阅读说明：本技术 一种改善t91无缝钢管综合力学性能的生产方法 (Production method for improving comprehensive mechanical property of T91 seamless steel tube ) 是由 胡静 周烨晖 姚经松 缪一新 李和林 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属材料改性技术领域,具体涉及一种改善T91无缝钢管综合力学性能的方法,适当降低第一道次轧制变形量,使第一道次轧制后钢管硬度满足第二道次轧制的要求,实现连续两道次冷轧,即两道次轧制之间不进行通常的退火处理、只进行磷化处理。之后对轧制态钢管进行优化工艺的淬火+回火处理,从而获得具有优良综合力学性能的T91成品管。该方法使第一道次轧制获得的高密度位错得到保留,第二道次轧制进一步提高位错密度、细化晶粒。淬火使显微组织进一步细化,回火使T91钢中形成弥散分布的合金碳/氮化物,通过弥散强化进一步提高无缝钢管的强度和硬度,同时塑性没有明显下降。(The invention belongs to the technical field of metal material modification, and particularly relates to a method for improving comprehensive mechanical properties of a T91 seamless steel tube. And then quenching and tempering the rolled steel pipe in an optimized process to obtain a T91 finished pipe with excellent comprehensive mechanical properties. The method enables high-density dislocation obtained by the first pass of rolling to be reserved, and the second pass of rolling further improves the dislocation density and refines grains. Quenching further refines the microstructure, tempering forms alloy carbon/nitride in the T91 steel in a dispersed manner, further improves the strength and the hardness of the seamless steel pipe through dispersion strengthening, and simultaneously does not obviously reduce the plasticity.)

一种改善T91无缝钢管综合力学性能的生产方法

技术领域

本发明属于金属材料改性技术领域，特别涉及一种改善T91无缝管综合力学性能的生产方法。

背景技术

T91钢具有较高的强度、良好的塑性以及良好的抗氧化和抗腐蚀性能，可用于制造金属壁温<625℃的高压锅炉再热器、过热器等受热面管和金属壁温≤600℃的蒸汽导管等。现阶段，T91无缝钢管已逐步占据我国制造大容量亚临界和超临界电站锅炉的主要地位。

通过传统T91生产工艺获得的成品管抗拉强度为680MPa～700MPa，屈服强度为520MPa～540MPa，硬度为200HBW～220HBW，依旧难以满足一些特定环境的服役条件，如超临界(SC)和超超临界(USC)机组用管等，服役条件为蒸汽压力≥25MPa，蒸汽温度≥580℃，要求常温抗拉强度≥750MPa，屈服强度≥580MPa，硬度250HBW左右。同时，传统T91生产工艺周期较长，达不到节能高效的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述技术问题，本发明提供一种改善T91无缝钢管综合力学性能的生产技术与工艺方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种改善T91无缝管综合力学性能的生产技术与工艺方法，包括以下步骤：

(1)选取热轧退火态T91无缝钢管作为研究对象。

钢管规格为Φ82mm×8.5mm。

(2)在LG325-H二辊冷轧机上进行两道次冷轧，两道次轧制中间不进行退火、只进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理；

磷化处理为：将钢管放入50～70℃的磷化液溶液中浸泡30～40min，其中，磷化液与水的质量比为1：10。

冷轧工艺为：冷轧总变形量60％～65％，第一道次轧制变形量为40％～50％；第二道次轧制变形量为22％～26％，两道次中间不进行退火。

去油处理：使用碱性金属除油脱脂粉水溶液清洗轧制态钢管的表面及内壁，去除表面及内壁的油脂、油污，其中，脱脂粉与水的质量比为1：5。

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。

淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500～600℃，保温时间为10min，二次预热温度为800～850℃，保温时间为10min。

淬火工艺为：温度1040～1060℃，保温时间10min，冷却方式为风冷。回火工艺为：温度760～780℃，保温时间60min，冷却方式为空冷。

(4)对成品管进行取样、检测、分析。测试分析具体包括：

1)采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

2)采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

3)采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

本发明的发明思路：

在冷轧过程中，随着塑性变形的进行，位错不断形成，位错密度不断提高，引起加工硬化。常规的冷轧工艺需要在两道次轧制中间进行退火，退火过程中，发生再结晶现象，位错密度下降，使钢管强度、硬度降低，塑性提高，便于下一道次轧制。本发明省去中间退火步骤，通过第一道次轧制采用合适的变形量，在钢管硬度满足第二道次轧制要求的条件下，两道次轧制间不进行退火、只进行磷化处理后直接进行第二道次轧制，从而使第一道次轧制获得的高密度位错得到保留，在此基础上进行第二道次轧制，进一步提高位错密度，并细化晶粒，由此显著提高钢管的强度和硬度。

在此基础上，对T91无缝管进行淬火处理，基于热处理过程中组织具有继承性，在淬火加热奥氏体化过程中时本发明可获得比传统方法更细小的奥氏体晶粒，冷却时奥氏体转变为晶粒细小的马氏体，利用细晶强化提高T91无缝管的强度。回火过程中，T91钢中V、Nb、Cr等碳/氮化物形成元素与C/N形成合金碳/氮化物，优先在位错和晶界等晶体缺陷处弥散析出，细小弥散碳/氮化物能有效阻止位错运动，从而大大提高T91钢无缝管强度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明优化了冷轧工艺，省去传统冷轧工艺的中间退火步骤，使第一道次轧制获得的高密度位错得到保留，从而进一步细化晶粒，提高T91无缝管强度和硬度。同时，省略退火工序可简化物流过程，提高生产效率，降低生产成本。

(2)本发明优化了最终热处理工艺，相比常规一次预热，本发明在淬火前进行两次预热，从而可减少淬火加热过程中T91无缝管的变形开裂倾向，缩短T91无缝管淬火加热过程的保温时间，减少或避免T91无缝管氧化脱碳，降低烧损，还可以准确地控制炉温稳定性。

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图说明

图1是实施例1所得成品管的组织；

图2是实施例2所得成品管的组织；

图3是实施例3所得成品管的组织；

图4是实施例4所得成品管的组织；

图5是对比例1所得成品管的组织；

图6是实施例1所得成品管压扁试验的试样；

图7是实施例2所得成品管压扁试验的试样；

图8是实施例3所得成品管压扁试验的试样；

图9是实施例4所得成品管压扁试验的试样；

图10是对比例2所得成品管压扁试验的宏观裂纹。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。

实施例1

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热500℃，保温时间10min，二次预热温度800℃，保温时间10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例2

(1)选取一根热轧退火态T91无缝管作为实验对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量65％，第一道次轧制变形量为50％；第二道次轧制变形量为24％，两道次中间不进行退火；

(4)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(5)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(6)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(7)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例3

(1)选取一根热轧退火态T91无缝管作为实验对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量63％，第一道次轧制变形量为50％；第二道次轧制变形量为22％，两道次中间不进行退火；

(4)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(5)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(6)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(7)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例4

(1)选取一根热轧退火态T91无缝管作为实验对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为40％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(4)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(5)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(6)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(7)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例5

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热500℃，保温时间10min，二次预热温度800℃，保温时间10min。淬火温度为1050℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例6

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热500℃，保温时间10min，二次预热温度800℃，保温时间10min。淬火温度为1060℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例7

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热500℃，保温时间10min，二次预热温度800℃，保温时间10min。淬火温度为1050℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为770℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

实施例8

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热500℃，保温时间10min，二次预热温度800℃，保温时间10min。淬火温度为1050℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为780℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

对比例1

(1)选取一根热轧退火态T91无缝管作为实验对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行冷轧，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量60％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间进行一次去应力退火，退火温度为850℃，保温时间30min，炉冷。退火后进行磷化处理；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火，获得成品管。淬火前先进行一次预热，预热温度800℃，保温时10min。淬火温度为1040℃，保温时间为20min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)从成品管上截取环状试样，将两个截面打磨至镜面，采用布氏硬度计进行硬度测试分析；

(5)从环状试样上截取圆心角为45°～60°的圆弧状试样，采用光学金相显微镜观察截面显微组织；

(6)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

对比例2

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量70％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为35％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

对比例3

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量70％，第一道次轧制变形量为55％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

对比例4

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量55％，第一道次轧制变形量为38％；第二道次轧制变形量为26％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

对比例5

(1)选取热轧退火态T91无缝管作为研究对象，钢管规格为Φ82mm×8.5mm；

(2)对钢管进行两道次冷轧，两道次轧制中间进行磷化处理，轧制后对钢管进行去油处理，冷轧工艺为：冷轧总变形量55％，第一道次轧制变形量为45％；第二道次轧制变形量为20％，两道次中间不进行退火；

(3)对轧制态钢管进行淬火+回火处理，获得成品管。淬火前先进行两次预热：一次预热温度为500℃，保温时间为10min，二次预热温度为800℃，保温时间为10min。淬火温度为1040℃，保温时间为10min，冷却方式为风冷。回火温度为760℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；

(4)根据国标GBT2975-2018，从成品管上截取力学试样，采用多功能拉伸试验机进行相关力学性能测试分析。

表1不同冷轧工艺下T91无缝管轧制态的硬度

从表1可以看出，实施例1第一道次冷轧后T91无缝管硬度为203HBW，仍在标准范围内，不退火直接进行第二道次轧制的硬度比中间进行退火后再进行第二道次轧制的无缝管硬度高18HBW，由此可知，不退火连续两道次冷轧一定程度上可以提高T91无缝管硬度。同时，当冷轧第一道次变形量较高时，钢管硬度为236HBW，超过能进行第二道次轧制的硬度，无法进行下一步工艺。

表2不同工艺下T91无缝管成品管的力学性能

生成工艺	抗拉强度MPa	屈服强度MPa	延伸率％	硬度HBW
					实施例1	745	588	18	236
实施例2	748	578	18	239
					实施例3	736	577	19	235
实施例4	744	590	18	237
					实施例5	741	589	18	233
实施例6	741	578	19	229
					实施例7	739	592	18	231
实施例8	737	587	18	232
					对比例1	689	531	20	215
对比例2	632	492	17	201
					对比例3	/	/	/	/
对比例4	661	543	23	203
					对比例5	668	537	21	211

说明：表1中第二道次的硬度为轧制态硬度，表2中的硬度为成品管(冷轧+热处理后获得的钢管)硬度。

对比例3由于第一道次变形量过大，导致其硬度过高，一方面不满足继续轧制的要求，另一方面超过了轧机能够承受的范围，强行轧制会影响设备寿命，因此，无法轧制第二道次，无法获得成品管，无法进行测试。

在表2中，对比不同工艺下T91成品管的各项性能可以看出，相比常规生产工艺获得的成品管，不退火连续两道次冷轧加淬回火处理获得的成品管抗拉强度提高55～60MPa，屈服强度提高45～60MPa，硬度提高11～15HBW，塑性没有明显降低。由此可知，省略中间退火、进行连续两道次冷轧及后续淬、回火处理获得的成品管能显著提高T91成品管综合力学性能，尤其是抗拉强度和硬度。同时，对比例4与对比例5表明，当变形量小于本发明范围时，成品管综合性能相比常规工艺以及实施例1工艺均有明显下降。

对比图1～图5可以发现，省略中间退火、进行连续两道次冷轧及后续淬回火处理获得的T91成品管组织晶粒更为细小、均匀，析出弥散的第二相相比常规生成工艺获得的成品管多且分布均匀，起到第二相强化的作用，能显著提高钢的综合力学性能，这一结果与表2中的抗拉强度、硬度变化相吻合，进一步证明了结果的可靠性。

从图6～图10中可以发现，当冷轧变形量符合本发明范围时，成品管压扁试验没有发现裂纹，说明冷变形工艺符合生产要求；当冷轧第二道次变形量大于本发明范围时，有可能在钢管表面形成微裂纹，经过淬、回火处理后，裂纹扩展，通过压扁试验可以发现明显的裂纹，严重影响成品管性能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。