一種釩氮微合金高強相變誘發塑性鋼無縫管及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于鋼鐵【技術領域】，具體地，本發明涉及一種釩氮微合金高強相變誘發塑性鋼無縫管及其制備方法。本發明的釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管，其化學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。本發明利用薄壁鋼管的中頻感應熱處理裝置并輔以釩氮微合金化成分設計，將相變誘發塑性鋼所具有的良好的強度和延伸率配合的優點成功地應用到鋼管的生產領域，有效地實現以空心構件代替實心構件達到汽車的輕量化，同時促進內高壓成形技術的進一步發展，不僅生產出高強度、大變形量和形狀復雜的內高壓成形件，也極大地降低生產成本，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種釩氮微合金高強相變誘發塑性鋼無縫管及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鋼鐵【技術領域】，具體地，本發明涉及一種釩氮微合金高強相變誘發塑 性鋼無縫管及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著全球環境和能源危機的日益加劇，節能、減排已成為汽車制造業面臨的首要 問題，在保證整車性能的前提下實現輕量化技術依然是汽車行業的發展潮流，其中通過使 用空心部件代替實心部件的應用是目前實現汽車輕量化的最為有效途徑之一。隨著管材內 高壓生產技術的成熟,高強度空心構件的工業生產已經成為可能,而實現該方案需要有高 強度和高塑性的空心件作為載體。相變誘發塑性鋼以其良好的強度和延伸率配合的優點， 可解決普通碳素鋼無縫管由于存在強度與塑性之間的矛盾，而在內高壓成形領域的實際應 用中一直受到限制的問題。
[0003] 目前，內高壓加工領域使用較為成熟的材料仍然以低強度鋼管、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、波紋管等具有復雜截面形狀 的零件，但是這些材料的強度普遍較低。近年來，不銹鋼被試用為內高壓加工的材料，得到 滿意的試驗結果，但是由于不銹鋼較高的成本，生產仍然受到限制。
[0004] 并且，對于鋼管的熱處理方式仍以燃氣加熱和電阻加熱為主，這樣所加工的鋼管 的規格和長度受到限制；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 重，且工作效率也不高；再者，爐體內的托輥道無法保證鋼管在加熱爐內的勻速轉動，其加 熱不均，導致鋼管的彎曲。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于，針對現有技術存在的諸多問題，提供一種新型釩氮微合金化 高強相變誘發塑性鋼無縫管及其生產方法。本發明采用中頻感應熱處理裝置，通過合理的 成分設計及工藝控制，成功地將相變誘發塑性鋼所具有的高強度高塑性的雙重優點應用到 鋼管的制備領域，實現高強度、高成形性能的相變誘發塑性鋼無縫管的在線連續制造。
[0006] 為實現以上目的，本發明的技術方案是：
[0007] 本發明的釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管，其化學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。
[0008] 本發明所述釩氮微合金化高強相變誘發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 的細小V(C，N)析出粒子。
[0009] 本發明所述的釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管的抗拉強度> 1050MPa， 屈強比< 0. 70,延伸率> 22. 0%，加工硬化指數> 0. 22。進一步優選地，所述釩氮微合金 化高強相變誘發塑性鋼無縫管的抗拉強度1050?1380MPa，屈強比0. 58?0. 70,延伸率 22. O %?28. 5 %，加工硬化指數0· 22?0· 28。
[0010] 本發明提供的上述釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管的制備方法，包括以 下步驟：
[0011] 1)依次經冶煉、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線圈以25?35°C /s的加熱速 率加熱至奧氏體化溫度區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470?500°C，等溫處理 30 ?IOOs ;
[0014] c)冷卻至室溫，得到相變誘發塑性鋼無縫管；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] 與現有技術相比較，本發明的特點和有益效果是：
[0023] 1.本發明解決了采用目前較為成熟的材料（低強度鋼管、鈦管、鋁管以及鎂管）作 為內高壓加工材料時強度普遍較低，嘗試采用不銹鋼作為內高壓加工的材料時雖然試驗性 能優良然而成本較高，因而生產仍然受到限制的難題。采用本發明的材料及在線制備方法， 可生產出性價比相對較高的新型釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管。同時通過調整 熱處理工藝參數，可以控制相變誘發塑性鋼無縫管的微觀組織中的兩相比例，進而得到不 同力學性能的相變誘發塑性鋼無縫管，適合不同化學成分、不同尺寸的相變誘發塑性鋼無 縫管的生產。
[0024] 2.本發明制備過程中使用的薄壁鋼管的中頻感應熱處理裝置，具有加熱速度穩 定、節能環保、自動化程度高、加熱過程易于控制以及制造成本低的特點，實現了無縫管在 熱處理過程中的連續化、自動化及熱處理后鋼管表面質量良好且無嚴重氧化鐵皮，同時實 現了高強度、高成形性能的相變誘發塑性鋼無縫管的在線連續制造。還促進內高壓成形技 術的進一步發展，不僅能生產出高強度、大變形量和形狀復雜的內高壓成形件，還極大地降 低生產成本，具有廣闊的應用前景。
[0025] 3.本發明采用釩氮微合金化成分設計思路，添加0. 17 %?0. 22 %的V，并通過增 加氮含量至〇. 01?〇. 03%，使鋼中固溶狀態的V更多的轉變為析出狀態，起到了更多的沉 淀強化作用；而且N的增加還會促進碳（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，起到了細化晶粒的作用。本發明基體中彌散地分布著直徑為2?8nm 的細小V(C，N)析出粒子，根據有關的方法進行估算其對材料強度的貢獻> 200MPa，本發明 的相變誘發塑性鋼無縫管的抗拉強度> 1050MPa。
[0026] 4.本發明的技術方案制備得到的相變誘發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（本發明所選用的鋼材原材料的化學組成中含有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，有效地促進碳向奧氏體轉 移，因而使得這種薄膜狀殘余奧氏體穩定性更高，對相變誘發塑性效應的貢獻也更大。而且 由于周圍的貝氏體鐵素體產生水靜壓力，能使在塑性變形過程中馬氏體相變發生在很大的 應變范圍，從而使其具有優異的強塑性匹配。
[0027] 5.本發明利用薄壁鋼管的中頻感應熱處理裝置，制備得到的相變誘發塑性鋼無縫 管產品具有優異的強塑性匹配，達到27161MPa. %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（η > 〇. 22)和< 0. 70的低屈強比，其成形性能優良，可以作 為冷彎異型管的原材料；同時滿足內高壓成形對管材強度和塑性的雙重要求，因而也可以 應用于汽車防撞梁等變形量大和形狀復雜的薄壁內高壓成形管件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發塑性鋼無縫管在Quanta 600掃 描電鏡下的金相組織。
[0029] 圖2為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發塑性鋼無縫管在透射電鏡下觀察 到的組織形貌。
[0030] 圖3為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發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為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發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為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發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中圓圈所標識區域的衍射花樣。
[0034] 圖7為本發明實施例工藝I-III制備的相變誘發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為本發明實施例工藝I- VI制備的相變誘發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分析結果。
[0037] 圖10為本發明實施例工藝1-III、2-IV、3-II和6- I制備的相變誘發塑性鋼無縫 管的拉伸曲線圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細說明，但本發明的實施方式不限于 此。
[0039] 本發明實施例中所選用的鋼材原材料的化學組成按質量百分比為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。
[0040] 本發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，即得到壁厚< 20_、外徑< IOOOmm的無縫冷拔 鋼管。
[0041] 本發明實施例中將無縫冷拔鋼管采用中頻加熱感應線圈以25?35 °C/s的加熱速 率加熱至奧氏體化溫度區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，即得到本發明的貝氏體鐵素體基體的相變誘發塑性鋼無縫管。
[0042] 本發明實施實例中從制備得到的相變誘發塑性鋼無縫管的中部線切割出金相試 樣，經研磨、拋光后采用4%硝酸酒精進行侵蝕，對其顯微組織在Quanta 600掃描電鏡下 進行觀察。利用H-800型透射電鏡觀察相變誘發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] 本發明實施實例中沿制備得到的相變誘發塑性鋼無縫管的管壁取樣進行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 射強度，采用式^ = 1.4Ι^(Ια+1.4Ιγ)求得殘余奧氏體的相對量。
[0044] 本發明實施實例中從制備得到的相變誘發塑性鋼無縫管上取樣按標準制成拉伸 試樣，其屈服強度、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/T 228-2002。
[0045] 實施例1
[0046] 本實施例所選用的鋼材化學組成按質量百分比為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小時后進行穿孔，然后冷卻至室溫；將冷卻后的管坯進行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線圈以35°C /s的加熱速率加熱至奧氏體化溫 度區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470?500°C，等溫處理30?90s后自然冷卻至室溫，獲得本發明的貝氏體鐵素體基體的 相變誘發塑性鋼無縫管，本實施例共包括7個具體的工藝方法，其具體工藝參數參見表1。
[0049] 表1實施例1的退火工藝參數和力學性能
[0050]
【權利要求】
1. 一種釩氮微合金化高強相變誘發塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發塑性 鋼無縫管的化學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。
2. 根據權利要求1所述的相變誘發塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發塑性鋼 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. 根據權利要求1或2所述的相變誘發塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發塑性 鋼無縫管的抗拉強度彡1050MPa，屈強比彡0. 70,延伸率彡22. 0%，加工硬化指數彡0. 22。
4. 根據權利要求3所述的相變誘發塑性鋼無縫管，其特征在于，所述相變誘發塑性鋼 無縫管的抗拉強度為1050?1380MPa，屈強比為0. 58?0. 70,延伸率為22. 0%?28. 5%， 加工硬化指數為〇. 22?0. 28。
5. -種權利要求1-4任一所述相變誘發塑性鋼無縫管的制備方法，包括以下步驟： 1) 依次經冶煉、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線圈以25?35°C /s的加熱速率加 熱至奧氏體化溫度區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470?500°C，等溫處理30? 100s ； c) 冷卻至室溫，得到相變誘發塑性鋼無縫管。
6. 根據權利要求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. 根據權利要求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 優先權日:2014年10月14日
【發明者】王業勤, 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