一種460MPa級耐低溫正火鋼、鋼管及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼材料及其制造方法，尤其涉及一種正火鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 在當今的工程機械和鋼結構建筑領域，由于人們對強度和安全提出了更高的要 求，因此耐低溫的細晶粒結構鋼材占據了重要地位。
[0003] 熱軋細晶粒鋼板一般采用控軋控冷的方法制得，一般而言，在奧氏體再結晶區和 奧氏體未再結晶區控制軋制，然后結合形變誘導鐵素體相變技術，再在奧氏體相變溫度附 近追加一道次的變形，以抑制兩道次變形后鐵素體向奧氏體的逆相變，增加鐵素體的形核 點，促進鐵素體體積分數增加。最后，以1-10°C /s的冷卻速度冷卻到600-650°C從而實現 控制冷卻的目的。采用這種技術，可以實現屈服強度460MPa級熱軋板材的生產。例如，[0004] 采用控軋控冷后進行正火熱處理的方法，也能達到460MPa強度的要求。例如，公 開號為CN102719737,公開日為2012年10月10日，名稱為"一種屈服強度460MPa級正火高 強韌鋼板及其制造方法"的中國專利文獻公開了一種正火鋼，其化學成分按質量百分數為： C ：0. 14-0. 20%, Si ：0. 20-0. 60%, Mn ：1, 20-1. 70%, V ：0. 12-0. 20%, Ni ：0. 15-0. 40%, N ： 0.005-0. 020%，Alt :0.005-0. 040%，P < 0.015%，S < 0.005%，其余量為鐵 Fe 和不可避 免的雜質。采用該發明制造的高強韌鋼板，-50°C低溫沖擊吸收功可達80J。
[0005] 然而，對于熱軋細晶粒無縫鋼管來說，由于其無法采用控軋控冷制造方法，因此其 在軋態獲得合格力學性能的難度極大。也由此，標準規定可以根據用戶要求選擇性的采用 正火態鋼或調質態鋼供貨。
[0006] 其中，對于調質態的鋼來說，采用調質熱處理的方式可以很容易的實現460MPa 級的力學性能，但調質熱處理的鋼管在焊接后其熱影響區的性能會顯著下降，根本達不到 460MPa的強度要求。
[0007] 對于正火態的鋼來說，雖然其在軋態可以達到460MPa的強度，但由于組織中存在 貝氏體或馬氏體等不平衡組織，其在軋態卻無法達到良好的耐低溫性能。而正火熱處理又 會降低材料的強度（因為正火處理后鋼種組織為鐵素體+珠光體組織，其中鐵素體為軟相， 受力時首先發生屈服），因此很難達到460MPa級的高強度。進一步講，現有的產品即使達到 了 460MPa的高強度，但由于管坯鑄造時宏觀偏析的影響，鋼種中的鐵素體和珠光體呈帶狀 分布，這導致產品也很難獲得良好的低溫韌性。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的之一在于提供一種460MPa級耐低溫正火鋼、該鋼種可以達到 460MPa級以上的強度，同時具有優良的低溫韌性和延展性。
[0009] 為了實現上述目的，本發明提出了一種460MPa級耐低溫正火鋼，其化學元素質量 百分比含量為：
[0010] C ：0. 15-0. 20% ；
[0011] Si ：0. 1-0. 5% ；
[0012] Mn :1.2-1. 7%;
[0013] Al ：0. 01-0. 05% ；
[0014] Nb ：0. 01-0. 06% ；
[0015] V ：0. 10-0. 17% ；
[0016] Mo ：0. 02-0. 15% ；
[0017] Cr ：0. 05-0. 20% ；
[0018] Ni :0.1-0. 2%;
[0019] Cu :0.1-0. 2%;
[0020] Ca ：0. 001-0. 01% ；
[0021] N ：0. 005-0. 015% ；
[0022] 余量為Fe和其他不可避免的雜質。
[0023] 本發明所述的460MPa級耐低溫正火鋼中的各化學元素的設計原理為：
[0024] C是提高鋼的強度的主要元素之一，其通過碳化物的形成能夠有效地提高鋼的強 度，且添加成本低。對于本技術方案來說，當C含量低于0. 15%時，正火后的鋼就不能達到 460MPa以上的強度，但是當C含量高于0. 20%時，鋼的低溫沖擊性能會受到不利影響。因 此，在本發明的技術方案中需要將C元素的含量控制為0. 15-0. 20%。
[0025] Si在煉鋼過程中是作為還原劑和脫氧劑的，其在鋼中不形成碳化物，且其在鋼中 的固溶度較大，因此能夠強化鋼中的鐵素體以提高鋼的強度。然而對于本技術方案來說，一 旦硅含量超過〇. 5%則會大大降低鋼的韌性，尤其是鋼的低溫沖擊韌性。因此，本技術方案 將Si含量控制為0. 1-0. 5%。
[0026] Mn主要通過固溶強化來提高鋼中鐵素體的強度，對于本技術方案來說，Mn含量過 高時，鋼中的組織偏析嚴重，容易獲得鐵素體+珠光體的帶狀組織，這不僅影響焊接性能， 還降低材料的低溫韌性。故而在本技術方案中需要將Mn含量設定為1. 2-1. 7%。
[0027] Al在鋼中具有脫氧作用且其有助于提高鋼的韌性和加工性。當Al含量達到 0. 01 %以上時，其提高鋼的韌性和加工性的效果較為顯著，但是當Al含量超過0. 05%時， 煉鋼難度顯著增加。基于此，本發明而將Al含量控制在0. 01-0. 05%之間。
[0028] Nb強碳氮化物形成元素，起到析出強化的效果，熱軋時可以推遲奧氏體再結晶而 起到細化晶粒的作用。在再加熱過程中，Nb可以阻礙奧氏體晶粒長大。當Nb含量多0. 01% 時，這一添加效果比較明顯，不過當Nb含量超過0. 06%時，鋼的韌性反而會有所降低。因 此，在本發明的技術方案中應該將Nb含量設定為0. 01-0. 06%。
[0029] V強碳化物的形成元素，與Nb作用類似，其與碳的結合能力很強，形成的細小彌散 的VC質點能夠起到彌散強化的作用，使鋼的強度明顯增加。如果V的含量小于0. 1%，彌散 強化作用并不明顯，但是如果V的含量大于0. 17%時，鋼的韌性會下降。為此，本發明控制 鋼中的V的含量為〇. 1-0. 17%。
[0030] Mo在鋼中有固溶強化和析出強化以及提高鋼的淬透性的作用，在冷卻時有推遲珠 光體轉變的作用。然而，Mo含量較高時會促進貝氏體的形成，從而導致沖擊性能的明顯下 降，因此本發明將其含量控制為0.02-0. 15%。
[0031] Cr是中強碳化物的形成元素，起到析出強化的效果。在冷卻時Cr有推遲珠光體轉 變的作用，還可溶于鐵素體中起到固溶強化作用，從而提高鐵素體的強度和硬度。本發明將 Cr 控制為 0· 05-0. 2%。
[0032] Ni是擴大奧氏體區元素，可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性，提高鋼的低溫韌 性。本發明的技術方案將Ni含量控制在0. 1-0. 2%的范圍之內，才能與其他元素配合達到 理想的強化作用并同時提高鋼的韌性。
[0033] Cu可以增強鋼的強韌性，起到析出強化的效果，即便是含量較少的Cu也能獲得相 應的效果。如果Cu含量超過0. 2%，對鋼的熱加工性會產生較大影響，即使添加復合元素也 不能保證鋼管的熱加工性，因此，在本發明的技術方案中需要將Cu含量控制為0. 1-0. 2%。
[0034] Ca可以凈化鋼液，使夾雜物變性以控制硫化物的分布形態，達到獲得細小球形、 彌散均布的硫化物的目的。由于S元素是本技術方案中不可避免的雜質，因此本發明添加 0.001-0.01%的〇&。
[0035] N是擴大奧氏體區元素，鋼中加入N還可以提升微合金化元素 V、Nb的析出強化效 果，從而有效提升鋼的強度。但N含量超過一定程度時，由于氮化物的聚集長大，會出現鋼 韌性急劇降低的情況，因此在本技術方案中需要將N含量設定為0. 005-0. 015%。
[0036] 在本技術方案中，不可避免的雜質主要包括S、P和0。它們易形成夾雜物，對材 料的強度和低溫韌性不利，因此必須嚴格限制，本發明控制P < 〇. 015%，0 < 0. 004%， S 彡 0· 005%〇
[0037] 進一步地，本發明所述的460MPa級耐低溫正火鋼的碳當量Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo +V)/5+(Ni+Cu)/15 彡 0. 53。
[0038] 進一步地，本發明所述的460MPa級耐低溫正火鋼的微觀組織為鐵素體+團狀珠光 體。
[0039] 更進一步地，所述鐵素體上具有彌散分布的析出相。
[0040] 更進一步地，所述析出相包括（Cr, Fe) 23C6、Mo2C、Nb的碳氮化物、V的碳氮化物以 及ε -Cu的至少其中之一，這些析出相大小不等，互為補充，起到在強化鐵素體基體的同時 而又不損失其韌性的效果。
[0041] 進一步地，本發明所述的460MPa級耐低溫正火鋼的屈