.17%,Si : 0.1 ~0.5%,Mn:0.5~2.0%,Al:0.01~0.05%,Ca:0.001~0.01%,P<0.015%,0<0.003%, S彡0.005%小彡0.004%,其余为?6以及不可避免的杂质,且同时需满足如下关系:0.3%〈 C*Mn+Cr+2Mo〈l. 1 %,其微观组织为形变铁素体+回火马氏体。2. 根据权利要求1所述的相变强化冷加工高强度钢,其特征在于,所述相变强化冷加工 高强度钢的化学成分中还包括:〇〈Nb彡0.06%,0〈V彡0.12%,0〈M〇彡0.5%,0〈Ti彡0.03%, 0〈Cr彡0.3%,0〈Ni彡0.2%,0〈Cu彡0.3%中的至少两种,以重量百分比计。3. 根据权利要求1或2所述的相变强化冷加工高强度钢,其特征在于,所述相变强化冷 加工高强度钢的屈服强度彡890MPa,延伸率彡10 %。4. 一种相变强化冷加工高强度钢管,其化学成分重量百分比为:C: 0.11~0.17 %,Si : 0.1~0.5%,Mn:0.5~2.0%,Al:0.01~0.05%,Ca:0.001~0.01%,P<0.015%,0< 0.003%,S彡0.005%,N彡0.004%,其余为Fe以及不可避免的杂质,且同时需满足如下关 系:0.3% <C*Mn+Cr+2Mo〈l. 1 %,其微观组织为形变铁素体+回火马氏体。5. 根据权利要求4所述的相变强化冷加工高强度钢管,其特征在于,所述冷加工高强度 钢管的化学成分中还包括:〇〈Nb彡0.06%,0〈V彡0.12%,0〈M〇彡0.5%,0〈Ti彡0.03%,0〈Cr 彡0.3%,0〈Ni彡0.2%,0〈Cu彡0.3%中的至少两种,以重量百分比计。6. 根据权利要求4或5所述的相变强化冷加工高强度钢管,其特征在于,所述相变强化 冷加工高强度钢管的屈服强度彡890MPa,延伸率彡10 %。7. 根据权利要求4-6任一项所述的相变强化冷加工高强度钢管,其特征在于,所述相变 强化冷加工高强度钢管成品尺寸为壁厚3~20mm,外径20~457mm。8. -种相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其包括如下步骤: 1) 按照权利要求4或5所述化学成分的配比冶炼、铸造成管坯; 2) 将管坯加热到1200~1260 °C,均热30~90min; 3) 对加热后的管坯进行热穿孔,再对管坯进行减径、减壁厚后自然冷却,冷却至室温, 获得热乳态母管;或再将热乳态母管进行冷加工,获得冷加工母管; 4) 淬火加热 将热乳态母管或冷加工母管在Aci~Ac3之间加热后水淬,其中, Aci= (723-10.7Mn-16.9Ni+29. lSi+16.9Cr) °C ,5) 冷加工至成品尺寸,冷加工延伸系数控制在1.1~1.4;再进行去应力退火处理,去应 力退火温度为150~250°C,保温时间为30~90min。9. 根据权利要求8所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其特征在于,步骤3) 中,对热乳态母管酸洗、磷化、皂化后采用冷拔或冷乳方式进行冷加工以获得冷加工母管。10. 根据权利要求8所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其特征在于,所述 相变强化冷加工高强度钢管的外径为20~457mm,壁厚为3~20mm。11. 根据权利要求8-10任一项所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其特征 在于,所述相变强化冷加工高强度钢管的微观组织为形变铁素体+回火马氏体。12. 根据权利要求8-11任一项所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法,其特征 在于,所述相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度彡890MPa,延伸率彡10%。
【文档编号】C22C38/08GK106048412SQ201610493295
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】田青超, 万化忠
【申请人】宝山钢铁股份有限公司
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