一種釩氮微合金高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鋼鐵【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，本發(fā)明涉及一種釩氮微合金高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其制備方法。本發(fā)明的釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其化學(xué)成分按重量百分比計包含：C：0.18％～0.24％，Si：1.0％～1.6％，Mn：1.2％～1.6％，V：0.17％～0.22％，N：0.01％～0.03％，P≤0.06％，S≤0.005％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明利用薄壁鋼管的中頻感應(yīng)熱處理裝置并輔以釩氮微合金化成分設(shè)計，將相變誘發(fā)塑性鋼所具有的良好的強(qiáng)度和延伸率配合的優(yōu)點(diǎn)成功地應(yīng)用到鋼管的生產(chǎn)領(lǐng)域，有效地實現(xiàn)以空心構(gòu)件代替實心構(gòu)件達(dá)到汽車的輕量化，同時促進(jìn)內(nèi)高壓成形技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅生產(chǎn)出高強(qiáng)度、大變形量和形狀復(fù)雜的內(nèi)高壓成形件，也極大地降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種釩氮微合金高強(qiáng)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)明屬于鋼鐵【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，本發(fā)明涉及一種釩氮微合金高強(qiáng)相變誘發(fā)塑 性鋼無縫管及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球環(huán)境和能源危機(jī)的日益加劇，節(jié)能、減排已成為汽車制造業(yè)面臨的首要 問題，在保證整車性能的前提下實現(xiàn)輕量化技術(shù)依然是汽車行業(yè)的發(fā)展潮流，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)汽車輕量化的最為有效途徑之一。隨著管材內(nèi) 高壓生產(chǎn)技術(shù)的成熟,高強(qiáng)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(qiáng)度和高塑性的空心件作為載體。相變誘發(fā)塑性鋼以其良好的強(qiáng)度和延伸率配合的優(yōu)點(diǎn)， 可解決普通碳素鋼無縫管由于存在強(qiáng)度與塑性之間的矛盾，而在內(nèi)高壓成形領(lǐng)域的實際應(yīng) 用中一直受到限制的問題。
[0003] 目前，內(nèi)高壓加工領(lǐng)域使用較為成熟的材料仍然以低強(qiáng)度鋼管、鈦管、鋁管以及鎂 管等為主，這些材料可用于制備T型三通管、Y型三通管、方管、波紋管等具有復(fù)雜截面形狀 的零件，但是這些材料的強(qiáng)度普遍較低。近年來，不銹鋼被試用為內(nèi)高壓加工的材料，得到 滿意的試驗結(jié)果，但是由于不銹鋼較高的成本，生產(chǎn)仍然受到限制。
[0004] 并且，對于鋼管的熱處理方式仍以燃?xì)饧訜岷碗娮杓訜釣橹鳎@樣所加工的鋼管 的規(guī)格和長度受到限制；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(yán) 重，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，導(dǎo)致鋼管的彎曲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多問題，提供一種新型釩氮微合金化 高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明采用中頻感應(yīng)熱處理裝置，通過合理的 成分設(shè)計及工藝控制，成功地將相變誘發(fā)塑性鋼所具有的高強(qiáng)度高塑性的雙重優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到 鋼管的制備領(lǐng)域，實現(xiàn)高強(qiáng)度、高成形性能的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的在線連續(xù)制造。
[0006] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明的釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其化學(xué)成分按重量百分比計 包含：C :0· 18%?0· 24%，Si :1· 0%?1. 6%，Mn :1· 2%?1. 6%，V :0· 17%?0· 22%，N : 0. 01%?0. 03%，P彡0. 06%，S彡0. 005%，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0008] 本發(fā)明所述釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的微觀組織包括貝氏體鐵 素體和13. Owt%?28. 5wt%的薄膜狀殘余奧氏體，其基體中彌散地分布著直徑為2?8nm 的細(xì)小V(C，N)析出粒子。
[0009] 本發(fā)明所述的釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的抗拉強(qiáng)度> 1050MPa， 屈強(qiáng)比< 0. 70,延伸率> 22. 0%，加工硬化指數(shù)> 0. 22。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述釩氮微合金 化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的抗拉強(qiáng)度1050?1380MPa，屈強(qiáng)比0. 58?0. 70,延伸率 22. O %?28. 5 %，加工硬化指數(shù)0· 22?0· 28。
[0010] 本發(fā)明提供的上述釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的制備方法，包括以 下步驟：
[0011] 1)依次經(jīng)冶煉、鍛棒、車削、加熱、穿孔和冷拔處理制得無縫冷拔管；
[0012] 2)熱處理：a)將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應(yīng)線圈以25?35°C /s的加熱速 率加熱至奧氏體化溫度區(qū)910?950°C，退火處理30?90s ;
[0013] b)退火處理后以50?80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū)470?500°C，等溫處理 30 ?IOOs ;
[0014] c)冷卻至室溫，得到相變誘發(fā)塑性鋼無縫管；所述冷卻可以通過空冷、水冷，也可 以自然冷卻。
[0015] 上述制備方法中，所述鍛棒、車削、加熱、穿孔以及冷拔步驟具體為：
[0016] 所述鍛棒步驟為：將冶煉后得到的鑄錠鍛造成棒材；
[0017] 所述車削步驟為：車削鍛棒制得的棒材，除去外表面褶皺和缺陷后形成管坯；
[0018] 所述加熱步驟為：將車削后管坯加熱到1200?1250°C，并保溫2?3小時；
[0019] 所述穿孔步驟為：將加熱后的管坯加熱處理后進(jìn)行穿孔，然后冷卻至室溫；
[0020] 所述冷拔步驟為：冷拔穿孔后管坯，制得無縫冷拔管；其中，冷拔處理的道次為 3?7道次。
[0021] 上述制備過程中，所制得的無縫冷拔管的壁厚< 20mm，外徑< 1000mm。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是：
[0023] 1.本發(fā)明解決了采用目前較為成熟的材料（低強(qiáng)度鋼管、鈦管、鋁管以及鎂管）作 為內(nèi)高壓加工材料時強(qiáng)度普遍較低，嘗試采用不銹鋼作為內(nèi)高壓加工的材料時雖然試驗性 能優(yōu)良然而成本較高，因而生產(chǎn)仍然受到限制的難題。采用本發(fā)明的材料及在線制備方法， 可生產(chǎn)出性價比相對較高的新型釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管。同時通過調(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兩相比例，進(jìn)而得到不 同力學(xué)性能的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，適合不同化學(xué)成分、不同尺寸的相變誘發(fā)塑性鋼無 縫管的生產(chǎn)。
[0024] 2.本發(fā)明制備過程中使用的薄壁鋼管的中頻感應(yīng)熱處理裝置，具有加熱速度穩(wěn) 定、節(jié)能環(huán)保、自動化程度高、加熱過程易于控制以及制造成本低的特點(diǎn)，實現(xiàn)了無縫管在 熱處理過程中的連續(xù)化、自動化及熱處理后鋼管表面質(zhì)量良好且無嚴(yán)重氧化鐵皮，同時實 現(xiàn)了高強(qiáng)度、高成形性能的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的在線連續(xù)制造。還促進(jìn)內(nèi)高壓成形技 術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅能生產(chǎn)出高強(qiáng)度、大變形量和形狀復(fù)雜的內(nèi)高壓成形件，還極大地降 低生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0025] 3.本發(fā)明采用釩氮微合金化成分設(shè)計思路，添加0. 17 %?0. 22 %的V，并通過增 加氮含量至〇. 01?〇. 03%，使鋼中固溶狀態(tài)的V更多的轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰻顟B(tài)，起到了更多的沉 淀強(qiáng)化作用；而且N的增加還會促進(jìn)碳（氮）化釩在奧氏體和貝氏體鐵素體界面的析出，有 效阻止晶粒的長大，起到了細(xì)化晶粒的作用。本發(fā)明基體中彌散地分布著直徑為2?8nm 的細(xì)小V(C，N)析出粒子，根據(jù)有關(guān)的方法進(jìn)行估算其對材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)> 200MPa，本發(fā)明 的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的抗拉強(qiáng)度> 1050MPa。
[0026] 4.本發(fā)明的技術(shù)方案制備得到的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的顯微組織中，彌散分布 著13. 0%?28. 5%的薄膜狀殘余奧氏體，由于在貝氏體鐵素體相變的過程中，兩側(cè)的貝氏 體鐵素體同時向殘余奧氏體中排碳，使得這種薄膜狀殘余奧氏體接收到更多從貝氏體鐵素 體中排出的碳，同時由于Si元素（本發(fā)明所選用的鋼材原材料的化學(xué)組成中含有1. 0%? 1.6%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(jìn)碳向奧氏體轉(zhuǎn) 移，因而使得這種薄膜狀殘余奧氏體穩(wěn)定性更高，對相變誘發(fā)塑性效應(yīng)的貢獻(xiàn)也更大。而且 由于周圍的貝氏體鐵素體產(chǎn)生水靜壓力，能使在塑性變形過程中馬氏體相變發(fā)生在很大的 應(yīng)變范圍，從而使其具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。
[0027] 5.本發(fā)明利用薄壁鋼管的中頻感應(yīng)熱處理裝置，制備得到的相變誘發(fā)塑性鋼無縫 管產(chǎn)品具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，達(dá)到27161MPa. %以上，在拉伸過程中不存在屈服點(diǎn)或屈服 平臺，具有高的加工硬化指數(shù)（η > 〇. 22)和< 0. 70的低屈強(qiáng)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(qiáng)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】
[0028] 圖1為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在Quanta 600掃 描電鏡下的金相組織。
[0029] 圖2為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的組織形貌。
[0030] 圖3為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的組織形貌（與圖2不同部位）。
[0031] 圖4為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的薄膜狀殘余奧氏體明場形貌。
[0032] 圖5為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的薄膜狀殘余奧氏體暗場形貌。
[0033] 圖6為圖4中圓圈所標(biāo)識區(qū)域的衍射花樣。
[0034] 圖7為本發(fā)明實施例工藝I-III制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的析出相的TEM形貌。
[0035] 圖8為本發(fā)明實施例工藝I- VI制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的析出相的TEM形貌。
[0036] 圖9為圖8中"A"處的EDS分析結(jié)果。
[0037] 圖10為本發(fā)明實施例工藝1-III、2-IV、3-II和6- I制備的相變誘發(fā)塑性鋼無縫 管的拉伸曲線圖。

【具體實施方式】
[0038] 下面對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于 此。
[0039] 本發(fā)明實施例中所選用的鋼材原材料的化學(xué)組成按質(zhì)量百分比為C :0. 18%? 0· 24%，Si :1· 0%?L 6%，Mn :1· 2%?L 6%，V :0· 17%?0· 22%，N :0· 01%?0· 03%， 并限制P彡0. 06%，S彡0. 005%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0040] 本發(fā)明實施例中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，再將管坯加熱到1200?1250°C并保溫2-3小時后進(jìn)行穿孔，然后冷卻至室 溫；將冷卻后的管坯進(jìn)行3?7道次冷拔，即得到壁厚< 20_、外徑< IOOOmm的無縫冷拔 鋼管。
[0041] 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25?35 °C/s的加熱速 率加熱至奧氏體化溫度區(qū)910?950°C，退火處理30?90s后采用壓縮空氣以50?80°C / s的速率冷卻到貝氏體區(qū)470?500°C，等溫處理30?IOOs ;最后空冷、水冷或自然冷卻 至室溫，即得到本發(fā)明的貝氏體鐵素體基體的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管。
[0042] 本發(fā)明實施實例中從制備得到的相變誘發(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(jìn)行侵蝕，對其顯微組織在Quanta 600掃描電鏡下 進(jìn)行觀察。利用H-800型透射電鏡觀察相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的形貌組織、釩的碳氮化物 析出和殘余奧氏體形貌。
[0043] 本發(fā)明實施實例中沿制備得到的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的管壁取樣進(jìn)行X射線 衍射分析。X射線衍射儀測定試樣的殘余奧氏體相對量時，測定（220) ^和（200) α峰的衍 射強(qiáng)度，采用式^ = 1.4Ι^(Ια+1.4Ιγ)求得殘余奧氏體的相對量。
[0044] 本發(fā)明實施實例中從制備得到的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管上取樣按標(biāo)準(zhǔn)制成拉伸 試樣，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、延伸率等力學(xué)性能的測定方法采用中華人民共和國 國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228-2002。
[0045] 實施例1
[0046] 本實施例所選用的鋼材化學(xué)組成按質(zhì)量百分比為C :0. 18%，Si :1. 52%，Mn : L 41%，V :0· 17%，N :0· 01%，P :0· 008%，S :0· 004%，余量為 Fe。
[0047] 將冶煉后的鑄錠鍛造成棒材，車削棒材除去外表面褶皺和缺陷后形成管坯，再將 管坯加熱到1200°C并保溫2小時后進(jìn)行穿孔，然后冷卻至室溫；將冷卻后的管坯進(jìn)行4道 次冷拔，即得到壁厚I. 5mm、外徑44mm的無縫冷拔鋼管。
[0048] 將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應(yīng)線圈以35°C /s的加熱速率加熱至奧氏體化溫 度區(qū)910?950°C，退火處理30?90s后采用壓縮空氣以約60°C /s的速率冷卻到貝氏體 區(qū)470?500°C，等溫處理30?90s后自然冷卻至室溫，獲得本發(fā)明的貝氏體鐵素體基體的 相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，本實施例共包括7個具體的工藝方法，其具體工藝參數(shù)參見表1。
[0049] 表1實施例1的退火工藝參數(shù)和力學(xué)性能
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種釩氮微合金化高強(qiáng)相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發(fā)塑性 鋼無縫管的化學(xué)成分按重量百分比計包含：c :0. 18%?0. 24%，Si :1. 0%?1. 6%，Mn :1. 2%?1. 6%，V :0? 17%?0? 22%，N :0? 01%?0? 03%，P 彡 0? 06%，S 彡 0? 005%，其余 為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發(fā)塑性鋼 無縫管的微觀組織包括貝氏體鐵素體和13. Owt%?28. 5wt%的殘余奧氏體，其基體中分 布著直徑為2?8nm的V(C，N)析出粒子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發(fā)塑性 鋼無縫管的抗拉強(qiáng)度彡1050MPa，屈強(qiáng)比彡0. 70,延伸率彡22. 0%，加工硬化指數(shù)彡0. 22。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的相變誘發(fā)塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發(fā)塑性鋼 無縫管的抗拉強(qiáng)度為1050?1380MPa，屈強(qiáng)比為0. 58?0. 70,延伸率為22. 0%?28. 5%， 加工硬化指數(shù)為〇. 22?0. 28。
5. -種權(quán)利要求1-4任一所述相變誘發(fā)塑性鋼無縫管的制備方法，包括以下步驟： 1) 依次經(jīng)冶煉、鍛棒、車削、加熱、穿孔和冷拔處理制得無縫冷拔管； 2) 熱處理：a)將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應(yīng)線圈以25?35°C /s的加熱速率加 熱至奧氏體化溫度區(qū)910?950°C，退火處理30?90s ; b) 退火處理后以50?80°C /s的速率冷卻到貝氏體區(qū)470?500°C，等溫處理30? 100s ； c) 冷卻至室溫，得到相變誘發(fā)塑性鋼無縫管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述鍛棒步驟為：將冶煉后得到的鑄 錠鍛造成棒材； 所述車削步驟為：車削鍛棒制得的棒材，除去外表面褶皺和缺陷后形成管坯； 所述加熱步驟為：將車削后管坯加熱到1200?1250°C，并保溫2?3小時； 所述穿孔步驟為：將加熱后的管坯加熱處理后進(jìn)行穿孔，然后冷卻至室溫； 所述冷拔步驟為：冷拔穿孔后管坯，制得無縫冷拔管；其中，冷拔處理的道次為3?7 道次。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述無縫冷拔管的壁厚< 20mm， 外徑 < 1000mm。
【文檔編號】C22C38/12GK104372239SQ201410541966
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】王業(yè)勤, 李海明, 陳永南, 張興錦, 張兆萍, 侯曉英 申請人:山東鋼鐵股份有限公司