S890 大直徑厚壁高強韌性液壓油缸用無縫鋼管的開發

王世明，周 勇，黃佑啟

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

近年來隨著我國工程機械產業的迅速發展，對高強度機械用鋼的需求量快速增長，要求也越來越高，主要體現在高強度、優異的低溫沖擊韌性和良好的焊接性能等方面［1-2］。普通的27SiMn 和20MnTi熱處理后的力學性能已不能滿足大直徑厚壁管對高強度、高韌性的要求；而S890 高強度鋼調質后屈服強度可達890 MPa，同時具有優異的低溫沖擊韌性，表現出高的可靠性和發展潛力，因此逐漸引起國內外結構用鋼領域的關注［3-8］。但大直徑厚壁S890 高強度油缸管在國內少有廠家能夠生產，主要原因是大直徑厚壁管高強度與高韌性的匹配及鋼管全壁厚性能的均勻性難以控制。為滿足采煤機械和煤炭工業對液壓支架油缸用無縫鋼管更高的使用要求，衡陽華菱鋼管有限公司（簡稱華菱衡鋼）和國內某機械集團有限公司聯合開發出具有自主知識產權的新型大直徑厚壁高強韌性S890 液壓支架油缸用無縫鋼管。

1 技術要求

1.1 化學成分設計

大直徑厚壁高強韌性液壓支架油缸用無縫鋼管對材料強度、韌性和焊接性等方面要求較高。為改善材料的焊接性能，提高沖擊韌性，在傳統中碳Cr-Mo 調質鋼的基礎上，化學成分采用適當降C 和Si、增Cr 和Ni 的鋼種。

設計該種無縫鋼管化學成分的目的，一是在確保鋼的淬透性的前提下，盡量減少碳含量，以避免損害鋼的塑性和韌性；二是降低鋼的韌脆轉變溫度，提高鋼的塑性和韌性；三是有利于通過最終的調質熱處理，形成超細化回火馬氏體基體上分布一定數量納米級尺度沉淀粒子這一強度和韌性兼備的微觀組織。

C 是鋼中的基本元素，它擴大Fe 的γ 相區而縮小Fe 的α 相區，鋼中碳含量增加，鋼的室溫、高溫強度提高，但碳含量偏高會增加組織變化對鋼性能的影響，同時鋼的韌性和焊接性能變差。為了改善鋼的焊接性能，提高沖擊韌性，尤其是低溫沖擊性能，一般要求鋼中的碳含量在0.2%以下甚至更低。為了彌補碳含量降低對鋼強度的影響，加入一定數量的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti 等，利用其固溶強化、析出強化和細晶強化等機理，從而獲得高強度。

Cr 和Mo 都是碳化物形成元素，可有效地提高鋼的回火抗力，使鋼的強度更多地來源于Cr-Mo 碳化物的析出強化而不是回火馬氏體的晶格畸變，這對材料的抗硫化氫性能非常有利；Ni 降低奧氏體化轉變開始溫度Acl，是形成奧氏體和穩定奧氏體區的主要元素，為低溫鋼的主要合金元素之一。它在鋼進行奧氏體加熱時可阻止高溫時晶粒的長大，保持細小狀態，同時Ni 在鋼中還可延緩并抑制δ 鐵素體的形成進而改善沖擊韌性；Ni 的層錯能很高，固溶于鐵素體中能進一步提高固溶體的層錯能，有可能抑制螺型位錯的分解，即使在低溫下也易于發生交滑移，Ni 能顯著提高鋼的低溫韌性。

大量研究結果表明：Nb、V 和Ti 在鋼中是通過晶粒細化影響其強度和韌性。Nb、V、Ti 雖然在鋼中所占量甚微，但對鋼的力學性能大有裨益。在熱軋條件下，微量的Nb、V、Ti 對鐵素體起到沉淀強化和細晶強化的作用。S890 無縫鋼管化學成分設計要求及實際成分見表1。

表1 S890 無縫鋼管化學成分（質量分數） %

1.2 設計規格、交貨狀態及性能要求

S890 大直徑厚壁高強韌性無縫鋼管的設計規格為Φ710 mm×63 mm，交貨狀態為調質，強度按照壁厚遞減，S890 大直徑厚壁高強韌性無縫鋼管在交貨狀態下的力學性能指標和沖擊功要求見表2。

表2 S890 無縫鋼管力學性能和沖擊功要求

2 S890 高強韌性無縫鋼管的開發工藝方案

2.1 S890 無縫鋼管的開發工藝路線

S890 無縫鋼管的開發工藝路線為：配料→電爐冶煉→LF 爐外精煉→VD 真空脫氣→弧形連鑄→坯料檢驗入庫→熱軋→熱處理→探傷→包裝入庫。

2.2 煉鋼工藝

采用電爐冶煉+LF+VD 的冶煉工藝降低了鋼液中雜質元素的含量及夾雜物的形態、大小和數量。原料采用50%鐵水+50%優質廢鋼配比，嚴格控制S、P 及其他有害元素的含量，保證鋼水的純凈度；采用保護澆注的方法減少鋼液吸氣和二次氧化，并純凈中間包鋼液；采用結晶器電磁攪拌，起到提高鑄坯等軸晶率，促使鋼液中夾雜物上浮及改善鋼成分偏析的作用［9］。

2.3 軋管工藝

采用Φ720 mm 周期軋管機組軋管，軋管工藝路徑：坯料檢驗→管坯鉆孔→環形爐加熱→曼式穿孔機穿孔→芯棒預穿→周期軋管機軋制→熱鋸切皮爾格頭→步進式加熱爐再加熱→高壓水除鱗→定徑機定徑。

周期軋管機的優點：①鍛軋結合，變形量大，可用鋼錠直接軋成無縫鋼管；②設備簡單，投資少，成本較低；③延伸系數大，可達10～20；④軋制鋼種范圍廣，可生產高合金鋼等難軋鋼種；⑤壁厚變化范圍大，最大可達100 mm 以上；⑥可以生產大中直徑鋼管［10-11］。

Φ720 mm 周期軋管機組正好可以解決高合金高強度大規格鋼管軋制變形大、變形抗力大、易產生軋制裂紋的難點。管坯出爐溫度按1 260～1 280℃控制，加熱時間大于15 h，此時該鋼種具有最佳的塑性。周軋時合理地設置喂入角、輾軋角及軋制轉速等軋制工藝參數，保證該鋼種的順利軋制。步進式加熱爐再加熱按出爐溫度950～960 ℃控制，加熱時間45 min。定徑前高壓水除鱗壓力18～20 MPa；軋輥冷卻水壓力0.3～0.4 MPa，保證鋼管表面無氧化鐵皮。

2.4 熱處理工藝

為了確定鋼管的熱處理工藝，對S890 大直徑厚壁高強韌性液壓油缸用無縫鋼管進行了熱處理工藝試驗。根據試驗結果，確定了如下調質工藝：采用在線淬火+回火的熱處理方式，淬火溫度（950±10）℃，在爐時間3 h 以上；升溫90 min 后，溫度達（665±5）℃時回火，保溫420 min。淬火爐達到設定溫度，保證鋼管充分奧氏體化，水淬時保證鋼管旋轉中心線水平。

表3 S890 無縫鋼管取樣性能數據

3 成品管的組織及性能檢測結果

對按上述熱處理工藝調質后的S890 大直徑厚壁高強韌性液壓油缸用無縫鋼管按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗，按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，按GB/T 13320—2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖及評定辦法》進行金相組織檢測，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物檢驗［12］。

3.1 常溫力學性能

從熱處理后的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管中抽取6 支進行性能檢測，所測鋼管的屈服強度、抗拉強度、伸長率、低溫沖擊功及表面硬度值見表3。

通過表3 的數據分析得出，屈服強度最低805 MPa，抗拉強度最低875 MPa，伸長率最小值17.5%，沖擊功平均值最小152 J，硬度值262～273 HB，心部硬度262～272 HB，各項指標都滿足設計要求，證明采用淬火溫度（950±10）℃、在爐時間3 h 以上，升溫90 min、回火溫度（665±5）℃、保溫420 min的調質工藝生產的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管，符合設計要求。

表4 S890 無縫鋼管的非金屬夾雜物 級

圖1 S890 無縫鋼管非金屬夾雜物

3.2 非金屬夾雜物及金相組織

非金屬夾雜物獨立存于鋼中，破壞了鋼基體的連續性，使鋼的組織不均勻性增大，對鋼的性能產生強烈的影響，因此非金屬夾雜物的級別和形態控制對鋼質量有致命的影響。

用金相顯微法按GB/T 13320—2007 標準檢驗，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管非金屬夾雜物結果見表4 和如圖1 所示。

通過上述取樣分析，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管非金屬夾雜物A 類粗系、B 類粗系和D 類粗系均為0.5 級，而且在觀察的范圍內沒有發現其他夾雜物。而這一超低級別的夾雜物控制則保證了S890 無縫鋼管具有一個高的強度、良好的塑性和斷裂韌性。對成品樣管進行內表面、壁厚中間、外表面金相組織觀察，鋼管組織為回火索氏體+少量貝氏體，外表面的晶粒度略微粗大，主要是鋼管淬火時步進式加熱爐加熱能力不夠，導致鋼管在爐時間延長，外表面局部溫度偏高造成的，晶粒度為7～9 級，S890 無縫鋼管調質后的金相組織如圖2 所示。

圖2 S890 無縫鋼管調質后金相組織

3.3 韌脆轉變溫度

韌脆轉變溫度是評價鋼種性能的重要指標之一，直接影響著產品的有效使用溫度和使用用途，韌脆轉變溫度過高，則有可能在應用甚至加工過程中發生脆性斷裂，造成事故。因此，準確地判定產品韌脆轉變溫度非常必要［13-15］。本文采用韌脆轉變溫度FATT50，通過一系列溫度的夏比V 型缺口沖擊試驗，測量不同溫度下沖擊斷口的剪切面積百分比，并以沖擊試樣的剪切面積百分比50%所對應的溫度作為材料的韌脆轉變溫度。為獲得評定鋼材冷脆性的沖擊韌性和韌脆轉變溫度，依據GB/T 229—2007 在擺錘式沖擊試驗機上進行系列沖擊試驗，試樣為10 mm×10 mm×55 mm 的V 形缺口標準試樣。試驗選取了20，0，－20，－40，－60，－80，－90 ℃共7 個溫度，每一溫度測試3 個試樣分析各沖擊試樣剪切面積百分比，不同試驗溫度下試樣的沖擊值和剪切面積百分比曲線如圖3 所示。

從圖3 可以得出，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管的韌脆轉變溫度為-72 ℃，韌脆轉變溫度極低，證明了S890 無縫鋼管具有優良的低溫沖擊韌性。

3.4 焊接性能

委托相關權威測試中心對華菱衡鋼生產S890無縫鋼管進行焊接性能評價試驗，具體試驗結果見表5～7。結果表明，該鋼管經焊接后，其室溫拉伸試驗合格，-20 ℃低溫沖擊試驗合格，焊后硬度合格。

4 結 論

（1） 采用“電爐冶煉+LF 鋼包精煉+VD 真空精煉+Φ720 mm 周期軋管機組軋制+調質熱處理”工藝生產的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管，其鋼質純凈、鋼管組織和綜合性能良好，完全能夠滿足用戶的設計和使用要求；

（2） 采用剪切面積百分比達到50%這一評定方法，測定了S890 無縫鋼管的韌脆轉變溫度為-72℃，證明其低溫沖擊韌性好，能適用于各種惡劣的環境；

（3） 生產的S890 大直徑厚壁高強韌性液壓油缸用無縫鋼管，焊后各種性能優良，焊接性能良好；

圖3 S890 無縫鋼管的剪切面積百分比和沖擊功曲線

表5 S890 無縫鋼管焊后試樣室溫拉伸試驗結果

表6 S890 無縫鋼管焊后試樣-20 ℃沖擊試驗結果

表7 S890 無縫鋼管焊后試樣表面硬度試驗結果HB

（4） S890 高強韌性液壓油缸管的各項指標都符合設計要求，可以批量生產。