经济型芯棒用合金钢及其制备和热处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种经济型芯棒用合金钢及其制备和热处理方法，属合金钢制造工艺【技术领域】，其特征在于该钢的各主要合金元素质量百分比为：C0.25～0.30%，Si0.10~0.20%，Mn1.51~1.62%，Cr3.60～4.10%，Mo0.20～0.30%，V0.20～0.40%，Nb0.03~0.05%，Fe余量。本发明合金钢制备过程如下：配料、冶炼、浇涛电极棒并退火；然后电渣重熔及退火；接着多向锻造并直接水冷；再进行两段式退火；最后调质处理。同等条件下的性能与H13钢相当或超越。本发明合金钢的低合金化成分设计思路满足当前我国钢铁企业急需节能降耗，降本增效的转型理念。
【专利说明】经济型芯棒用合金钢及其制备和热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种经济型芯棒用合金钢及其制备和热处理方法，属合金钢制造工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002]芯棒作为重要的轧制工具之一，主要作用是与轧辊组合形成封闭的环状孔型，从而对毛管减径、减壁，同时消除穿孔毛管内外表面螺旋压痕，改善荒管内外表面粗糙度和平直度。芯棒在轧制过程中不仅要承受较大的轧制压力、表面摩擦力，还要承受来自毛管的热量(包括变形所产生的热量)。为了能够承受较大的轧制压力和较高的温度，芯棒应具有较高的强度、硬度、耐磨性和抗热裂性。
[0003]芯棒对连轧管的生产效率，轧制荒管的长度、规格范围，产品质量以及产品成本均有很大影响，也是连轧管生产成本损耗中所占比例最大的。据统计，平均年产量约100万吨钢管的企业，年消耗芯棒的费用约I亿元。如此大的芯棒成本，对钢管企业来说无疑是一个沉重的负担，因此，如何更好地使用芯棒、如何在保证产品质量和产量的同时，延长芯棒使用寿命，降低成本，实现节能降耗增效是连轧管生产领域有待解决的重要课题之一。
[0004]目前国内无缝钢管厂家主要采用高合金钢H13和Hll制成的芯棒进行生产。高合金钢以其较好的高温强韧性被用于制造芯棒，但在使用过程中，往往强度有余，而韧性不足，部分芯棒循环使用不到1000次表面就出现大量热裂纹及磨损划痕，由于缺陷较深，无法改车，遂致报废，影响了连轧钢管的生产，同时也增加了钢管生产的成本，延长了生产周期，而企业大量储备会造成 资金链周转环节的压力，如果储备不够，那么企业应急机动性会大大降低，影响整个企业的生产计划。另外，由于高合金钢合金含量较高，具有较高的高温强度，在热连轧以及定径工序中较生产无缝钢管需要更大的载荷，PQF轧机和定径机难以达到生产要求。因而，为了取得市场的主动性，响应国家提出的“节能降耗”、“降本增效” “绿色环保”等积极政策，我国自主研发经济型低合金芯棒用钢刻不容缓。
[0005]因此，本发明采用经济型低合金化成分设计思路，在市场广泛使用的高合金钢H13基础上，降低S1、Cr及价格较贵的Mo、V含量，提高价格低廉的Mn含量，并配以微量Nb来保证钢的性能。并通过最终合理的热处理工艺来获得良好的芯棒使用性能，从而降低材料成本和制造成本，系统地提升芯棒制造技术和质量水平，使我国在芯棒的研发能力、制造水平、使用技术等方面有质的飞跃。
【发明内容】
[0006]针对现有的技术缺陷，本发明的目的是提供一种经济型芯棒用合金钢及其制备和热处理方法。其目的是为了满足现阶段国内无缝钢管企业连轧管生产时所用高合金芯棒材料和制造成本高、周期长这一需求，响应国家当前提出的钢铁企业“节能降耗”、“降本增效” “绿色环保”等积极政策。本发明从创新性角度出发，采用经济型低合金化成分设计思路，在高合金钢Hl3基础上，降低Cr、Si及价格较贵的Mo、V含量，提高价格低廉的Mn含量，并配以微量Nb来保证钢的性能。Mn的提高，可增强固溶强化作用，提高本发明合金钢的强韧性和热稳定性；S1、Cr的降低可提高本发明合金钢的导热率；Cr、V的降低可明显改善或消除本发明合金钢的液析碳化物；而微量的Nb则可保证钢的组织细化。
[0007]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0008]一种经济型芯棒用合金钢，其各主要合金元素的质量百分比如下:
C0.25、.30 % ；
Si0.10~0.20 % ；
Mn1.51-1.62 % ；
Cr3.60~4.10 % ；
Mo0.20-θ.30 % ；
V0.20-θ.40 % ；
Nb0.03、.05% ；
Fe余量。
[0009]一种用于上述经济型芯棒用合金钢的制备和热处理方法，该方法具有以下的步骤:
a.冶炼:将合金按上述经济型芯棒用合金钢成分配比配料后放入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼；然后进行精炼和真空脱气，最后浇注成电极棒，84(T860°C退火后待用；
b.电渣重熔:将电极棒作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔,化渣电压5(T55V，电流3800-4500Α，电制度电压52~58V，电流1100(Tl2000A，封顶电压60~62V ;通过电渣重熔使钢进一步精炼，去除夹杂物，消除或减轻各种宏观和显微缺陷，获得高质量电渣锭，80(T820°C退火后待用；
c.锻造:锻前加热温度为1200~1250°C ;开锻温度:110(Tll50°C ;终锻温度:85(T900°C，锻造比> 4，锻后直接水冷；
d.退火:采用86(T870°C和73(T740°C两段式等温球化退火；
e.轧制:经锻后退火的材料放在环形炉进行加热，加热温度为115(Tl200°C，然后进行穿孔，经轧机轧制成型，定径完后自然空冷；
f.热处理:93(T970°C保温，油淬；58(T600°C回火两次；最终得到芯棒用合金钢。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
经合金优化设计以及推荐的制备及热处理工艺，本发明合金钢相比于高合金H13钢:一是材料成本方面大大降低，本发明合金钢总合金含量由H13钢的9%左右降至3%左右，尤其是较贵的合金Mo、V降低幅度较大；二是合金化思路的优化满足当前芯棒使用性能的要求，提高Mn增强固溶强化作用，提高了本发明合金钢的强韧性和热稳定性；降低S1、Cr提高了本发明合金钢的导热率；降低Cr、V显著改善了本发明合金钢的液析碳化物；而微量的Nb使本发明合金钢组织得到细化；三是低合金芯棒用钢的研制满足当前国家对钢铁企业“节能降耗”、“降本增效” “绿色环保”的转型要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明合金钢和H13钢淬回火态金相对比。
[0012]图2为本发明合金钢和H13钢室温V2型缺口冲击韧性对比。[0013]图3为本发明合金钢和H13钢热稳定性能对比。
[0014]图4为本发明合金钢和H13钢表面及截面热疲劳裂纹形貌对比。
【具体实施方式】
[0015]现将本发明的具体实施例叙述于下。
[0016]实施例1
本实施例中，采用经济型芯棒用合金钢的组成成分及其质量百分比如下:
C0.30%
Si0.20%
Mn1.52%
Cr3.60%
Mo0.28%
V0.36%
Nb 0.048%
P0.012%
S0.005%
Fe余量
本实施例中的制备及热处理方法如下:
a.电炉冶炼:按实施例1中的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500°C，浇铸成Φ740mm电极棒，860°C退火20h后待用；
b.电渣重熔:将浇涛后的电极棒作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，化渣电压52V，电流4000A，电制度电压54V，电流11000A，封顶电压60V ;电流时间40min,电渣重熔成Φ900mm电渣锭，84(T860°C退火28h后待用；
c.锻造:锻前加热温度为1250°C，保温15h;开锻温度:1150°C ;终锻温度:850°C，锻造比>4，锻后直接水冷；
d.退火:第一阶段等温退火温度为860°C，退火时间为8h;第二阶段等温退火温度为740°C，退火时间为14h ;；
e.轧制:经锻后退火的材料放在环形炉进行加热，加热温度为1180°C，然后进行穿孔，经乳机乳制成型，定径完后自然空冷；
f.热处理:950°C保温，油淬；然后进行590°C回火两次；最终得到芯棒用合金钢。
[0017]实施例2
本实施例中，采用经济型芯棒用合金钢的组成成分及其质量百分比如下:
C0.28%
Si0.18%
Mn1.58%
Cr3.92%
Mo0.28%
V0.37%
Nb0.040%P0.013%
S0.005%
Fe余量
本实施例中的制备及热处理方法如下:
a.电炉冶炼:按实施例2中的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500°C，浇铸成Φ680πιπι电极棒，850°C退火18h后待用；
b.电渣重熔:将浇涛后的电极棒作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，化渣电压54V，电流4200A，电制度电压56V，电流12000A，封顶电压62V ;电流时间38min，电渣重熔成Φ800mm电渣锭，850°C退火25h后待用；
c.锻造:锻前加热温度为1240°C，保温16h;开锻温度:1180°C;终锻温度:900°C，锻造比>4，锻后直接水冷；
d.退火:第一阶段等温退火温度为850°C，退火时间为7h;第二阶段等温退火温度为730°C，退火时间为13h ;；
e.轧制:经锻后退火的材料放在环形炉进行加热，加热温度为1200°C，然后进行穿孔，经乳机乳制成型，定径完后自然空冷；
f.热处理:970°C保温，油淬；然后进行600°C回火两次；最终得到芯棒用合金钢。
[0018]实施例1和实施例2两种合金成分的经济型芯棒用合金钢经过上述制备和热处理后，最终成品芯棒规格均为Φ150_，取样进行性能测试并与同等条件下的H13钢进行对比。
[0019]本发明合金钢与Η13钢的性能对比如下:
a.淬回火态金相
实施例1和实施例2两种合金成分的芯棒用合金钢淬回火态金相呈现典型的回火板条马氏体+碳化物特征，而H13在同等硬度条件下的板条马氏体特征已不是很明显，测试结果如附图1所示。
[0020]b.淬回火态冲击韧性
在硬度为35~37HRC的坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为IOmmX IOmmX 55mm，开V2型缺口，同等硬度条件下，本发明合金钢(实施例1和实施例2)远高于H13钢，测试结果如附图2所示。
[0021]c.热稳定性能
本发明合金钢(实施例1和实施例2)在620°C条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后，其硬度值与本发明合金钢接近，为35~37HRC，试验结果如附图3所示，本发明合金钢由于Mn含量增加较多，热稳定性能较H13钢相当甚至超越。
[0022]d.热疲劳 性能
在室温~700°C条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，对比本发明合金钢(实施例I和实施例2)与H13钢的热疲劳表面和截面裂纹形貌，如附图4所示。由图4可见，本发明合金钢热疲劳实验后，表面网状裂纹较H13细一些，截面裂纹深度较H13浅一些，热疲劳性能优于H13钢。
【权利要求】
1.一种经济型芯棒用合金钢，其特征在于:各主要合金元素的质量百分比如下: C0.25、.30 % ； Si0.10~0.20 % ； Mn1.51~1.62 % ； Cr3.60~4.10 % ； Mo0.20-θ.30 % ； V0.20-θ.40 % ； Nb0.03、.05% ； Fe余量。
2.一种制备和热处理如权利要求1所述的经济型芯棒用合金钢的方法，其特征在于该方法具有以下步骤: a.冶炼:将合金按权利要求1所述成分配比配料后放入中频感应炉或电弧炉中进行熔炼；然后进行精炼和真空脱气，最后浇注成电极棒，84(T860°C退火后待用； b.电渣重熔:将电极棒作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔,化渣电压50~55V，电流3800- 4500Α，电制度电压52~58V，电流1100(Tl2000A，封顶电压60~62V ;通过电渣重熔使钢进一步精炼，去除夹杂物，消除或减轻各种宏观和显微缺陷，获得高质量电渣锭，84(T860°C退火后待用； c.锻造:锻前加热温度为1200~1250°C ;开锻温度:110(Tll50°C ;终锻温度:85(T900°C，锻造比> 4，锻后直接水冷； d.退火:采用86(T870°C和73(T740°C两段式等温球化退火； e.轧制:经锻后退火的材料放在环形炉进行加热，加热温度为115(Tl200°C，然后进行穿孔，经轧机轧制成型，定径完后自然空冷； f.热处理:93(T970°C保温，油淬；58(T600°C回火两次；最终得到芯棒用合金钢。
【文档编号】C22C38/38GK103993236SQ201410187402
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】吴晓春, 左鹏鹏, 韩慧慧, 何西娟, 吴博雅, 张铮 申请人:上海大学, 上海始金新材料科技有限公司