專利名稱：一種低碳低合金鋼及所制管材的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬鋼鐵領域，特別涉及一種低碳低合金鋼及所制管材。
有關60KSI到80KSI強度級別的產品，在行業標準，如管線管的美國標準API SPEC 5L中，均無具體的材料成分明細，僅有最低雜質元素含量要求，按該要求無法生產出滿足標準要求的產品。
最新2000年版API SPEC 5L要求X70以下管線管碳當量必須低于0.43，即使是對于X80鋼級，其碳當量也要求盡量低。若按美國專利US 5,226,978及US 5,186,769(以下稱對比文獻)的配方來生產，碳當量一般會在0.43以上，必定超出標準要求。如在前述美國專利的實施例2和實施例3中的碳當量分別為0.44和0.46，均超過標準要求，致使焊接性能不高。
由于對比文獻所提出的管材制造方案為在線控軋控冷，尤其是需采用連軋和張減配合機組，在連軋機組和張減機組后均需有強制冷卻系統，生產控制困難，部分廠家需做較大的設備改造，投資相當大，甚至有的廠家還不可能改造成功。因此實用性不強。
最新2000年版API SPEC 5L有PSL1級和PSL2級的區分，對于PSL2級的產品，成其是對于X60～X80鋼級，無論是屈服強度、抗拉強度還是沖擊韌性均有極嚴格的要求。強度均有上下限要求，屈服強度最大許變化范圍為154MPa，抗拉強度最大許變化范圍為241MPa。沖擊韌性最低要求要大于41焦耳(J)。通過對比文獻所提出的管材制造方案來生產管線管，由于軋制過程本身的局限性，其最終成形產品頭尾端均勻性差、強度波動大，屈服強度難以控制在154MPa以內。同時由于在線軋制產品軋制組織的帶狀分布導致沖擊韌性橫向與縱向差異大，不可能達到41焦耳(J)。因此對比文獻僅適用于PSL 1級，而不能適用于PSL 2級。
另外，對比文獻中Ti元素的含量在0.010～0.014之間，對電爐連鑄管坯生產質量不利，會使管坯表面出現裂紋而最終影響管材軋制質量。
本發明是按以下技術方案實現的本發明的低碳低合金鋼包括以下化學元素，單位為重量百分比碳(C)0.10～0.16％；硅(Si)0.20～0.40％；錳(Mn)1.00～1.35％；鋁(Al)0.02～0.035％；釩(V)0.07～0.13％；鎳(Ni)0.05～0.25％；硼(B)0.0005～0.0035％；磷(P)≤0.010％；硫(S)≤0.005％；鉬(Mo)≤0.01％；銅(Cu)≤0.20％；鈮(Nb)≤0.01％；鐵(Fe)和微量雜質余量。
按上述元素比例，將低碳低合金鋼通過通常的調質處理工藝，淬火保溫時間為30分鐘以上，回火保溫時間為45分鐘以上，生產出X60、X65、X70、X80各鋼級或其它相關鋼級的無縫、焊接高強度、高韌性管材，包括鋼管或利用鋼管制成的各種鋼管產品，這種管材可用于油田采油氣或其它行業。
本發明的有益效果本發明的低碳低合金鋼與對比文獻相比，在成分配方及強化原理上有以下不同，并具有顯著優點1)強化元素不同，對比文獻所采用的強化元素為釩(V)+鈦(Ti)。而本發明的強化元素為釩(V)+鎳(Ni)。V、Ti為碳化物形成元素，能夠細化晶粒，通過析出強化來改善強韌性，但會縮小奧氏體相區，降低合金的淬透性能。Ni為非碳化物形成元素，能擴大奧氏體相區，并增加強韌性，提高淬透性。另一方面，Ti元素在0.010～0.014％之間時對電爐連鑄管坯生產質量不利，會使管坯表面出現裂紋而最終影響管材軋制質量。
2)釩元素含量與對比文獻相比有差異。本發明的V元素重量百分比組成為0.07～0.13％，而對比專利的V元素重量百分比組成為0.10～0.16％。都是利用V強化，但本發明的合金的釩含量偏低、焊接性能稍優。
3)鎳元素含量與對比專利相比有差異。本發明的Ni元素重量百分比組成為0.05～0.25％，而對比文獻的沒有此元素。本發明的合金的合金淬透性稍好。
4)鈦元素含量與對比專利相比有差異。本發明的的Ti元素為非添加元素，隨煉鋼中廢鋼帶入，而對比專利的Ti元素重量百分比組成為0.008～0.012％。本發明的合金有利于連鑄生產和最終無縫鋼管產品表面質量。
5)硼元素(B)含量與對比文獻相比有差異。本發明的B元素重量百分比組成為0.0005～0.0035％。而對比文獻不含該元素。因而本發明的合金的淬透性較好。
本發明的低碳低合金鋼在各鋼管制造企業生產時具有以下幾個優點1)化學成分中碳含量低、合金含量低，軋制時變形抗力小，易于軋制，與其它常規產品的軋制工藝相比，工藝無需改變易于軋制出合格的產品。
2)采用相同的管坯可生產適用的鋼級強度高、鋼級范圍廣，能適用不同的用戶不同鋼級需要，能極大地降低管材制造廠的管坯庫存成本。
3)生產容易，只需生產廠家具備調質生產線即可進行熱處理生產。而且即使管材制造廠不能進行熱處理，還可委托其它具有熱處理能力的廠家進行外委加工。能同時適應API SPEC 5L-2000標準的PSL 1級和PSL 2級。
結合附
圖1和附圖2，附圖1為本發明實施例1的過冷奧氏體等溫轉變溫度曲線(CCT曲線)，圖2為U型試樣淬透性曲線，從曲線可以看出，本發明的材料淬透性好。附圖3為大生產樣的軋態組織，組織為鐵素體和珠光體。附圖4為大生產樣的淬火組織圖，組織為馬氏體，從圖中可以看出，本發明的材料已經完全淬透。附圖5為經過回火后的組織圖，為回火索氏體。
當現場回火溫度695℃時，實物質量為下表所示，滿足X60鋼級PSL II級的管線管要求屈服 抗拉序號 伸長％縱向沖擊JMPa MPa1 491 595 31.01122 493 586 31.51143 489 585 31.51154 491 589 30.01145 486 580 34.01146 500 595 32.0118
當現場回火溫度665℃時，實物質量為下表所示，滿足X80鋼級PSL II級的管線管要求抗拉序號 屈服MPa伸長％ 縱向沖擊JMPa1594669 26.0 1022603670 26.0 993592672 28.0 984586669 26.5 1005596672 27.5 1026584675 25.5 100實施例2根據本發明所設計的化學成分重量百分比并在寶鋼煉鋼部電爐分廠通過電爐連鑄生產的一爐鋼150噸，在寶鋼股份公司鋼管分公司軋制成139.70*9.17的鋼管，并按不同回火制度處理成X60～X80鋼級管線管。隨機取兩根管材做成品成分分析，具體化學成分如下重量百分比元素分析1分析2C0.1480.144Si 0.2670.259Mn 1.0771.081P0.0110.011S0.0060.005V0.1100.112Al 0.0280.029Ni 0.0130.014Cu 0.0860.095B0.0022 0.0020其它(Fe和雜質) 剩余量 剩余量通過910℃淬火后，現場回火溫度670℃，保溫60分鐘時，實物質量為下表所示，滿足X80鋼級PSL II級的管線管要求
縱向沖擊序號屈服MPa抗拉MPa 伸長％J1 59469028.0982 57669329.01063 58668929.5994 61370228.596通過910℃淬火后，現場回火溫度680℃，保溫60分鐘時，實物質量為下表所示，滿足X70鋼級PSL II級的管線管要求縱向沖擊序號屈服MPa 抗拉MPa伸長％J154565932.0 102253067133.5 116354166732.5 109452965634.0 120通過910℃淬火后，現場回火溫度640℃，保溫60分鐘時，實物質量為下表所示，滿足N80鋼級的套管要求縱向沖擊序號 屈服MPa 抗拉MPa 伸長％J1640 75924.0 872648 78525.5 933638 77625.5 804632 79123.5 89實施例3根據本發明所設計的化學成分重量百分比中并在寶鋼技術中心產品室煉鋼車間進行小爐冶煉，經鍛打、軋制最終形成厚度為20mm和30mm的板材具體化學成分如下
重量百分比元素20mm30mmC0.164 0.156Si 0.276 0.269Mn 1.197 1.220P0.007 0.006S0.005 0.005V0.089 0.085Al 0.008 0.012Ni 0.089 0.085Cu 0.069 0.081B0.0017 0.0019其它(Fe和雜質)剩余量 剩余量通過910℃淬火后，回火溫度為700℃時，實物質量為下表所示，滿足X60鋼級PSL II級的管線管要求屈服抗拉序號 伸長％ 縱向沖擊JMPa MPa1 510 602 30.5 1282 496 607 29.5 131當現場回火溫度670℃時，能生產滿足X80鋼級PSL II級的管線管，實物質量為屈服抗拉序號伸長％縱向沖擊JMPa MPa1 609 700 26.5982 601 692 25.5101實施例4根據本發明所設計的化學成分重量百分比中并在寶鋼技術中心產品室煉鋼車間進行小爐治煉，經鍛打、軋制最終形成厚度為20mm和30mm的板材具體化學成分如下重量百分比元素20mm 30mmC 0.121 0.119Si0.353 0.358
Mn1.1821.210P 0.0090.008S 0.0060.005V 0.1050.095Al0.0090.012Ni0.0120.015Cu0.0760.090B 0.0020 0.0018其它(Fe和雜質) 剩余量 剩余量通過910℃淬火后，回火溫度為700℃時，實物質量為下表所示，滿足X60鋼級PSL II級的管線管要求屈服 抗拉序號伸長％縱向沖擊JMPa MPa1 510 60230.51282 496 60729.5131當現場回火溫度670℃時，能生產滿足X80鋼級PSL II級的管線管，實物質量為屈服 抗拉序號伸長％縱向沖擊JMPa MPa1 609 70026.5982 601 69225.5101實施例5寶鋼技術中心產品室煉鋼車間進行小爐治煉，經鍛打、軋制最終形成厚度為20mm和30mm的板材具體化學成分如下重量百分比元素20mm 30mmC 0.152 0.148Si 0.356 0.362Mn 1.275 1.283P 0.009 0.008S 0.007 0.008V 0.108 0.110Al 0.025 0.022Ni 0.014 0.014Cu 0.090 0.090B 0.0018 0.0019其它(Fe和雜質) 剩余量 剩余量通過910℃淬火后，現場回火溫度670℃，保溫60分鐘時，實物質量為下表所示，滿足L80-1鋼級套管要求縱向沖擊序號屈服MPa抗拉MPa伸長％J1 59469826.0 912 59971328.5 963 62372229.5 974 61370228.0 9權利要求
1.一種低碳低合金鋼，其特征在于包括以下化學元素，單位為重量百分比碳0.10～0.16％；硅0.20～0.40％；錳1.00～1.35％；鋁0.02～0.035％；釩0.07～0.13％；鎳0.05～0.25％；硼0.0005～0.0035％；鐵和微量雜質余量。
2.如權利要求1所述低碳低合金鋼，其特征在于包括磷≤0.010％；硫≤0.005％；銅≤0.20％。
3.如權利要求1或2所述低碳低合金鋼，其特征在于包括鈮≤0.01％；鉬≤0.01％。
4.權利要求1所述低碳低合金鋼的應用，其特征在于制成X60～X80鋼級管線管或相似強度鋼級的管材。
全文摘要
本發明涉及一種低碳低合金鋼及所制管材，屬于金屬鋼鐵領域。本發明所要解決的技術問題是增加合金鋼的強韌性及提高淬透性和焊接性能。本發明的低碳低合金鋼包括以下元素碳0.10～0.16％；硅0.20～0.40％；錳1.00～1.35％；鋁0.02～0.035％；釩0.07～0.13％；鎳0.05～0.25％；硼0.0005～0.0035％；磷≤0.010％；硫≤0.005％；鉬≤0.01％；銅≤0.20％；鈮≤0.01％；鐵和微量雜質余量。本發明的低碳低合金鋼可制成X60～X80鋼級管線管或相似強度鋼級的管材。
文檔編號F16L9/02GK1403616SQ0112661
公開日2003年3月19日 申請日期2001年8月31日 優先權日2001年8月31日
發明者黃子陽, 閻名, 陳思孝, 劉麒麟, 顧文兵, 韓立新 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司