一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管及其制备方法。该方法依次包括冶炼、锻棒、车削、加热、穿孔、冷拔以及热处理步骤，所述热处理步骤为：首先，将冷拔后得到的无缝冷拔钢管以35-50℃/s的速率加热到奥氏体化温度区910～950℃，退火处理60～90s；然后，将退火处理后的无缝冷拔钢管以40～80℃/s的速率冷却到贝氏体区380～430℃，等温处理30～100s；最后，将等温处理后的无缝冷拔钢管冷却至室温。本发明利用普通低碳钢的化学成分生产出具有良好综合力学性能的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，成本相对较低，显微组织由贝氏体和残余奥氏体组成，其中残余奥氏体体积分数≥10.5%。
【专利说明】一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管及其制备方法【技术领域】
[0001]本发明属于钢管的制备领域，具体涉及一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]为了应对能源的日益紧张、二氧化碳排放对人类生存环境造成的重大影响以及节能减排的要求与压力，在保证整车性能的前提下实现轻量化技术已成为当前汽车行业的发展潮流，得到广泛关注，其中通过使用空心部件代替实心部件的应用是目前实现汽车轻量化的有效途径之一。随着管材内高压生产技术的成熟，高强度空心构件的工业生产已经成为可能，而实现该方案需要有高强度和高塑性的空心件作为载体。其中相变诱发塑性钢利用组织中存在的残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体生核和形成，并产生局部硬化，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料以同时提高材料的强度和塑性，具有极大的应用前景。
[0003]目前，钢管的热处理方式仍以燃气加热和电阻加热为主，多数是将钢管整体放入加热炉内进行加热，这样所加工的钢管长度受到加热炉炉体大小的限制，不能生产大规格和长度较大的钢管，从而限制了钢管的产品规格；此外，采用这种装置在加热过程中升温较慢，钢管表面的氧化层严重，而且工作效率也不高；再者，炉体内的托辊道无法保证钢管在加热炉内的匀速转动，其加热不均，可导致钢管的弯曲。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提供一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管及其制备方法。
[0005]本发明的制备方法利用普通低碳钢的化学成分生产出具有良好综合力学性能的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，同时促进内高压成形技术的进一步发展，将相变诱发塑性钢所具有的高强度高塑性的双重优点成功地应用到钢管的制备领域，不仅能生产出高强度、大变形量和形状复杂的内高压成形件，还大大降低了生产成本，具有广阔的应用前景。[0006]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007]—种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的制备方法，依次包括冶炼、锻棒、车削、加热、穿孔、冷拔以及热处理步骤，其中所述热处理步骤为:
[0008]首先，将冷拔后得到的无缝冷拔钢管以35_50°C /s的速率加热到奥氏体化温度区910~950°C，退火处理60~90s ;然后，将退火处理后的无缝冷拔钢管以40~80°C /s的速率冷却到贝氏体区380~430°C，等温处理30~IOOs ;最后，将等温处理后的无缝冷拔钢管冷却至室温，从而获得所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管；
[0009]所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管按质量百分比由以下成分组成:C:
0.10% ~0.25%, Si:1.0% ~2.0%，Μη:1.0% ~2.0%, Nb ( 0.10%, Ti ( 0.10%, P ( 0.006%,S ≤0.007%，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0010]在上述制备方法中，在所述热处理步骤中，所述无缝冷拔钢管加热到奥氏体化温度区的速率可以是 35°C /s、38°C /s、40°C /s、42°C /s、45°C /s、48°C /s 或 49°C /s ;所述奥氏体化温度区可以是91 (TC、920°C、930°C、940°C或950°C ;所述退火处理的时间可以是65 s、70s、80s或85s ;所述无缝冷拔钢管冷却至贝氏体区的速率可以是42°C /s、48°C /s、55°C /s、60°C /s、65°C /s、75°C /s 或 80°C /s ;所述贝氏体区的温度可以是 380°C、40(TC、41(rC、420。。或 425°C ;所述等温处理时间可以为 35s、40s、45s、55s、64s、70s、80s、90s 或 98s。
[0011]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述锻棒、车削、加热、穿孔以及冷拔步骤具体为:将冶炼后得到的铸锭锻造成棒材，车削棒材除去外表面褶皱和缺陷后形成管坯，再将管坯加热处理后进行穿孔，然后冷却至室温进行冷拔处理，从而得到无缝冷拔钢管，其中，所述加热处理是将所述管坯加热到1100~1250°C并保温2-4小时，所述冷拔处理的道次为3~7道次。例如所述加热处理时的加热温度为1110°C、1150°C、1180°C、122(rC或1245°C ;所述冷拔的道次为3道次、4道次、5道次、6道次或7道次。
[0012]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理步骤中，采用中频加热感应线圈对所述无缝冷拔钢管进行加热以使所述无缝冷拔钢管以35-50°C /s的速率加热到奥氏体化温度区910~950°C。中频感应加热处理使产品质量良好、控制精度高、设备投资小、生产成本低、劳动条件好、节能环保、设备维护简单。 [0013]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理步骤中，采用压缩空气对所述无缝冷拔钢管进行冷却以使所述无缝冷拔钢管以40~80°C /s的速率冷却到贝氏体区 380 ~430 °C。
[0014]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理步骤中，所述等温处理后的无缝冷拔钢管采用空冷、水冷或自然冷却的方式冷却至室温。
[0015]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述无缝冷拔钢管的尺寸为:壁厚≤20mm,外径≤1000mm,比如壁厚为1_、外径为900mm的钢管；壁厚为10_、外径为1000mm的钢管；壁厚为15mm、外径为50mm的钢管；壁厚为8mm、外径为800mm的钢管等。
[0016]一种采用上述方法制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，尺寸为:壁厚^ 20mm (比;^口 lmm、3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm、17mm、19mm)，外 1000mm (比;^口100mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm);所述无缝管的显微组织由贝氏体和残余奥氏体组成，其中残余奥氏体体积分数> 10.5%。优选地，所述尺寸为:壁厚
0.8_5mm,外径30-1000mm,所述残余奥氏体体积分数为10.5_16%。
[0017]本发明得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的抗拉强度≥ 820MPa,屈强比(0.64，延伸率≥23.5%，加工硬化指数≥0.22。
[0018]与现有技术相比较，本发明的特点和有益效果是:
[0019]I)本发明利用现有的普通低碳钢的化学成分研究开发出具有良好综合力学性能的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，本发明的生产工艺在工业生产中较易实现，通过调整热处理工艺参数，可以控制相变诱发塑性钢无缝管的微观组织中的各相比例，进而得到不同力学性能的相变诱发塑性钢无缝管，适合不同化学成分、不同尺寸的相变诱发塑性钢无缝管的生产，工艺相对稳定，成本相对较低，达到节能环保的效果。
[0020]2)本发明还解决传统热处理工艺(淬火+回火)生产的高强无缝钢管在内高压成形过程中，由于不能同时兼备良好的强塑性匹配而使得加工难度系数增大且成品率低的难题，成功地将相变诱发塑性钢所具有的高强度高塑性的双重优点应用到钢管的制备领域，同时促进内高压成形技术的进一步发展，不仅能生产出高强度、大变形量和形状复杂的内高压成形件，还大大降低了生产成本，具有广阔的应用前景。
[0021]3)本发明还利用中频加热感应线圈，将初始组织为铁素体+珠光体的冷拔无缝钢管以约35-50°C /s的加热速率迅速加热到奥氏体化温度区910~950°C，进行退火处理，此过程是为了进行奥氏体化；将退火后的钢管采用压缩空气快速冷却到贝氏体区380~430°C进行等温处理，此过程中部分奥氏体转变为贝氏体，同时碳向未发生转变的奥氏体中富集，由于Si元素(本发明所选用的钢材原材料的化学组成中含有1.0~2.0%的Si)不易在渗碳体中溶解，从而抑制了渗碳体的形成，有效地促进了碳向奥氏体转移，提高其稳定性，最终得到的钢管组织为贝氏体和残余奥氏体。
[0022]4)本发明的技术方案制备得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的显微组织中，弥散分布着> 10.5%的残余奥氏体，其形态以在贝氏体铁素体板条间观察到大量的片层状残余奥氏体为主，见图1箭头所示及图2。由于在贝氏体相变的过程中，两侧的贝氏体同时向残余奥氏体中排碳，使得这种片层状残余奥氏体接收到更多从贝氏体中排出的碳，因而稳定性更高，对相变诱发塑性效应的贡献也更大。而且由于周围的贝氏体产生水静压力，能使马氏体相变发生在很大的应变范围，从而使其具有优异的强塑性匹配。
[0023]5)本发明的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管产品具有优异的强塑性匹配，达到20000MPa.%以上，在拉伸过程中不存在屈服点或屈服平台，具有高的加工硬化指数(n ^ 0.22)和< 0.64的低屈强比，其成形性能优良，可以作为冷弯异型管的原材料；同时满足内高压成形对管材强度和塑性的双重要求，因而也可以应用于汽车防撞梁等变形量大和形状复杂的薄壁内高压成形管件。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例1-1￥制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管在如&1^&600扫描电镜下的金相组织；
[0025]图2为本发明实施例1-1V制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管在透射电镜下观察到的片层状残余奥氏体形貌；
[0026]其中(a):片层状残余奥氏体的明场形貌，(b):片层状残余奥氏体的暗场形貌，(c):(a)中圆圈所标识的衍射花样。
[0027]图3为本发明实施例1-ΙΙ、2-ΙΙΙ、3-ΙΙΙ、4-ΙΙ和5_ V制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的拉伸曲线图。
【具体实施方式】
[0028]本发明实施例中所选用的钢材原材料的化学组成按质量百分比为C:0.10%~0.25%, Si:1.0% ~2.0%, Mn:1.0% ~2.0%, Nb ≤0.10%, Ti ≤0.10%, P≤ 0.006%,S≤0.007%，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0029]本发明实施例中将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100~1250°C并保温2-4小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行3~7道次冷拔，即得到满足尺寸壁厚< 20mm、外径< 1000mm的无缝冷
拔钢管。
[0030]本发明实施例中将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈以约35_50°C /s的加热速率加热到奥氏体化温度区910~950°C，退火处理60~90s ;然后采用压缩空气以40~800C /s的速率冷却到贝氏体区380~430°C，等温处理30~IOOs后空冷、水冷或自然冷却至室温，获得本发明的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管。
[0031]本发明实施例中从制备得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的中部线切割出金相试样，经研磨、抛光后采用4%硝酸酒精进行侵蚀，对其显微组织在Quanta600扫描电镜下进行观察。利用H-800型透射电镜观察残余奥氏体形貌。
[0032]本发明实施例中沿制备得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的管壁取样进行透射和X射线衍射分析，分别观察残余奥氏体形貌和体积分数。X射线衍射仪测定试样的残余奥氏体相对量时，测定(220) Y和(200) α峰的衍射强度，采用式Vy = 1.4ΙY/(Ια+1.4ΙY)求得残余奥氏体的相对量。
[0033]本发明实施例中从制备得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管上取样按标准制成拉伸试样，有效标距为50 X 15mm,拉伸速度5mm/min。
[0034]本发明实施例中无缝管的屈服强度、抗拉强度、屈强比、延伸率等力学性能的测定方法采用中华人民共和国国家标准GB/T228-2002。
[0035]本发明实施例中的加工硬化指数由真应力应变关系定义，指金属薄板成形时真应力S—真应变ε关系式中的幂指数η，关系式如下:
[0036]S=K ε η，式中K为强度系数。
[0037]本发明实施例中的强塑积是钢的抗拉强度与总伸长率的乘积。
[0038]下面对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0039]实施例1
[0040]本实施例所选用的钢材化学组成按质量百分比为C:0.101%, S1:1.80%, Mn:1.09%, P:0.002%, S:0.005%，余量为 Fe。
[0041]将冶炼后的铸锭锻造成棒材，棒材经过车削除去外表面褶皱和缺陷形成管坯，将管坯加热到1100°C并保温2小时后进行穿孔，然后冷却至室温，将冷却后的管坯进行5道次冷拔，即得到壁厚1.2mm、外径41mm的无缝冷拔钢管。
[0042]将无缝冷拔钢管采用中频加热感应线圈以约40°C /s的加热速率加热到奥氏体化温度区910~950°C，退火处理60~90s ;然后采用压缩空气以约50°C /s的速率冷却到不同的贝氏体温度(380~430°C)，等温处理60~IOOs后空冷至室温，获得本发明的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管。
[0043]本实施例共包括5个具体的工艺方法，其具体工艺参数参见表1，以工艺1-1V为例，说明本发明制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的微观组织形貌特征。图1为Quanta600扫描电镜下的金相组织，可见本发明制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的组织由贝氏体基体和残余奥氏体(以弥散分布在贝氏体基体上的片层状残余奥氏体为主，见图1箭头所示)组成。为了证明这些弥散分布在组织中的片层状组织为残余奥氏体组织，图2c中的衍射斑表明图2a中所标记处为[110]的面心立方结构。显微组织中残余奥氏体体积分数在10.5~12.3%范围内，见表1。由此可知，利用本发明技术方案制备基体为贝氏体组织的相变诱发塑性钢无缝钢管是可行的。
[0044]对制备得到的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管在拉伸试验机上进行力学性能测试，测试结果见表1。工艺1-1I在室温时的拉伸曲线如图3所示，拉伸曲线均呈连续屈服状态，没有出现屈服平台或上、下屈服点。在本实施例1-1至1- V工艺条件下各生产了30根无缝钢管，其成品的抗拉强度均≥822MPa，屈强比均≤0.57，延伸率均≥26.9%，加工硬化指数均(η)≥0.23，强塑积均≥22327MPa.%，采用本实施例工艺生产的无缝钢管成品率达到100%。
[0045]表1实施例1的退火工艺参数和力学性能
[0046]
【权利要求】
1.一种贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的制备方法，其特征在于，依次包括冶炼、锻棒、车削、加热、穿孔、冷拔以及热处理步骤，其中所述热处理步骤为: 首先，将冷拔后得到的无缝冷拔钢管以35-50°C /s的速率加热到奥氏体化温度区910~950°C，退火处理60~90s ;然后，将退火处理后的无缝冷拔钢管以40~80°C /s的速率冷却到贝氏体区380~430°C，等温处理30~IOOs ;最后，将等温处理后的无缝冷拔钢管冷却至室温，从而获得所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管； 所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管按质量百分比由以下成分组成:C:0.10%~0.25%, Si:1.0% ~2.0%, Mn:1.0% ~2.0%, Nb ≤ 0.10%, Ti≤0.10%, P ≤ 0.006%,S^0.007%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锻棒、车削、加热、穿孔以及冷拔步骤具体为:将冶炼后得到的铸锭锻造成棒材，车削棒材除去外表面褶皱和缺陷后形成管坯，再将管坯加热处理后进行穿孔，然后冷却至室温进行冷拔处理，从而得到无缝冷拔钢管，其中，所述加热处理是将所述管坯加热到1100~1250°C并保温2-4小时，所述冷拔处理的道次为3~7道次。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，采用中频加热感应线圈对所述无缝冷拔钢管进行加热以使所述无缝冷拔钢管以35-50°C /s的速率加热到奥氏体化温度区910~950°C。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，采用压缩空气对所述无缝冷拔钢管进行冷却以使所述无缝冷拔钢管以40~80°C /s的速率冷却到贝氏体区 380 ~430 °C。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述等温处理后的无缝冷拔钢管采用空冷、水冷或自然冷却的方式冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无缝冷拔钢管的尺寸为:壁厚^ 20mm,外径< 1000mm。
7.一种采用权利要求1-6任一所述方法制备的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，其特征在于，所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管尺寸为:壁厚≤20mm，外径≤1000mm ;所述贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管的显微组织由贝氏体和残余奥氏体组成，其中残余奥氏体体积分数≤10.5%。
8.根据权利要求7所述的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，其特征在于，所述残余奥氏体体积分数为10.5-16%。
9.根据权利要求7所述的贝氏体基体相变诱发塑性钢无缝管，其特征在于，所述尺寸为:壁厚 0.8-5mm，外径 30_1000mm。
【文档编号】C21D1/26GK103866191SQ201410125913
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】侯晓英, 王业勤, 许荣昌 申请人:莱芜钢铁集团有限公司