一种高强度抗疲劳无缝钢管及其制造方法
阅读说明：本技术 一种高强度抗疲劳无缝钢管及其制造方法 (High-strength anti-fatigue seamless steel tube and manufacturing method thereof ) 是由 张春霞 刘耀恒 张忠铧 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度抗疲劳无缝钢管,其化学元素质量百分比为：C：0.15～0.30％,Si：0.4～1％,Mn：1.3％～2％,N：0.001～0.01％；此外还含有V、Nb、Ti的至少其中一种,其含量满足0.65＞V％×3.5+Nb％×6.8+Ti％×12.5＞0.25；余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外,本发明还公开了一种制造方法,其包括步骤：(1)制得管坯；(2)将管坯加热,然后经穿孔、连轧制成荒管；(3)将荒管冷却到650℃以下后,再加热到840～1000℃,保温一段时间后出炉,经张力减径或定径工序后结束轧制,钢管结束轧制时的温度不低于780℃；(4)轧后钢管自由空冷。(The invention discloses a high-strength anti-fatigue seamless steel tube, which comprises the following chemical elements in percentage by mass: c: 0.15-0.30%, Si: 0.4-1%, Mn: 1.3% -2%, N: 0.001-0.01%; in addition, at least one of V, Nb and Ti is contained, and the content of the V, Nb and Ti satisfies 0.65 to V percent multiplied by 3.5 to Nb percent multiplied by 6.8 to Ti percent multiplied by 12.5 to 0.25; the balance being Fe and other unavoidable impurities. In addition, the invention also discloses a manufacturing method, which comprises the following steps: (1) preparing a tube blank; (2) heating the tube blank, and then perforating and continuously rolling to prepare a pierced billet; (3) cooling the pierced billet to below 650 ℃, then heating to 840-1000 ℃, keeping the temperature for a period of time, discharging, finishing rolling after a tension reducing or sizing procedure, wherein the temperature of the steel tube is not lower than 780 ℃ when the rolling is finished; (4) and (4) freely cooling the rolled steel pipe in air.)
技术领域
本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种无缝钢管及其制造方法。
背景技术
半挂车是指车轴置于车辆重心(当车辆均匀受载时)后面，并且装有可将水平和垂直力传递到牵引车的联结装置的挂车，是通过牵引销与半挂车头相连接的一种重型的运输交通工具。与“单体式”汽车相比，半挂车更能够提高公路运输的综合经济效益。运输效率可提高30-50％，成本降低30-40％，油耗下降20-30％。因此近年来其需求不断增长。半挂车的车轴置于车辆重心后面，并且装有可将水平或垂直力传递到牵引车的联结装置，其主要承载部件为后置车轴，主要承载车厢重量，在车辆运行过程中，需要承受周期性的压力载荷，相关标准JT/T 475中也规定了其垂直弯曲疲劳评价方法，标准要求疲劳寿命不低于80×104次。
传统的半挂车轴通常采用钢板弯制后焊接成管，再在两端焊接上轴头制成，但此制造方法存在较多问题例如：工艺复杂，整体稳定性不佳，疲劳寿命波动大。因而，近年来部分车轴制造企业采用无缝钢管直接热加工成型成车轴毛坯，再焊接其他配件后使用，该制造方法具有整体均匀性好，工艺相对简便等特点，从而得到了广泛的推广使用。
但是，上述制造方法中的无缝钢管由于其轧制过程中无法实现类似板材TMCP技术的组织性能控制，因而其性能提升难度较大，一般而言，上述的作为车轴管的无缝钢管若想实现高的强度(例如500MPa以上)，则需要通过调质(即淬火+回火)热处理来实现。而加工后的车轴由于其全长内径、壁厚是变化的特点，使得调质热处理后的整体均匀性往往欠佳，进而影响了车轴整体的承载能力和耐疲劳性能。
例如：公开号为CN101892441A，公开日为2010年11月24日，名称为“一种超细晶粒半挂车车轴管材料及车轴管加工方法”的中国专利文献公开了一种超细晶粒半挂车轴管材料及车轴管的加工方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其利用钢管轧后余热进行外壁喷雾冷却和内壁余温回火，从而提升钢管的强度和韧性。
基于此，期望获得一种无缝钢管，其可以具备高强度以及高抗疲劳性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强度抗疲劳无缝钢管，该高强度抗疲劳无缝钢管的强度高、抗疲劳性能好。
为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度抗疲劳无缝钢管，其化学元素质量百分比为：
C：0.15～0.30％，Si：0.4～1％，Mn：1.3％～2％，N：0.001～0.01％；此外还含有V、Nb、Ti的至少其中一种，其含量满足0.65＞V％×3.5+Nb％×6.8+Ti％×12.5＞0.25；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，C有利于提高钢的强度，但同时也会降低钢的塑韧性。为了保证本案的钢种的强韧性匹配，并保持所需要的微观组织为铁素体+珠光体，因而，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中限定C的质量百分比为0.15～0.30％。
Si：在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，Si是钢中由脱氧剂而带入的元素，在钢中有利于抑制氧的含量，增加铁素体形成倾向，因此，在本发明所述的技术方案中，将Si的质量百分比控制在在0.4％以上，但若Si的质量百分比过1％时，会显著增加钢的冷脆倾向。基于此，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中限定Si的质量百分比为0.4～1％。
Mn：在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，Mn具有扩大奥氏体相区，细化晶粒等有益效果，在本案中，由于限制C的质量百分比在较低水平，因而通过加入Mn来提高固溶强化效果，但同时考虑到Mn的质量百分比超过一定量后，也会增加钢冷却时形成贝氏体、马氏体等组织的倾向，而且还会对钢的热加工性能产生明显的影响。基于此，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中控制Mn的质量百分比为1.3％～2％。
N：在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，钢中含有微量的N会有效提升钢的强度和硬度，但N的质量百分比过高也会导致较多的夹杂物形成，不利于钢的性能。基于此，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中控制N的质量百分比在0.001～0.01％；
此外，本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，还含有V、Nb、Ti的至少其中一种，其含量满足0.65＞V％×3.5+Nb％×6.8+Ti％×12.5＞0.25。
需要说明的是，上述公式中，V％、Nb％以及Ti％分别表示对应元素的质量百分比，在代入公式时，代入的数值是其百分号前的数值，例如V的质量百分比为0.06％，则V的代入的数值为0.06。
在本发明所述的技术方案中，V、Nb、Ti均为强碳化物形成元素，其与钢中的碳氮结合形成的碳氮化物，并在高温时析出，从而有利于细化晶粒，提高钢的强韧性。根据本案发明人大量实验研究发现，加入V、Nb、Ti元素中的至少其中一种，并使其含量达到一定水平，则可取得明显的晶粒细化效果。此外该类元素含量超过一定水平后，容易形成粗大碳化物从而不利于钢的塑韧性。基于此，控制上述元素的含量满足0.65＞V％×3.5+Nb％×6.8+Ti％×12.5＞0.25。
进一步地，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，其他不可避免的杂质中的各元素满足下列各项的至少其中之一：S≤0.008％，P≤0.02％，O≤0.006％。
S：S是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、热加工性、韧性等都有不利影响，因此，在本发明所述的技术方案中，控制S的质量百分比为S≤0.008％。优选地，可以将S的质量百分比进一步控制在S≤0.005％。
P：P是钢中的有害元素，其存在对于钢的耐腐蚀性、韧性等都有不利影响，因此，在本发明所述的技术方案中，控制P的质量百分比为P≤0.02。优选地，可以将P的质量百分比进一步控制在P≤0.018％。
O：O在钢中以各类氧化物夹杂物存在，夹杂物的存在对钢的热加工性、塑韧性均有不良影响，为了保证最终性能，在本发明所述的技术方案中，控制O的质量百分比为O≤0.006％。优选地，可以将O的质量百分比控制在O≤0.004％。
进一步地，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，其微观组织为铁素体+珠光体。
进一步地，本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，珠光体片层平均间距<200nm。
进一步地，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，其全壁厚截面晶粒度＞7级，以保证本案的高强度抗疲劳无缝钢管的强韧性以及疲劳寿命。
进一步地，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，其内外表面全脱碳层深度<0.3mm，以保证本案的高强度抗疲劳无缝钢管的强韧性以及疲劳寿命。
进一步地，在本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管中，其控轧态或正火态的屈服强度≥500MPa，疲劳寿命≥100×104次。
相应地，本发明的另一目的在于提供上述的高强度抗疲劳无缝钢管的制造方法，通过该制造方法所获得的高强度抗疲劳无缝钢管的强度高、抗疲劳性能好。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的高强度抗疲劳无缝钢管的制造方法，制造方法不包括调质热处理步骤，其包括步骤：
(1)制得管坯；
(2)将管坯加热，然后经穿孔、连轧制成荒管；
(3)将荒管冷却到650℃以下后，再加热到840～1000℃，保温一段时间后出炉，经张力减径或定径工序后结束轧制，钢管结束轧制时的温度不低于780℃；
(4)轧后钢管自由空冷。
在本发明所述的制造方法中，由于本案的制造方法可以无需调质热处理，因而，生产流程可以较为简单，且不会出现因调质热处理所带来的尺寸精度变化以及直度不良的问题。并且由于本案的无缝钢管在较宽的冷速范围内冷却，因而，可以稳定得到铁素体+珠光体的均匀组织，且所得到的高强度抗疲劳无缝钢管的整体均匀性及表面脱碳层水平好于调质产品，性能更为稳定，更适用于变厚截面的车轴类产品。
并且，在本发明所述的技术方案中，将钢管结束轧制时的温度不低于780℃，以保证终轧后的组织维持在全奥氏体组织状态。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，保温时间≥(0.5×t)min，其中t表示钢管壁厚，单位参量为mm。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，将管坯加热到1150～1280℃，并保持1～4h后进行穿孔和连轧。
上述方案中，考虑到不同热轧机组的条件，控制管坯的加热温度不低于1150℃，以保证具有足够的变形力，但是若温度超过1280℃，则容易出现晶粒粗化和过烧。同理，保温时间低于1h无法保证加热均匀性，而超过4h则容易出现晶粒粗化和过热的问题。因此，在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，将管坯加热到1150～1280℃，并保持1～4h后进行穿孔和连轧。
本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管具备超高的强度和抗疲劳性能，其控轧态或正火态的屈服强度≥500MPa，疲劳寿命≥100×104次。
此外，本发明所述的制造方法在制造时无须调质热处理，生产流程较为简单，不会出现因调质热处理带来的尺寸精度变化及直度不良等问题。
另外，本发明所述的制造方法由于在无缝钢管较宽的冷速范围内冷却，因而，可以稳定得到铁素体+珠光体的均匀组织，且所得到的高强度抗疲劳无缝钢管的整体均匀性及表面脱碳层水平好于调质产品，性能更为稳定，更适用于变厚截面的车轴类产品。
附图说明
图1为实施例A的高强度抗疲劳无缝钢管的金相组织图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例A-F以及对比例a-e
实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管采用以下步骤制得：
(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和铸造，制得管坯。
(2)将管坯加热到1150～1280℃，并保持1～4h后经穿孔、连轧制成荒管。
(3)将荒管冷却到650℃以下后，再加热到840～1000℃，保温一段时间后出炉，经张力减径或定径工序后结束轧制，钢管结束轧制时的温度不低于780℃，保温时间不大于(2×t)min，其中t表示钢管壁厚，单位参量为mm。
(4)轧后钢管自由空冷。
表1列出了实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管以及对比例a-e的常规钢管的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以及O以外的其他不可避免的杂质)
表2列出了实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管以及对比例a-e的常规钢管的具体工艺参数。
表2.
为了验证本案的实施效果，同时证明本案较之现有技术的优异效果，本案将实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管以及对比例a-e的常规钢管取样进行性能测试。同时，将实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管以及对比例a-e的常规钢管按常规流程加工成车轴后，按照JT/T 475标准进行疲劳性能评价。
需要说明的是，强度数据是将制成的钢管加工成API弧形试样，按API标准检验后取平均数得出；
微观组织是从样管上取全壁厚试样打磨抛光后，使用4％硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下拍照分析得出，珠光体片层平均间距数据采用50个测量数据平均得出。
表3列出了实施例A-F的高强度抗疲劳无缝钢管以及对比例a-e的常规钢管的测试结果。
表3.
由表3可以看出，本案各实施例的控轧态或正火态的屈服强度≥500MPa，疲劳寿命≥100×104次。并且，本案各实施例的微观组织为铁素体+珠光体，珠光体片层平均间距<200nm，且全壁厚截面晶粒度＞7级，其内外表面全脱碳层深度<0.3mm。
反观对比例，由于对比例a-c中的常规钢管的合金元素不符合本案所限定的范围，因而，其无法获得足够的强度或是疲劳寿命。此外，在对比例c中，由于其再加热前的冷却温度过高，因而导致相变为未完成，最终导致再加热奥氏体化细化组织的效果不明显，晶粒及珠光体片层粗化，影响了钢管的强韧性及疲劳寿命。另外，对于对比例d而言，由于其终轧温度过低，因而，会引起先共析铁素体析出,导致组织不均匀，进而降低疲劳寿命。而在对比例e中，由于加热温度过高，因而，导致表面脱碳层过深以及晶粒粗大，同样降低疲劳寿命。
图1为实施例A的高强度抗疲劳无缝钢管的典型金相组织图。
如图1所示，在实施例A的高强度抗疲劳无缝钢管中，其微观组织为铁素体+珠光体。
综上所述可以看出，本发明所述的高强度抗疲劳无缝钢管具备超高的强度和抗疲劳性能，其控轧态或正火态的屈服强度≥500MPa，疲劳寿命≥100×104次。
此外，本发明所述的制造方法在制造时无须调质热处理，生产流程较为简单，不会出现因调质热处理带来的尺寸精度变化及直度不良等问题。
另外，本发明所述的制造方法由于在无缝钢管较宽的冷速范围内冷却，因而，可以稳定得到铁素体+珠光体的均匀组织，且所得到的高强度抗疲劳无缝钢管的整体均匀性及表面脱碳层水平好于调质产品，性能更为稳定，更适用于变厚截面的车轴类产品。
综上所述可以看出，本发明所述的热轧车轴用钢具有高强度以及成形性能佳的特点，并且所述的热轧车轴用钢冷加工性能好，延伸率高。
此外，本发明所述的热轧车轴用钢可以不经过热处理，制造成本较低，且热轧后无需复杂的控制冷却技术，采用一般层流冷却工艺就可实现，易于生产。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
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