S890 大直径厚壁高强韧性液压油缸用无缝钢管的开发

2020-09-02王世明黄佑启

钢管 2020年2期

王世明，周勇，黄佑启

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳 421001）

近年来随着我国工程机械产业的迅速发展，对高强度机械用钢的需求量快速增长，要求也越来越高，主要体现在高强度、优异的低温冲击韧性和良好的焊接性能等方面［1-2］。普通的27SiMn 和20MnTi热处理后的力学性能已不能满足大直径厚壁管对高强度、高韧性的要求；而S890 高强度钢调质后屈服强度可达890 MPa，同时具有优异的低温冲击韧性，表现出高的可靠性和发展潜力，因此逐渐引起国内外结构用钢领域的关注［3-8］。但大直径厚壁S890 高强度油缸管在国内少有厂家能够生产，主要原因是大直径厚壁管高强度与高韧性的匹配及钢管全壁厚性能的均匀性难以控制。为满足采煤机械和煤炭工业对液压支架油缸用无缝钢管更高的使用要求，衡阳华菱钢管有限公司（简称华菱衡钢）和国内某机械集团有限公司联合开发出具有自主知识产权的新型大直径厚壁高强韧性S890 液压支架油缸用无缝钢管。

1 技术要求

1.1 化学成分设计

大直径厚壁高强韧性液压支架油缸用无缝钢管对材料强度、韧性和焊接性等方面要求较高。为改善材料的焊接性能，提高冲击韧性，在传统中碳Cr-Mo 调质钢的基础上，化学成分采用适当降C 和Si、增Cr 和Ni 的钢种。

设计该种无缝钢管化学成分的目的，一是在确保钢的淬透性的前提下，尽量减少碳含量，以避免损害钢的塑性和韧性；二是降低钢的韧脆转变温度，提高钢的塑性和韧性；三是有利于通过最终的调质热处理，形成超细化回火马氏体基体上分布一定数量纳米级尺度沉淀粒子这一强度和韧性兼备的微观组织。

C 是钢中的基本元素，它扩大Fe 的γ 相区而缩小Fe 的α 相区，钢中碳含量增加，钢的室温、高温强度提高，但碳含量偏高会增加组织变化对钢性能的影响，同时钢的韧性和焊接性能变差。为了改善钢的焊接性能，提高冲击韧性，尤其是低温冲击性能，一般要求钢中的碳含量在0.2%以下甚至更低。为了弥补碳含量降低对钢强度的影响，加入一定数量的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti 等，利用其固溶强化、析出强化和细晶强化等机理，从而获得高强度。

Cr 和Mo 都是碳化物形成元素，可有效地提高钢的回火抗力，使钢的强度更多地来源于Cr-Mo 碳化物的析出强化而不是回火马氏体的晶格畸变，这对材料的抗硫化氢性能非常有利；Ni 降低奥氏体化转变开始温度Acl，是形成奥氏体和稳定奥氏体区的主要元素，为低温钢的主要合金元素之一。它在钢进行奥氏体加热时可阻止高温时晶粒的长大，保持细小状态，同时Ni 在钢中还可延缓并抑制δ 铁素体的形成进而改善冲击韧性；Ni 的层错能很高，固溶于铁素体中能进一步提高固溶体的层错能，有可能抑制螺型位错的分解，即使在低温下也易于发生交滑移，Ni 能显著提高钢的低温韧性。

大量研究结果表明：Nb、V 和Ti 在钢中是通过晶粒细化影响其强度和韧性。Nb、V、Ti 虽然在钢中所占量甚微，但对钢的力学性能大有裨益。在热轧条件下，微量的Nb、V、Ti 对铁素体起到沉淀强化和细晶强化的作用。S890 无缝钢管化学成分设计要求及实际成分见表1。

表1 S890 无缝钢管化学成分（质量分数） %

1.2 设计规格、交货状态及性能要求

S890 大直径厚壁高强韧性无缝钢管的设计规格为Φ710 mm×63 mm，交货状态为调质，强度按照壁厚递减，S890 大直径厚壁高强韧性无缝钢管在交货状态下的力学性能指标和冲击功要求见表2。

表2 S890 无缝钢管力学性能和冲击功要求

2 S890 高强韧性无缝钢管的开发工艺方案

2.1 S890 无缝钢管的开发工艺路线

S890 无缝钢管的开发工艺路线为：配料→电炉冶炼→LF 炉外精炼→VD 真空脱气→弧形连铸→坯料检验入库→热轧→热处理→探伤→包装入库。

2.2 炼钢工艺

采用电炉冶炼+LF+VD 的冶炼工艺降低了钢液中杂质元素的含量及夹杂物的形态、大小和数量。原料采用50%铁水+50%优质废钢配比，严格控制S、P 及其他有害元素的含量，保证钢水的纯净度；采用保护浇注的方法减少钢液吸气和二次氧化，并纯净中间包钢液；采用结晶器电磁搅拌，起到提高铸坯等轴晶率，促使钢液中夹杂物上浮及改善钢成分偏析的作用［9］。

2.3 轧管工艺

采用Φ720 mm 周期轧管机组轧管，轧管工艺路径：坯料检验→管坯钻孔→环形炉加热→曼式穿孔机穿孔→芯棒预穿→周期轧管机轧制→热锯切皮尔格头→步进式加热炉再加热→高压水除鳞→定径机定径。

周期轧管机的优点：①锻轧结合，变形量大，可用钢锭直接轧成无缝钢管；②设备简单，投资少，成本较低；③延伸系数大，可达10～20；④轧制钢种范围广，可生产高合金钢等难轧钢种；⑤壁厚变化范围大，最大可达100 mm 以上；⑥可以生产大中直径钢管［10-11］。

Φ720 mm 周期轧管机组正好可以解决高合金高强度大规格钢管轧制变形大、变形抗力大、易产生轧制裂纹的难点。管坯出炉温度按1 260～1 280℃控制，加热时间大于15 h，此时该钢种具有最佳的塑性。周轧时合理地设置喂入角、辗轧角及轧制转速等轧制工艺参数，保证该钢种的顺利轧制。步进式加热炉再加热按出炉温度950～960 ℃控制，加热时间45 min。定径前高压水除鳞压力18～20 MPa；轧辊冷却水压力0.3～0.4 MPa，保证钢管表面无氧化铁皮。

2.4 热处理工艺

为了确定钢管的热处理工艺，对S890 大直径厚壁高强韧性液压油缸用无缝钢管进行了热处理工艺试验。根据试验结果，确定了如下调质工艺：采用在线淬火+回火的热处理方式，淬火温度（950±10）℃，在炉时间3 h 以上；升温90 min 后，温度达（665±5）℃时回火，保温420 min。淬火炉达到设定温度，保证钢管充分奥氏体化，水淬时保证钢管旋转中心线水平。

表3 S890 无缝钢管取样性能数据

3 成品管的组织及性能检测结果

对按上述热处理工艺调质后的S890 大直径厚壁高强韧性液压油缸用无缝钢管按GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》进行拉伸试验，按GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验，按GB/T 13320—2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定办法》进行金相组织检测，按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物检验［12］。

3.1 常温力学性能

从热处理后的S890 大直径厚壁液压油缸用无缝钢管中抽取6 支进行性能检测，所测钢管的屈服强度、抗拉强度、伸长率、低温冲击功及表面硬度值见表3。

通过表3 的数据分析得出，屈服强度最低805 MPa，抗拉强度最低875 MPa，伸长率最小值17.5%，冲击功平均值最小152 J，硬度值262～273 HB，心部硬度262～272 HB，各项指标都满足设计要求，证明采用淬火温度（950±10）℃、在炉时间3 h 以上，升温90 min、回火温度（665±5）℃、保温420 min的调质工艺生产的S890 大直径厚壁液压油缸用无缝钢管，符合设计要求。

表4 S890 无缝钢管的非金属夹杂物级

图1 S890 无缝钢管非金属夹杂物

3.2 非金属夹杂物及金相组织

非金属夹杂物独立存于钢中，破坏了钢基体的连续性，使钢的组织不均匀性增大，对钢的性能产生强烈的影响，因此非金属夹杂物的级别和形态控制对钢质量有致命的影响。

用金相显微法按GB/T 13320—2007 标准检验，S890 大直径厚壁液压油缸用无缝钢管非金属夹杂物结果见表4 和如图1 所示。

通过上述取样分析，S890 大直径厚壁液压油缸用无缝钢管非金属夹杂物A 类粗系、B 类粗系和D 类粗系均为0.5 级，而且在观察的范围内没有发现其他夹杂物。而这一超低级别的夹杂物控制则保证了S890 无缝钢管具有一个高的强度、良好的塑性和断裂韧性。对成品样管进行内表面、壁厚中间、外表面金相组织观察，钢管组织为回火索氏体+少量贝氏体，外表面的晶粒度略微粗大，主要是钢管淬火时步进式加热炉加热能力不够，导致钢管在炉时间延长，外表面局部温度偏高造成的，晶粒度为7～9 级，S890 无缝钢管调质后的金相组织如图2 所示。

图2 S890 无缝钢管调质后金相组织

3.3 韧脆转变温度

韧脆转变温度是评价钢种性能的重要指标之一，直接影响着产品的有效使用温度和使用用途，韧脆转变温度过高，则有可能在应用甚至加工过程中发生脆性断裂，造成事故。因此，准确地判定产品韧脆转变温度非常必要［13-15］。本文采用韧脆转变温度FATT50，通过一系列温度的夏比V 型缺口冲击试验，测量不同温度下冲击断口的剪切面积百分比，并以冲击试样的剪切面积百分比50%所对应的温度作为材料的韧脆转变温度。为获得评定钢材冷脆性的冲击韧性和韧脆转变温度，依据GB/T 229—2007 在摆锤式冲击试验机上进行系列冲击试验，试样为10 mm×10 mm×55 mm 的V 形缺口标准试样。试验选取了20，0，－20，－40，－60，－80，－90 ℃共7 个温度，每一温度测试3 个试样分析各冲击试样剪切面积百分比，不同试验温度下试样的冲击值和剪切面积百分比曲线如图3 所示。

从图3 可以得出，S890 大直径厚壁液压油缸用无缝钢管的韧脆转变温度为-72 ℃，韧脆转变温度极低，证明了S890 无缝钢管具有优良的低温冲击韧性。