一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法

摘要

一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法，该钢化学成分重量百分比为：C：0.11～0.17％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.01～0.05％，Ca：0.001～0.01％，P≤0.015％，O≤0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且同时需满足：0.3％

权利要求

1.一种相变强化冷加工高强度钢，其化学成分重量百分比为：C：0.11～0.17％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.01～0.05％，Ca：0.001～0.01％，P≤0.015％，O≤0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且同时需满足如下关系：0.3％

2.根据权利要求1所述的相变强化冷加工高强度钢，其特征在于，所述相变强化冷加工高强度钢的化学成分中还包括：0

0

3.一种相变强化冷加工高强度钢管，其化学成分重量百分比为：C：0.11～0.17％，Si：

0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.01～0.05％，Ca：0.001～0.01％，P≤0.015％，O≤

0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且同时需满足如下关系：0.3％

4.根据权利要求3所述的相变强化冷加工高强度钢管，其特征在于，所述冷加工高强度钢管的化学成分中还包括：0

5.根据权利要求3或4所述的相变强化冷加工高强度钢管，其特征在于，所述相变强化冷加工高强度钢管成品尺寸为壁厚3～20mm，外径20～457mm。

6.一种相变强化冷加工高强度钢管的制造方法，其包括如下步骤：

1)按照权利要求3或4所述化学成分的配比冶炼、铸造成管坯；

2)将管坯加热到1200～1260℃，均热30～90min；

3)对加热后的管坯进行热穿孔，再对管坯进行减径、减壁厚后自然冷却，冷却至室温，获得热轧态母管；或再将热轧态母管进行冷加工，获得冷加工母管；

4)淬火加热

将热轧态母管或冷加工母管在AC1～AC3之间加热后水淬，其中，

Ac1＝(723-10.7Mn-16.9Ni+29.1Si+16.9Cr)℃，

5)冷加工至成品尺寸，冷加工延伸系数控制在1.1～1.4；再进行去应力退火处理，去应力退火温度为150～250℃，保温时间为30～90min；获得的相变强化冷加工高强度钢管的微观组织为形变铁素体+回火马氏体；相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度≥890MPa，延伸率≥10％。

7.根据权利要求6所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法，其特征在于，步骤3)中，对热轧态母管酸洗、磷化、皂化后采用冷拔或冷轧方式进行冷加工以获得冷加工母管。

8.根据权利要求6所述的相变强化冷加工高强度钢管的制造方法，其特征在于，所述相变强化冷加工高强度钢管的外径为20～457mm，壁厚为3～20mm。

说明书

一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高强度钢管，具体涉及一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法，尤其涉及采用相变强化工艺生产的、屈服强度890MPa以上的冷拔/冷轧高强度钢、钢管及钢管的制造方法。

背景技术

[0002] 工程机械及钢结构向着大承重、轻量化方向发展是社会发展的必然趋势。特别是对于承受高载荷的钢结构件来说，提高材料的强度等级，不仅可以减少结构的自重，降低材料成本，还有利于提高钢结构件的承载能力。因此，如何低成本、高效地提高钢的强度一直是材料科学工作者追求的目标。

[0003] 对于汽车工业，随着对汽车安全性能的要求越来越高，对汽车用高强度防撞管、减震管、车轴用管等的要求不断增加，所需要材料的强度等级越来越高，例如，汽车为了增加车门的刚度，车门内大都安装有防撞管。由高强度钢制成的防撞管形成第一道抗碰撞的屏障，可将侧面或前面的撞击载荷均匀地传递到车身的主要构件上。

[0004] 目前汽车防撞管的制管工艺主要采用钢板焊接制管工艺，控制钢板轧制后的卷曲温度使其具有良好的加工性和均匀细化的初始晶粒，将热轧板剪切后，采用焊管工艺制管，然后进行高频感应淬火+低温回火的热处理。如日本专利JP04063242A所公开的，其化学成分为C：0.15～0.25％，Si≤0.5％，Mn：0.8～l.5％，Ti≤0.04％，B≤0.0035％，N≤0.0080％，Cr≤0.50％，Ni≤0.50％，Mo≤0.50％和Fe。其采用钢板焊管工艺制成钢管，通过高频淬火后，其强度可达到1176Mpa，延伸性能达到10％。但是，由于该工艺采用焊接制管工艺，其焊缝及热影响区在高频感应淬火后无法得到超细晶粒，该区域的强度比钢管母材低
30％左右，从而导致整管性能下降。

[0005] 中国专利CN200810033166.8公开了一种汽车用高强度防撞管及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.15～0.25％、Mn：0.8～1.5％、Si：0.2～0.5％、Ti：0.01～0.04％、B：0.001～0.004％、V：0.05～0.15％、0.008％＜N≤0.015％，采用穿孔+冷轧或冷加工工艺制成无缝钢管，然后对钢管进行正火+高频感应淬火+退火工艺的热处理。由于采用高频感应加热淬火，仅可以生产出最大壁厚为2.5mm的汽车防撞管，对于生产大口径、壁厚大于3mm的高强度钢管难度极大。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种相变强化冷加工高强度钢、钢管及钢管的制造方法，可以生产壁厚达3～20mm的厚壁无缝钢管，该钢管的屈服强度≥890MPa，延伸率≥10％，获得形变铁素体和回火马氏体的混合微观组织，具有优良的阻尼减震性能，可应用于汽车用高强管，还可用作建筑用高强度桩管以及涉及军事工程或防灾减灾工程中作为防护结构的挡墙用管等。

[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：

[0008] 一种相变强化冷加工高强度钢，其化学成分重量百分比为：C：0.11～0.17％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.01～0.05％，Ca：0.001～0.01％，P≤0.015％，O≤
0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.3％

[0009] 进一步，所述相变强化冷加工高强度钢的化学成分中还包括：0

[0010] 所述相变强化冷加工高强度钢的微观组织为形变铁素体+回火马氏体的混合组织。

[0011] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢的屈服强度≥890MPa，延伸率≥10％。

[0012] 本发明一种相变强化冷加工高强度钢管，其化学成分重量百分比为：C：0.11～0.17％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.5～2.0％，Al：0.01～0.05％，Ca：0.001～0.01％，P≤
0.015％，O≤0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.3％

[0013] 进一步，所述相变强化冷加工高强度钢管的化学成分中还包括：0

[0014] 所述相变强化冷加工高强度钢管的微观组织为形变铁素体+回火马氏体的混合组织。

[0015] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度≥890MPa，延伸率≥10％。

[0016] 又，所述相变强化冷加工高强度钢管成品尺寸为壁厚3～20mm，外径20～457mm。

[0017] 本发明钢的成分设计原理为：

[0018] C：C是提高钢强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。当C含量低于0.11％时，无缝钢管很难达到890MPa以上的强度，但是当C含量高于0.17％时，无缝钢管的低温冲击性能会受到影响。因此，本发明控制C含量为0.11～0.17％。

[0019] Si：在炼钢过程中Si作为还原剂和脱氧剂，其在钢中不形成碳化物，且在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度。然而，一旦Si含量超过0.5％时则会大大降低钢管的韧性。因此，本发明将Si含量控制为0.10～0.5％。

[0020] Mn：Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小相变临界冷却速度，Mn含量达到0.5％以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，若Mn含量超过2.0％时，成分偏析严重。故本发明将Mn含量控制为0.5～2.0％。

[0021] Al：Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.01％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.05％时，炼钢难度显著增加。因此，本发明将Al含量控制为0.01～0.05％。

[0022] Nb：Nb是强碳氮化物的形成元素，热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的作用，在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大。不过当Nb含量过高，则成本增加。因此，本发明将Nb含量控制为0～0.06％。

[0023] V：V是强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。但是如果V的含量过高，则成本增加，为此，本发明控制钢中V含量为0～0.12％。

[0024] Ti：Ti是强碳氮化物的形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以细化奥氏体晶粒；若Ti含量太高，易形成粗大的TiN，达不到添加的目的。本发明宜采用Ti含量为0～0.03％。

[0025] Mo：Mo可以有效地提高材料的强度水平，具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，考虑到成本因素，本发明宜采用Mo含量为0～0.5％。

[0026] Cr：Cr是中强碳化物的形成元素。钢中Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，另一部分Cr则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。与此同时，Cr也是提高钢的淬透性的主要元素。考虑添加成本的因素，本发明将Cr含量控制为0～0.3％。

[0027] Cu：Cu可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，如果Cu含量超过0.3％时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，本发明需要将Cu含量控制为0～0.3％。

[0028] Ni：Ni既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。综合钢的成本因素考虑，本发明将Ni含量控制在0～0.2％的范围之内，才能与其他元素配合可达到理想的强化作用并同时提高钢的韧性。

[0029] Ca：Ca净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的，本发明宜采用Ca含量为0.001～0.01％。

[0030] 本发明还需控制0.3％

[0031] P、S、O、N是本发明严格控制的有害元素，它们易形成夹杂物，一方面对材料的强度和韧性不利，另一方面，容易导致冷加工时产生缺陷以致断裂，因此必须严格限制，尽量控制P≤0.015％，O≤0.003％，S≤0.005％，N≤0.004％。

[0032] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的制造方法，其包括如下步骤：

[0033] 1)按上述化学成分的配比冶炼、铸造成管坯；

[0034] 2)将管坯加热到1200～1260℃，均热30～90min；

[0035] 3)对加热后的管坯进行热穿孔，再对管坯进行减径、减壁厚后自然冷却，冷却至室温，获得热轧态母管；或再将热轧态母管进行冷加工，获得冷加工母管；

[0036] 4)淬火加热

[0037] 将热轧态母管或冷加工母管在AC1～AC3之间加热后水淬，其中，[0038] Ac1＝(723-10.7Mn-16.9Ni+29.1Si+16.9Cr)℃，

[0039]

[0040] 5)冷加工至成品尺寸，冷加工延伸系数控制在1.1～1.4；再进行去应力退火处理，去应力退火温度为150～250℃，保温时间为30～90min。

[0041] 进一步，步骤3)中，对热轧态母管酸洗、磷化、皂化后采用冷拔或冷轧方式进行冷加工以获得冷加工母管。

[0042] 又，本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的外径为20～457mm，壁厚为3～20mm。

[0043] 所述相变强化冷加工高强度钢管成品的微观组织为形变铁素体+回火马氏体。

[0044] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管的屈服强度≥890MPa，延伸率≥10％。

[0045] 步骤4)中，淬火加热温度的Ac1为下临界温度，Ac3为上临界温度，在AC1～AC3之间加热后然后对钢管进行水淬的设计原理是，在AC1～AC3这一加热温度区间，获得铁素体+奥氏体的两相组织，水淬后，奥氏体发生相变，转变成含高位错密度的板条马氏体，这种马氏体不仅具有一定的形变能力，而且能起到马氏体强化的效果。另外，水淬后具有良好变形能力的铁素体完全保留了下来，从而获得铁素体+马氏体的混合组织，为后续的冷变形提供了强有力的组织保障。

[0046] 步骤5)中，冷加工道次的延伸系数控制为1.1～1.4，以保证钢管在最终热处理前获得足够的应变硬化效果，同时避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷。如果冷加工延伸系数过低，铁素体不能充分变形，就达不到应变强化的效果；而如果太高，则在相变强化的复合作用下，裂纹容易起源于马氏体，钢管很容易开裂。

[0047] 步骤5)中，去应力退火的加热温度过高或者保温时间过长均会导致马氏体完全分解，造成强度显著下降的后果，另外还会造成铁素体在冷加工过程中产生的高密度位错消失，发生回复和再结晶，使得钢管的强度显著下降。然而，加热温度过低又不能使冷加工过程产生的残余应力消除，将导致材料的延伸率不能达到使用要求，因此，本发明控制去应力退火温度为150～250℃，保温时间为30～90min。

[0048] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管成品的微观组织为形变铁素体+回火马氏体，这种形变铁素体和回火马氏体都含有高密度的位错，具有优良的阻尼减震的效果。本发明所述高强度冷加工管具备高的强度，其屈服强度可以达到890MPa、1000MPa、1100MPa、1200MPa等不同强度级别，满足用户不同需求，同时延伸率均≥10％。

[0049] 本发明所述相变强化冷加工高强度钢管合金含量少，生产成本低。同时，本发明通过亚温淬火工艺结合适当的冷加工延伸系数，达到了显著的相变强化和应变强化的效果，不但保证了制造钢管的生产效率，还有效地避免了钢管的开裂。

[0050] 本发明采用相变强化工艺，充分发挥淬火时产生的相变强化和冷加工时产生的应变强化，使马氏体强化和应变强化产生了显著的复合强化效果，再通过去应力退火工艺获得了屈服强度≥890MPa、延伸率≥10％的高强度无缝钢管，而且由于采用了整管加热水淬的方式，使得可以生产壁厚达20mm的厚壁无缝钢管，不仅可制造性好，产品工艺简单，性价比高，而且尺寸精度优良，具有优良的阻尼减震性能，此类无缝钢管尤其适用于制造车用冷加工高强钢管。

附图说明

[0051] 图1为本发明实施例1中水淬后钢管的典型微观组织照片。

[0052] 图2为本发明实施例1中冷加工高强钢管的典型微观组织照片。

具体实施方式

[0053] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

[0054] 表1为本发明实施例及对比例钢的成分，表2为本发明实施例及对比例钢管的制造工艺，表3为本发明实施例及对比例钢管的力学性能。

[0055] 本发明实施例的制造工艺包括步骤如下，具体工艺参数参见表2：

[0056] (1)按照如表1所示的化学元素质量百分配比进行冶炼、铸造成管坯；

[0057] (2)采用环形加热炉将管坯加热至1200～1260℃，均热30～90min；

[0058] (3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔，通过三辊张力减径机对管坯进行减径减壁厚后自然冷却，获得热轧态母管，或者对钢管进行酸洗后再磷化皂化之后，进行冷加工获得冷加工母管；

[0059] (4)对热轧态母管或冷加工母管进行两相区淬火，淬火加热温度为750～830℃，然后对钢管进行水淬，本发明实施例1水淬后组织效果图参见图1。

[0060] (5)淬火后进行最后道次冷加工，控制最后道次冷加工的延伸系数为1.1～1.4，以保证钢管在最终热处理前获得足够的应变硬化的效果，同时避免在冷加工后钢管产生开裂等缺陷。

[0061] (6)冷加工后进行去应力退火，去应力退火温度为150～250℃，保温时间为30～90min，本发明实施例1钢管组织效果图参见图2。

[0062] 由图1可知，本发明母管水淬后获得了铁素体+马氏体的混合组织，实现了马氏体强化的效果；由图2可知，本发明钢管为形变铁素体+回火马氏体的混合组织。

[0063] 表3为热轧态母管、水淬后钢管以及冷加工去应力退火后钢管成品的力学性能，由表3可知，本发明水淬后钢管的屈服强度和热轧态屈服强度相当，但抗拉强度明显提高，马氏体强化效果非常明显；在随后的冷加工延伸变形中，1.1～1.4的延伸系数使得钢管的屈服强度和抗拉强度显著提升，去应力退火后可以达到屈服强度890MPa以上不同的强度等级，产生的应变强化和马氏体强化的效果十分显著。

[0064] 由表1-3可知，实施例1-8中冷高强度冷加工管的屈服强度均＞890MPa、延伸率均≥10％，可以满足用户对不同强度等级的要求。然而，当无缝钢管中的某些化学元素质量百分配比超过了本发明所限定的范围，例如对比例1仅含V一种元素、对比例2的C含量过低，屈服强度不能达到890MPa级，而对比例3中Mo含量过高，冷加工退火后延伸率达不到要求，因此，这些无缝钢管的综合力学性能并不符合高强度冷加工钢管的标准。

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