一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法和貝氏體型高強度無縫鋼管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其包括步驟：冶煉，制造管坯，加熱，穿孔，連軋，張力減徑或定徑以得到荒管，冷卻；所述冷卻步驟為：控制開冷溫度至少為鋼種的Ar3溫度+20℃；控制終冷溫度在T1和T2之間，其中T1＝519－423C－30.4Mn，T2＝780－270C－90Mn，T1和T2的單位均為℃，式中的C、Mn分別表示鋼種中C元素和Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),C元素含量為0.06?0.2％，Mn元素含量為1?2.5％；控制冷卻速度為15?80℃/s；冷卻步驟后直接得到貝氏體型高強度無縫鋼管成品。采用該方法制得貝氏體型高強度無縫鋼管，不需要添加貴合金元素，不需要后續(xù)熱處理，因此生產(chǎn)成本低。
【專利說明】
一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法和貝氏體型高強度 無縫鋼管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼管及其制造方法，尤其涉及一種無縫鋼管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無縫鋼管由于產(chǎn)品形態(tài)和制造方法的限制，長期以來僅能依靠添加合金元素和乳 制后的離線熱處理來提升產(chǎn)品性能，以油井管為例，555MPa(80Ksi)以上級別的鋼管需要依 靠添加較多合金元素(如N80-1)或離線熱處理(如N80-Q和P110)方可生產(chǎn)，明顯增加了制造 成本。
[0003] 目前熱乳鋼管通常的生產(chǎn)工藝為乳制后在冷床上進行空冷，隨后再根據(jù)需求重新 加熱，進行離線的熱處理(正火、調(diào)質(zhì)等），這不僅造成了鋼管乳后余熱的浪費（通常乳后鋼 管溫度在900°C以上），同時也基本無法對乳態(tài)基體組織進行調(diào)控，無法通過控制基體組織 的方法來提升性能。此外，在冷卻不良時容易形成粗大晶粒、混晶乃至魏氏組織等不良基體 組織，這些問題在離線熱處理時會有部分遺傳現(xiàn)象，難以得到完全解決。
[0004] 公開號為CN103740896A，【公開日】為2014年4月23日，名稱為"鋼管在線淬火方法"的 中國專利文獻(xiàn)公開了 一種鋼管的在線淬火方法，包括如下步驟:1)將經(jīng)過乳制、定徑的970-980°C高溫鋼管直接轉(zhuǎn)至淬火槽;2)旋轉(zhuǎn)高溫鋼管，沿高溫鋼管延伸方向向高溫鋼管內(nèi)壁噴 水，內(nèi)壁噴水速度為6500-7000立方米/小時，沿高溫鋼管外壁切線且與鋼管旋轉(zhuǎn)相反的方 向向高溫鋼管外壁噴水，外壁噴水速度為4500-5000立方米/小時，噴水總時間為10-12分 鐘，使高溫鋼管在10-12秒內(nèi)被淹沒；3)高溫鋼管降溫至250-260 °C時，將淬火槽內(nèi)的水排 出，完成淬火，得到淬火鋼管。該技術(shù)方案主要目的是提供一種利用余熱對鋼管進行淬火的 工藝方法，對于在線淬火對鋼管性能的影響及控制方面沒有提及，且其淬火目的是以得到 馬氏體為主的基體組織，因此在線淬火后還需要增加回火工序。
[0005] 公開號為CN101016599,【公開日】為2007年8月15日，名稱為"低碳當(dāng)量微合金鋼管及 其在線?；に?的中國專利文獻(xiàn)公開了一種低碳當(dāng)量微合金鋼管，按重量％其鋼種成分 為：C:0.10~0.14、Si :0.15~0.35、Mn:1.30~1.50、P:<0.015、S :<0.005、NK0.25、Mo: 彡0.08、Cu:彡0.20、厶1:0.020~0.050、￥:0.05~0.10、他：0.02~0.06、11 :彡0.04，其余為 Fe。還提供一種生產(chǎn)上述低碳當(dāng)量微合金鋼管的在線?；に?，其工藝包括以下步驟:鋼的 冶煉;管的成型；管的加工。本技術(shù)方案其主要原理是采用在線常化工藝替代離線正火工 藝，利用將500~550°C的荒管在線升溫到920°C完成正火的方式，以實現(xiàn)余熱利用。其目標(biāo) 鋼級是X52級別，低于本發(fā)明產(chǎn)品，同時根據(jù)其技術(shù)特點，最終基體組織為鐵素體和珠光體， 也與本發(fā)明最終基體組織為貝氏體不符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其通過在 線控冷的方法，實現(xiàn)對相變的控制，從而在不添加貴合金元素、不需要后續(xù)離線熱處理的情 況下，得到一種具備高的強韌性（屈服強度彡555MPa，0°C全尺寸沖擊功>50J)的貝氏體型無 縫鋼管，從而實現(xiàn)高性能無縫鋼管產(chǎn)品的低成本生產(chǎn)的需求。
[0007] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，發(fā)明人對貝氏體型鋼管的制造工藝進行研究，發(fā)現(xiàn)鋼管在 熱變形后，由于形變對相變的誘導(dǎo)效應(yīng)，進行在線快速冷卻后，可獲得更為細(xì)小的基體組 織，從而取得更佳的強度和韌性;并且通過控制冷卻工藝中的包括開冷溫度、冷卻速度、終 冷溫度的參數(shù)，可以有效調(diào)節(jié)鋼管基體組織和最終性能。
[0008] 本發(fā)明是基于上述認(rèn)識而完成的。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種貝氏體 型高強度無縫鋼管的制造方法，其包括步驟:冶煉，制造管坯，加熱，穿孔，連乳，張力減徑或 定徑以得到荒管，冷卻;所述冷卻步驟為：
[0009] 控制開冷溫度彡鋼種的Ar3溫度+20°C;控制終冷溫度在T1和T2之間，其中Tl = 519 - 423C-30·4Μη，Τ2 = 780 - 270C-90Μη，Τ1 和 Τ2 的單位均為。C，式中的C、Mn 分別表示鋼 種中C元素和Μη元素的質(zhì)量百分比，C元素含量為0.06-0.2%，Mn元素含量為1-2.5% ;控制 冷卻速度為15-80°C/S;冷卻步驟后直接得到貝氏體型高強度無縫鋼管成品。
[0010] 本發(fā)明所述的一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法中，冶煉的鋼水可以直接 澆注成圓管坯，也可以是先澆注后再將其鑄坯鍛造或乳制成管坯。
[0011] 為了獲得足夠的強度，保證盡可能完全的貝氏體相變，開冷溫度應(yīng)該保持在鋼種 的Ar3溫度(奧氏體冷卻相變溫度)+20°C以上，鋼種的Ar3溫度對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是已 知的或可以由現(xiàn)有技術(shù)條件獲得，包括查閱手冊或是用熱模擬實驗測得。
[0012] 為獲得足夠的強度和韌性，需要保證足夠完全的貝氏體相變和晶粒組織的盡可能 細(xì)化，冷卻速度的提高有利于貝氏體相變，并且也有利于增加奧氏體過冷度，提高形核數(shù) 量，細(xì)化貝氏體基體組織，因而需要控制冷卻速度來提升變形奧氏體的過冷度。根據(jù)本發(fā)明 技術(shù)方案，從開冷溫度到終冷溫度的平均冷卻速度需要多15°C/s，同時由于鋼管圓形截面 的應(yīng)力集中問題，需要將平均冷卻速度控制在80°C/s以下，以防止鋼管開裂;終冷溫度過 低，會產(chǎn)生馬氏體基體組織以影響韌性，而終冷溫度過高則會無法得到需要的貝氏體基體 組織，因此本技術(shù)方案研究提出，終冷溫度控制在T1~T2之間，可獲得需要的貝氏體基體組 織和性能。其中 1'1 = 519 - 423(： - 30.4]\111，了2 = 780 - 270(： - 90111;1'1和了2的單位均為°(：，式 中的C、Mn分別表示鋼種中C元素和Μη元素的質(zhì)量百分比，也就是說，如果C元素含量控制在 0.06 %，該式中代入的值則為0.06，而不是0.0006( 即0.06 % )。
[0013] 進一步地，所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，在所述冷卻步驟采用水 冷的方式。
[0014] 更進一步地，所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，在所述冷卻步驟中，向 荒管外壁噴水以進行冷卻。
[0015] 進一步地，所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，在所述冷卻步驟中，將荒 管置于水槽中進行冷卻。
[0016] 在本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法中，可以根據(jù)生產(chǎn)線要求， 冷卻方式可以是水冷方式，包括可以向荒管外壁噴水以進行冷卻，也可以是將荒管置于水 槽中進行冷卻。
[0017] 進一步地，所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法在所述加熱步驟，將管坯 加熱到 1150-1300°c，保溫l-4h。
[0018] 在本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法中，根據(jù)不同熱乳機組的條 件，通常加熱溫度不低于1150°C以保證管坯足夠的變形能力，同時加熱溫度也不超過1300 °C以防止管坯過燒。
[0019] 更進一步地，在本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法中，制得的所 述貝氏體型高強度無縫鋼管的化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為：
[0020] C:0.06~0.2%，Si:0.1~0.6%，Mn:l~2.5%，Al:0.01~0.1%，S<0.005%，P< 0.02%，0<0.01 % ;余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0021] 所述貝氏體型高強度無縫鋼管中的各化學(xué)元素的主要設(shè)計原理為：
[0022] C: C是保證強度及淬透性的重要元素，根據(jù)本發(fā)明研究，C含量小于0.06 %時，鋼管 強度難以保證，并且C含量低難以避免先共析鐵素體的析出，影響鋼管韌性。由于在線冷卻 材料受變形應(yīng)力及相變應(yīng)力的雙重影響，較離線熱處理更容易出現(xiàn)裂紋，試驗表明，C控制 在0.2%以下可以明顯減少淬火裂紋的產(chǎn)生；因此，本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管 的C含量控制在0.06~0.2 %。
[0023] Si : Si是鋼中由脫氧劑而帶入的元素，其含量超過0.6 %時，會顯著增加鋼的冷脆 傾向，因此應(yīng)限制Si含量在0.6%以下，此外為了保證脫氧效果，需要保持Si在0.1 %以上； 因此，本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的Si含量控制在0.1~0.6%。
[0024] Μη:Μη具有擴大奧氏體相區(qū)，增加淬透性，細(xì)化晶粒等有益效果，但Μη在凝固時易 發(fā)生偏析，造成最終產(chǎn)品中的明顯帶狀基體組織，帶狀基體組織與基體間的硬度、析出相有 明顯差異，會影響鋼管的韌性。因此需要限制Μη含量在2.5%以下，此外為了保證鋼冷卻后 的基體組織均勻性和淬透性，需要保持Μη在1 %以上；因此，本發(fā)明所述的貝氏體型高強度 無縫鋼管的Μη含量控制在1~2.5 %。
[0025] Α1是鋼脫氧所必須的元素，但Α1含量超過0.1 %后，對澆鑄過程等有不利影響，因 此需要限制Α1含量在0.1 %以下，以0.05%以下為更佳。
[0026] S:S是鋼中的有害元素，其存在對于鋼的熱加工性、韌性等都有不利影響。因此，本 發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的S的含量需要限制在0.005%以下。
[0027] P:P是鋼中的有害元素，其存在對于鋼的耐腐蝕性、韌性等都有不利影響。因此，本 發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的P的含量需要限制在0.02%以下。
[0028] 0:0是降低韌性的元素，為保證產(chǎn)品具備足夠的韌性。因此，本發(fā)明所述的貝氏體 型高強度無縫鋼管的〇的含量在0.01%以下。
[0029]更進一步地，在制得的貝氏體型高強度無縫鋼管中，C元素和Μη元素的質(zhì)量百分比 滿足 C+Mn/6彡0.38。
[0030] 本發(fā)明主要原理是利用冷卻路徑控制來得到貝氏體組織，從而獲得足夠的強韌 性，但鋼中的合金元素若低于一定程度，一方面固溶強化效果有限，另一方面得到的貝氏體 組織其強度也會降低，導(dǎo)致難以獲得555MPa以上的高強度。根據(jù)本發(fā)明研究，主要合金元素 C、Mn需要滿足C+Mn/6彡0.38。
[0031] 采用本發(fā)明所述的制造方法制得的貝氏體型高強度無縫鋼管的屈服強度> 555MPa，0 °C全尺寸沖擊功> 50 J。
[0032] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種貝氏體型高強度無縫鋼管，該無縫鋼管采用本發(fā) 明所述的制造方法制得，其在不添加貴合金元素的情況下，具有屈服強度多555MPa的高強 度以及〇°C全尺寸沖擊功>50J的高韌性。
【具體實施方式】
[0033] 下面將結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法 及采用該方法制得的貝氏體型高強度無縫鋼管做進一步的解釋和說明，然而該解釋和說明 并不對本發(fā)明的技術(shù)方案構(gòu)成不當(dāng)限定。
[0034] 實施例A1-A8和對比例B1-B7
[0035] 上述實施例和對比例中的貝氏體型高強度無縫鋼管采用以下步驟制得：
[0036] (1)冶煉，控制鋼種成分如表1所示(需要說明的是，該冶煉步驟的鋼種成分與貝氏 體型高強度無縫鋼管成品的成分是一樣的）；
[0037] (2)制造管坯:將鋼水直接澆鑄成圓管坯;或者澆鑄后再將鑄坯鍛造或乳制成圓管 坯；
[0038] (3)加熱：將圓管坯加熱到1150-1300°C，保溫1 _4h;
[0039] (4)穿孔；
[0040] (5)連乳；
[0041] (6)張力減徑或定徑制成荒管；
[0042] (7)冷卻：控制開冷溫度至少為鋼種的Ar3溫度+20 °C;控制終冷溫度在T1和T2之 間，其中 Tl = 519 -423C%-30.4Mn%，T2 = 780 -270C%-90Mn%，T1 和 T2 的單位均為。C， 式中的C、Mn分別表示鋼種中C元素和Μη元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C元素含量為0.06-0.2%，Mn元素 含量為1-2.5%;控制冷卻速度為15-80°C/ S;冷卻步驟后直接得到貝氏體型高強度無縫鋼 管成品（各實施例和對比例的具體工藝數(shù)據(jù)參見表2)。
[0043] 表1列出了實施例A1-A8和對比例B1-B7的化學(xué)元素的質(zhì)量百分配比。
[0044] 表1. (wt%，余量為Fe和除了0、P和S之外的其他雜質(zhì)元素）
[0045]
[0046] 由表1可以看出，對比例B1的P、S含量高出本發(fā)明優(yōu)選的范圍；對比例B2的C含量高 出本發(fā)明的優(yōu)選范圍;對比例B3的C+Mn/6的數(shù)值不符合本發(fā)明優(yōu)選的范圍。
[0047]表2列出了實施例A1-A8以及對比例B1-B7的制造方法的具體參數(shù)。
[0048] 表 2
[0049]
[0050]
[0051] 由表2可以進一步看出，對比例Μ的開冷溫度低于本發(fā)明限定的范圍，對比例B5的 冷卻速度低于本發(fā)明限定的范圍，對比例Β6的終冷溫度高于本發(fā)明限定的范圍，對比例Β7 的終冷溫度低于了本發(fā)明限定的范圍。
[0052]表3是實施例Α1-Α8和對比例Β1-Β7的無縫鋼管放置在冷床上進行空冷至室溫所測 得的力學(xué)性能參數(shù)。
[0053] 表 3
[0054]
[0055]
[0056] 上表3中，?生酡測試铦呆米目t卜還測試：
[0057] (1)強度測試:將制成的無縫鋼管加工成API弧形試樣，按API標(biāo)準(zhǔn)檢驗后取平均數(shù) 得出，得到屈服強度。
[0058] (2)沖擊韌性測試:將制成的無縫鋼管加工成10*10*55尺寸、V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊 試樣，在0°C下檢驗得出。
[0059] 由表3可知，實施例A1-A8的無縫鋼管屈服強度都高于550MPa，0°C全尺寸沖擊功都 高于50J，優(yōu)于對比例B1-B7的相應(yīng)性能，具有高強度、高韌性的顯著優(yōu)點，可用于油氣開采， 機械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，并在該領(lǐng)域下滿足相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)，同時充分利用無縫鋼管制造時 的余熱，制造工藝流程方便，基本不添加合金元素，成本可控制在較低的范圍內(nèi)。
[0060] 由表3還可知，對比例B1的P和S雜質(zhì)元素超出優(yōu)化范圍降低了無縫鋼管的沖擊韌 性;對比例B2的C含量過高使得無縫鋼管在冷卻時變形應(yīng)力及相變應(yīng)力的雙重影響，容易出 現(xiàn)裂紋，降低沖擊韌性;B3的C+Mn/6<0.38影響淬透性，變形量不足，影響形變誘導(dǎo)相變效 果，降低屈服強度;對比例Μ的開冷溫度不足導(dǎo)致基體組織內(nèi)產(chǎn)生先共析鐵素體，降低了屈 服強度;對比例Β5的冷卻速度過低導(dǎo)致了基體組織內(nèi)馬氏體比例不足，降低了屈服強度;對 比例Β6的終冷溫度過高導(dǎo)致無法得到需要的貝氏體，降低了屈服強度;對比例Β7的終冷溫 度過低導(dǎo)致產(chǎn)生過多馬氏體，降低了沖擊韌性。
[0061] 需要注意的是，以上列舉的僅為本發(fā)明的具體實施例，顯然本發(fā)明不限于以上實 施例，隨之有著許多的類似變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員如果從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或 聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其包括步驟：冶煉，制造管坯，加熱，穿 孔，連乳，張力減徑或定徑以得到荒管，冷卻;其特征在于，所述冷卻步驟為： 控制開冷溫度彡鋼種的Ar3溫度+20°C ;控制終冷溫度在T1和T2之間，其中Tl = 519 - 423C - 30.4Μη，Τ2 = 780 - 270C-90Μη，Τ1和Τ2的單位均為。C，式中的C、Mn分別表示鋼種中C 元素和Mn元素的質(zhì)量百分比，其中C元素含量為0.06-0.2%，Mn元素含量為1-2.5%;控制冷 卻速度為15-80°C/ S;冷卻步驟后直接得到貝氏體型高強度無縫鋼管成品。2. 如權(quán)利要求1所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，所述冷卻步 驟采用水冷的方式。3. 如權(quán)利要求2所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，在所述冷卻 步驟中，向荒管外壁噴水以進行冷卻。4. 如權(quán)利要求2所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，在所述冷卻 步驟中，將荒管置于水槽中進行冷卻。5. 如權(quán)利要求1所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，在所述加熱 步驟，將管坯加熱到1150-1300°C，保溫I-4h。6. 如權(quán)利要求1所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，采用該制造 方法制得的貝氏體型高強度無縫鋼管的屈服強度>555MPa，0°C全尺寸沖擊功>50J。7. 如權(quán)利要求1-6中任意一項所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在 于，C元素和Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足C+Mn/6彡0.38。8. 如權(quán)利要求1-6中任意一項所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在 于，制得的貝氏體型高強度無縫鋼管的化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為： C:0.06~0.2%，Si:0.1~0.6%，Mn:l~2.5%，Al:0.01~0.1%，S<0.005%，P< 0.02%，0<0.01 % ;余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。9. 如權(quán)利要求8所述的貝氏體型高強度無縫鋼管的制造方法，其特征在于，C元素和Mn 元素的質(zhì)量百分比滿足C+Mn/6彡0.38。10. -種貝氏體型高強度無縫鋼管，其采用如權(quán)利要求1-9中任意一項所述的制造方法 制得。
【文檔編號】C22C38/02GK105907937SQ201610265674
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】張忠鏵, 劉耀恒, 王笑波
【申請人】寶山鋼鐵股份有限公司