一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法。該方法依次包括冶煉、鍛棒、車削、加熱、穿孔、冷拔以及熱處理步驟，所述熱處理步驟為：首先，將冷拔后得到的無縫冷拔鋼管以35-50℃/s的速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910～950℃，退火處理60～90s；然后，將退火處理后的無縫冷拔鋼管以40～80℃/s的速率冷卻到貝氏體區(qū)380～430℃，等溫處理30～100s；最后，將等溫處理后的無縫冷拔鋼管冷卻至室溫。本發(fā)明利用普通低碳鋼的化學成分生產(chǎn)出具有良好綜合力學性能的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，成本相對較低，顯微組織由貝氏體和殘余奧氏體組成，其中殘余奧氏體體積分數(shù)≥10.5%。
【專利說明】一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼管的制備領(lǐng)域，具體涉及一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了應(yīng)對能源的日益緊張、二氧化碳排放對人類生存環(huán)境造成的重大影響以及節(jié)能減排的要求與壓力，在保證整車性能的前提下實現(xiàn)輕量化技術(shù)已成為當前汽車行業(yè)的發(fā)展潮流，得到廣泛關(guān)注，其中通過使用空心部件代替實心部件的應(yīng)用是目前實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一。隨著管材內(nèi)高壓生產(chǎn)技術(shù)的成熟，高強度空心構(gòu)件的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為可能，而實現(xiàn)該方案需要有高強度和高塑性的空心件作為載體。其中相變誘發(fā)塑性鋼利用組織中存在的殘余奧氏體在塑性變形作用下誘發(fā)馬氏體生核和形成，并產(chǎn)生局部硬化，繼而變形不再集中在局部，使相變均勻擴散到整個材料以同時提高材料的強度和塑性，具有極大的應(yīng)用前景。
[0003]目前，鋼管的熱處理方式仍以燃氣加熱和電阻加熱為主，多數(shù)是將鋼管整體放入加熱爐內(nèi)進行加熱，這樣所加工的鋼管長度受到加熱爐爐體大小的限制，不能生產(chǎn)大規(guī)格和長度較大的鋼管，從而限制了鋼管的產(chǎn)品規(guī)格；此外，采用這種裝置在加熱過程中升溫較慢，鋼管表面的氧化層嚴重，而且工作效率也不高；再者，爐體內(nèi)的托輥道無法保證鋼管在加熱爐內(nèi)的勻速轉(zhuǎn)動，其加熱不均，可導(dǎo)致鋼管的彎曲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多問題，本發(fā)明的目的在于提供一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的制備方法利用普通低碳鋼的化學成分生產(chǎn)出具有良好綜合力學性能的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，同時促進內(nèi)高壓成形技術(shù)的進一步發(fā)展，將相變誘發(fā)塑性鋼所具有的高強度高塑性的雙重優(yōu)點成功地應(yīng)用到鋼管的制備領(lǐng)域，不僅能生產(chǎn)出高強度、大變形量和形狀復(fù)雜的內(nèi)高壓成形件，還大大降低了生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0007]—種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的制備方法，依次包括冶煉、鍛棒、車削、加熱、穿孔、冷拔以及熱處理步驟，其中所述熱處理步驟為:
[0008]首先，將冷拔后得到的無縫冷拔鋼管以35_50°C /s的速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C，退火處理60~90s ;然后，將退火處理后的無縫冷拔鋼管以40~80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū)380~430°C，等溫處理30~IOOs ;最后，將等溫處理后的無縫冷拔鋼管冷卻至室溫，從而獲得所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管；
[0009]所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管按質(zhì)量百分比由以下成分組成: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%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0010]在上述制備方法中，在所述熱處理步驟中，所述無縫冷拔鋼管加熱到奧氏體化溫度區(qū)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 ;所述奧氏體化溫度區(qū)可以是91 (TC、920°C、930°C、940°C或950°C ;所述退火處理的時間可以是65 s、70s、80s或85s ;所述無縫冷拔鋼管冷卻至貝氏體區(qū)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 ;所述貝氏體區(qū)的溫度可以是 380°C、40(TC、41(rC、420。?；?425°C ;所述等溫處理時間可以為 35s、40s、45s、55s、64s、70s、80s、90s 或 98s。
[0011]在上述制備方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述鍛棒、車削、加熱、穿孔以及冷拔步驟具體為:將冶煉后得到的鑄錠鍛造成棒材，車削棒材除去外表面褶皺和缺陷后形成管坯，再將管坯加熱處理后進行穿孔，然后冷卻至室溫進行冷拔處理，從而得到無縫冷拔鋼管，其中，所述加熱處理是將所述管坯加熱到1100~1250°C并保溫2-4小時，所述冷拔處理的道次為3~7道次。例如所述加熱處理時的加熱溫度為1110°C、1150°C、1180°C、122(rC或1245°C ;所述冷拔的道次為3道次、4道次、5道次、6道次或7道次。
[0012]在上述制備方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述熱處理步驟中，采用中頻加熱感應(yīng)線圈對所述無縫冷拔鋼管進行加熱以使所述無縫冷拔鋼管以35-50°C /s的速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C。中頻感應(yīng)加熱處理使產(chǎn)品質(zhì)量良好、控制精度高、設(shè)備投資小、生產(chǎn)成本低、勞動條件好、節(jié)能環(huán)保、設(shè)備維護簡單。 [0013]在上述制備方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述熱處理步驟中，采用壓縮空氣對所述無縫冷拔鋼管進行冷卻以使所述無縫冷拔鋼管以40~80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū) 380 ~430 °C。
[0014]在上述制備方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述熱處理步驟中，所述等溫處理后的無縫冷拔鋼管采用空冷、水冷或自然冷卻的方式冷卻至室溫。
[0015]在上述制備方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述無縫冷拔鋼管的尺寸為:壁厚≤20mm,外徑≤1000mm,比如壁厚為1_、外徑為900mm的鋼管；壁厚為10_、外徑為1000mm的鋼管；壁厚為15mm、外徑為50mm的鋼管；壁厚為8mm、外徑為800mm的鋼管等。
[0016]一種采用上述方法制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，尺寸為: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);所述無縫管的顯微組織由貝氏體和殘余奧氏體組成，其中殘余奧氏體體積分數(shù)> 10.5%。優(yōu)選地，所述尺寸為:壁厚
0.8_5mm,外徑30-1000mm,所述殘余奧氏體體積分數(shù)為10.5_16%。
[0017]本發(fā)明得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的抗拉強度≥ 820MPa,屈強比(0.64，延伸率≥23.5%，加工硬化指數(shù)≥0.22。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的特點和有益效果是:
[0019]I)本發(fā)明利用現(xiàn)有的普通低碳鋼的化學成分研究開發(fā)出具有良好綜合力學性能的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，本發(fā)明的生產(chǎn)工藝在工業(yè)生產(chǎn)中較易實現(xiàn)，通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)，可以控制相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的微觀組織中的各相比例，進而得到不同力學性能的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，適合不同化學成分、不同尺寸的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的生產(chǎn)，工藝相對穩(wěn)定，成本相對較低，達到節(jié)能環(huán)保的效果。
[0020]2)本發(fā)明還解決傳統(tǒng)熱處理工藝(淬火+回火)生產(chǎn)的高強無縫鋼管在內(nèi)高壓成形過程中，由于不能同時兼?zhèn)淞己玫膹娝苄云ヅ涠沟眉庸るy度系數(shù)增大且成品率低的難題，成功地將相變誘發(fā)塑性鋼所具有的高強度高塑性的雙重優(yōu)點應(yīng)用到鋼管的制備領(lǐng)域，同時促進內(nèi)高壓成形技術(shù)的進一步發(fā)展，不僅能生產(chǎn)出高強度、大變形量和形狀復(fù)雜的內(nèi)高壓成形件，還大大降低了生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0021]3)本發(fā)明還利用中頻加熱感應(yīng)線圈，將初始組織為鐵素體+珠光體的冷拔無縫鋼管以約35-50°C /s的加熱速率迅速加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C，進行退火處理，此過程是為了進行奧氏體化；將退火后的鋼管采用壓縮空氣快速冷卻到貝氏體區(qū)380~430°C進行等溫處理，此過程中部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，同時碳向未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體中富集，由于Si元素(本發(fā)明所選用的鋼材原材料的化學組成中含有1.0~2.0%的Si)不易在滲碳體中溶解，從而抑制了滲碳體的形成，有效地促進了碳向奧氏體轉(zhuǎn)移，提高其穩(wěn)定性，最終得到的鋼管組織為貝氏體和殘余奧氏體。
[0022]4)本發(fā)明的技術(shù)方案制備得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的顯微組織中，彌散分布著> 10.5%的殘余奧氏體，其形態(tài)以在貝氏體鐵素體板條間觀察到大量的片層狀殘余奧氏體為主，見圖1箭頭所示及圖2。由于在貝氏體相變的過程中，兩側(cè)的貝氏體同時向殘余奧氏體中排碳，使得這種片層狀殘余奧氏體接收到更多從貝氏體中排出的碳，因而穩(wěn)定性更高，對相變誘發(fā)塑性效應(yīng)的貢獻也更大。而且由于周圍的貝氏體產(chǎn)生水靜壓力，能使馬氏體相變發(fā)生在很大的應(yīng)變范圍，從而使其具有優(yōu)異的強塑性匹配。
[0023]5)本發(fā)明的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管產(chǎn)品具有優(yōu)異的強塑性匹配，達到20000MPa.%以上，在拉伸過程中不存在屈服點或屈服平臺，具有高的加工硬化指數(shù)(n ^ 0.22)和< 0.64的低屈強比，其成形性能優(yōu)良，可以作為冷彎異型管的原材料；同時滿足內(nèi)高壓成形對管材強度和塑性的雙重要求，因而也可以應(yīng)用于汽車防撞梁等變形量大和形狀復(fù)雜的薄壁內(nèi)高壓成形管件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1-1￥制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在如&1^&600掃描電鏡下的金相組織；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例1-1V制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察到的片層狀殘余奧氏體形貌；
[0026]其中(a):片層狀殘余奧氏體的明場形貌，(b):片層狀殘余奧氏體的暗場形貌，(c):(a)中圓圈所標識的衍射花樣。
[0027]圖3為本發(fā)明實施例1-ΙΙ、2-ΙΙΙ、3-ΙΙΙ、4-ΙΙ和5_ V制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的拉伸曲線圖。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明實施例中所選用的鋼材原材料的化學組成按質(zhì)量百分比為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%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0029]本發(fā)明實施例中將冶煉后的鑄錠鍛造成棒材，棒材經(jīng)過車削除去外表面褶皺和缺陷形成管坯，將管坯加熱到1100~1250°C并保溫2-4小時后進行穿孔，然后冷卻至室溫，將冷卻后的管坯進行3~7道次冷拔，即得到滿足尺寸壁厚< 20mm、外徑< 1000mm的無縫冷
拔鋼管。
[0030]本發(fā)明實施例中將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應(yīng)線圈以約35_50°C /s的加熱速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C，退火處理60~90s ;然后采用壓縮空氣以40~800C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū)380~430°C，等溫處理30~IOOs后空冷、水冷或自然冷卻至室溫，獲得本發(fā)明的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管。
[0031]本發(fā)明實施例中從制備得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的中部線切割出金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后采用4%硝酸酒精進行侵蝕，對其顯微組織在Quanta600掃描電鏡下進行觀察。利用H-800型透射電鏡觀察殘余奧氏體形貌。
[0032]本發(fā)明實施例中沿制備得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的管壁取樣進行透射和X射線衍射分析，分別觀察殘余奧氏體形貌和體積分數(shù)。X射線衍射儀測定試樣的殘余奧氏體相對量時，測定(220) Y和(200) α峰的衍射強度，采用式Vy = 1.4ΙY/(Ια+1.4ΙY)求得殘余奧氏體的相對量。
[0033]本發(fā)明實施例中從制備得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管上取樣按標準制成拉伸試樣，有效標距為50 X 15mm,拉伸速度5mm/min。
[0034]本發(fā)明實施例中無縫管的屈服強度、抗拉強度、屈強比、延伸率等力學性能的測定方法采用中華人民共和國國家標準GB/T228-2002。
[0035]本發(fā)明實施例中的加工硬化指數(shù)由真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義，指金屬薄板成形時真應(yīng)力S—真應(yīng)變ε關(guān)系式中的冪指數(shù)η，關(guān)系式如下:
[0036]S=K ε η，式中K為強度系數(shù)。
[0037]本發(fā)明實施例中的強塑積是鋼的抗拉強度與總伸長率的乘積。
[0038]下面對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0039]實施例1
[0040]本實施例所選用的鋼材化學組成按質(zhì)量百分比為C:0.101%, S1:1.80%, Mn:1.09%, P:0.002%, S:0.005%，余量為 Fe。
[0041]將冶煉后的鑄錠鍛造成棒材，棒材經(jīng)過車削除去外表面褶皺和缺陷形成管坯，將管坯加熱到1100°C并保溫2小時后進行穿孔，然后冷卻至室溫，將冷卻后的管坯進行5道次冷拔，即得到壁厚1.2mm、外徑41mm的無縫冷拔鋼管。
[0042]將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應(yīng)線圈以約40°C /s的加熱速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C，退火處理60~90s ;然后采用壓縮空氣以約50°C /s的速率冷卻到不同的貝氏體溫度(380~430°C)，等溫處理60~IOOs后空冷至室溫，獲得本發(fā)明的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管。
[0043]本實施例共包括5個具體的工藝方法，其具體工藝參數(shù)參見表1，以工藝1-1V為例，說明本發(fā)明制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的微觀組織形貌特征。圖1為Quanta600掃描電鏡下的金相組織，可見本發(fā)明制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的組織由貝氏體基體和殘余奧氏體(以彌散分布在貝氏體基體上的片層狀殘余奧氏體為主，見圖1箭頭所示)組成。為了證明這些彌散分布在組織中的片層狀組織為殘余奧氏體組織，圖2c中的衍射斑表明圖2a中所標記處為[110]的面心立方結(jié)構(gòu)。顯微組織中殘余奧氏體體積分數(shù)在10.5~12.3%范圍內(nèi)，見表1。由此可知，利用本發(fā)明技術(shù)方案制備基體為貝氏體組織的相變誘發(fā)塑性鋼無縫鋼管是可行的。
[0044]對制備得到的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在拉伸試驗機上進行力學性能測試，測試結(jié)果見表1。工藝1-1I在室溫時的拉伸曲線如圖3所示，拉伸曲線均呈連續(xù)屈服狀態(tài)，沒有出現(xiàn)屈服平臺或上、下屈服點。在本實施例1-1至1- V工藝條件下各生產(chǎn)了30根無縫鋼管，其成品的抗拉強度均≥822MPa，屈強比均≤0.57，延伸率均≥26.9%，加工硬化指數(shù)均(η)≥0.23，強塑積均≥22327MPa.%，采用本實施例工藝生產(chǎn)的無縫鋼管成品率達到100%。
[0045]表1實施例1的退火工藝參數(shù)和力學性能
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的制備方法，其特征在于，依次包括冶煉、鍛棒、車削、加熱、穿孔、冷拔以及熱處理步驟，其中所述熱處理步驟為: 首先，將冷拔后得到的無縫冷拔鋼管以35-50°C /s的速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C，退火處理60~90s ;然后，將退火處理后的無縫冷拔鋼管以40~80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū)380~430°C，等溫處理30~IOOs ;最后，將等溫處理后的無縫冷拔鋼管冷卻至室溫，從而獲得所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管； 所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管按質(zhì)量百分比由以下成分組成: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%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鍛棒、車削、加熱、穿孔以及冷拔步驟具體為:將冶煉后得到的鑄錠鍛造成棒材，車削棒材除去外表面褶皺和缺陷后形成管坯，再將管坯加熱處理后進行穿孔，然后冷卻至室溫進行冷拔處理，從而得到無縫冷拔鋼管，其中，所述加熱處理是將所述管坯加熱到1100~1250°C并保溫2-4小時，所述冷拔處理的道次為3~7道次。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述熱處理步驟中，采用中頻加熱感應(yīng)線圈對所述無縫冷拔鋼管進行加熱以使所述無縫冷拔鋼管以35-50°C /s的速率加熱到奧氏體化溫度區(qū)910~950°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述熱處理步驟中，采用壓縮空氣對所述無縫冷拔鋼管進行冷卻以使所述無縫冷拔鋼管以40~80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū) 380 ~430 °C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述熱處理步驟中，所述等溫處理后的無縫冷拔鋼管采用空冷、水冷或自然冷卻的方式冷卻至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述無縫冷拔鋼管的尺寸為:壁厚^ 20mm,外徑< 1000mm。
7.一種采用權(quán)利要求1-6任一所述方法制備的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管尺寸為:壁厚≤20mm，外徑≤1000mm ;所述貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的顯微組織由貝氏體和殘余奧氏體組成，其中殘余奧氏體體積分數(shù)≤10.5%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述殘余奧氏體體積分數(shù)為10.5-16%。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的貝氏體基體相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述尺寸為:壁厚 0.8-5mm，外徑 30_1000mm。
【文檔編號】C21D1/26GK103866191SQ201410125913
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】侯曉英, 王業(yè)勤, 許榮昌 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司