Q345鋼生產(chǎn)雙相鋼無縫鋼管的工藝試驗及成型性能評價

劉紀(jì)源，劉大偉，朱伏先，石明浩

（1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110819；2.沈陽東洋異型管有限公司，遼寧沈陽110003）

Q345鋼生產(chǎn)雙相鋼無縫鋼管的工藝試驗及成型性能評價

劉紀(jì)源1，劉大偉2，朱伏先1，石明浩1

（1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧沈陽110819；2.沈陽東洋異型管有限公司，遼寧沈陽110003）

通過對Q345無縫鋼管進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱及環(huán)形噴水冷卻，得到了鐵素體+馬氏體的雙相鋼無縫鋼管。采用單向拉伸試驗測試鋼管的力學(xué)性能，結(jié)合鋼管在掃描電鏡和透射電鏡下的微觀組織形貌，分析了臨界區(qū)不同退火溫度對雙相鋼無縫鋼管的組織及性能的影響。采用管端擴口試驗方法，對試驗鋼管的成型性能進(jìn)行評價。結(jié)果表明：Q345無縫鋼管通過中頻感應(yīng)加熱至臨界區(qū)退火后，可獲得高強度、高成型性能的雙相鋼無縫鋼管，其中750℃退火后，試驗鋼管的各相分布較為均勻，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服狀態(tài)，強塑積可以達(dá)到16 510 MPa·%。

雙相鋼無縫鋼管；中頻感應(yīng)加熱；環(huán)形噴水冷卻：臨界區(qū)退火溫度；管端擴口試驗；成型性能評價

從節(jié)約能源和降低污染的角度出發(fā)，汽車輕量化生產(chǎn)是當(dāng)下汽車行業(yè)的一個熱點。其中，大量使用機械性能符合要求的空心件取代原有的實心件，催生了異型管成型和內(nèi)高壓成型等管材二次加工技術(shù)的發(fā)展［1-3］，這就要求原料管材具有更高強度和良好的冷成型性能。文獻(xiàn)［4-5］提出將碳鋼無縫鋼管通過熱處理的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己脧娝苄缘碾p相鋼鋼管或TRIP（相變誘發(fā)塑性）鋼管的想法，從而在不增加冶煉成本的條件下，提高鋼管強度并滿足管材二次加工的性能要求。中頻感應(yīng)加熱具有升溫速度快，加熱均勻，生成氧化鐵皮少等特點，并且環(huán)境污染小，符合節(jié)能減排的生產(chǎn)理念［3］。本文介紹了采用中頻感應(yīng)加熱結(jié)合環(huán)形噴水冷卻的方式［6-7］，以普通Q345無縫鋼管為原料，開發(fā)出具有高強塑性的雙相鋼無縫鋼管，并對臨界區(qū)不同退火溫度對試驗鋼管組織性能的影響［8］進(jìn)行探討。

1 試驗方法

試驗用Q345無縫鋼管的化學(xué)成分見表1。原料為130 kg鑄錠，鍛造成近似Ф75 mm棒材，車削掉表面不平整部分，得到Ф70 mm圓棒；將圓棒加熱到1 200℃，保溫2 h后穿孔，經(jīng)多道次冷拔，生產(chǎn)出熱處理用薄壁無縫鋼管（Ф41 mm×1.2 mm）。采用臨界區(qū)退火和低溫過時效工藝，獲得具有鐵素體+馬氏體的雙相鋼組織。雙相鋼無縫鋼管熱處理工藝如圖1所示，感應(yīng)加熱的臨界區(qū)退火溫度分別設(shè)定為700℃、730℃和750℃，冷卻速率為80℃/s。熱處理后沿鋼管軸向截取標(biāo)距為25 mm的拉伸試樣，進(jìn)行室溫拉伸試驗，試樣尺寸如圖2所示，拉伸速度為3 mm/s；沿鋼管軸向取8 mm×8 mm的片狀試樣，經(jīng)研磨和4%硝酸酒精腐蝕后，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼管微觀組織；在鋼管軸向上截取直徑3 mm、厚度50 μm的圓形薄片，經(jīng)電解雙噴后，在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察鋼管微觀組織；采用管端擴口的方式對雙相鋼無縫鋼管進(jìn)行成型性能評估，選用30°和60°的錐形頂角工具，擴口率λF按公式（1）［9-10］計算：

式中DF——擴口后鋼管直徑，mm；

D0——鋼管初始直徑，mm。

表1 試驗用Q345無縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 雙相鋼無縫鋼管熱處理工藝

圖2 試驗鋼管拉伸試樣尺寸示意

2 試驗結(jié)果

試驗鋼管的初始組織如圖3（a）所示，由鐵素體和珠光體組成。拉拔過程中晶粒都被不同程度拉長，并且存在一部分帶狀組織，珠光體組織變形后，仍保留其片層狀結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

圖3 試驗鋼管組織

試驗鋼管臨界區(qū)不同退火溫度熱處理后的鋼管組織均由鐵素體和馬氏體組成，3種退火組織中的馬氏體體積分?jǐn)?shù)變化并不大，只是隨著溫度的升高略有增加，如圖4所示。通過觀察不同退火溫度下試驗鋼管的微觀組織，臨界退火溫度較低時，鐵素體中仍存在一定量的冷加工硬化組織，一般表現(xiàn)為小角度晶界亞結(jié)構(gòu)，如圖4（a）中箭頭所示。隨溫度的升高，鋼中的亞結(jié)構(gòu)逐漸消除，也就意味著鋼管組織中再結(jié)晶逐漸完全。當(dāng)溫度達(dá)到730℃時，如圖4（b）所示，試驗鋼管的鐵素體和馬氏體的晶粒均有所細(xì)化，但晶粒尺寸并不均勻（橢圓標(biāo)注區(qū)域）。當(dāng)退火溫度為750℃時，試驗鋼管微觀組織中的鐵素體和馬氏體晶粒均比700℃時的細(xì)小，并且各個晶粒的尺寸都比較均勻［11］，如圖4（c）所示。

圖4 不同退火溫度熱處理后試驗鋼管的SEM形貌

臨界區(qū)不同退火溫度下試驗鋼管的拉伸曲線如圖5所示。原始鋼管在拉伸過程中出現(xiàn)了較為明顯的屈服平臺，屈強比較高；經(jīng)過熱處理后的雙相鋼無縫鋼管在強度上有非常明顯的提升，并且伸長率有小幅度提高，加工硬化性能大幅提高。退火溫度為700℃時，鋼管在拉伸過程中出現(xiàn)了一個小的屈服平臺，而另外兩個溫度退火鋼管的拉伸曲線呈連續(xù)屈服的狀態(tài)。臨界區(qū)不同退火溫度雙相鋼鋼管的力學(xué)性能見表2，原始鋼管經(jīng)過冷拔變形，產(chǎn)生了一定的加工硬化（小角度晶界亞結(jié)構(gòu)），這為后續(xù)臨界區(qū)退火工藝提供了形核點和再結(jié)晶驅(qū)動力。熱處理后的雙相鋼無縫鋼管力學(xué)性能，隨著退火溫度的升高，抗拉強度升高，屈服強度下降，屈強比降低，加工硬化指數(shù)升高，而伸長率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)退火溫度為750℃時，試驗鋼管的強塑積最高達(dá)到16 510 MPa·%。

圖5 臨界區(qū)不同退火溫度下試驗鋼管的拉伸曲線

在中頻感應(yīng)加熱過程中，其爐體比常規(guī)步進(jìn)式爐短，在鋼管逐支入爐時，鋼管的頭、尾部在感應(yīng)線圈內(nèi)加熱時所受的功率分配不均，導(dǎo)致受熱程度與鋼管其他部位有所差別，受影響區(qū)域長度與感應(yīng)爐的長度有關(guān)。在鋼管全部進(jìn)入線圈內(nèi)部時，由于線圈和鋼管的同心度良好，故受熱是均勻的，鋼管周向的組織和性能表現(xiàn)均勻［12］。

為評價試驗鋼管的冷成型性能，對退火溫度為750℃的試驗鋼管進(jìn)行擴口試驗，經(jīng)過測量和公式（1）計算，30°和60°的擴口率分別為0.172和0.196；因此，試驗鋼管具有較好的冷成型性能，可以滿足異型管成型和部分內(nèi)高壓成型工藝的要求。

3 分析討論

由于試驗鋼管的加熱方式為中頻感應(yīng)加熱，加熱速度大于200℃/s，在加熱過程中，冷拔產(chǎn)生的大量變形亞結(jié)構(gòu)的回復(fù)受到了很大程度的抑制，可以給鐵素體再結(jié)晶和奧氏體形核提供更多的形核點和能量。所以，通過中頻感應(yīng)加熱的方式可以使晶粒得到細(xì)化，但加熱和冷卻是連續(xù)進(jìn)行的，保溫時間較短，臨界區(qū)退火溫度直接決定退火是否完全。當(dāng)退火溫度為700℃時，冷拔產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)未能完全消除，一方面沒有使冷加工變形儲能完全作為再結(jié)晶形核的驅(qū)動力，使鐵素體再結(jié)晶和奧氏體形核不完全，而最終的鐵素體和馬氏體的晶粒尺寸均較大；另一方面會在二次加工變形的初期阻礙位錯的滑移而提高鋼管的屈服強度［13］（圖5）。當(dāng)退火溫度升高至730℃時，鐵素體晶粒幾乎完成了完全再結(jié)晶，但馬氏體的晶粒尺寸并不均勻。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是由于在中頻加熱過程中，鐵素體的再結(jié)晶形核先于珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)化，由于保溫時間短，奧氏體晶粒長大不充分，造成了一部分的晶粒較?。?4］。晶粒的尺寸不均勻?qū)熳冃卧斐闪擞绊?，故該溫度退火后的鋼管伸長率下降較大。當(dāng)臨界區(qū)退火溫度為750℃時，由于溫度的升高，給奧氏體形核及長大提供了更多的驅(qū)動力，并在較短時間內(nèi)完成，故最終的組織完成了完全的退火，晶粒尺寸均勻。

表2 臨界區(qū)不同退火溫度下雙相鋼鋼管的力學(xué)性能

隨著臨界區(qū)退火溫度提高，馬氏體體積分?jǐn)?shù)有所增加（圖4），其直接作用就是提高了試驗鋼管的強度。試驗鋼管在不同退火溫度下的力學(xué)性能如圖6所示，加工硬化指數(shù)n值隨著溫度的升高而增大，屈強比隨著溫度的升高而降低，這表明750℃退火的試驗鋼管具有更好的成型性能。這是因為試驗鋼管具有均勻的晶粒尺寸，以及連續(xù)屈服的特性，由于具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體在冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體具有體心立方結(jié)構(gòu)，相變過程中產(chǎn)生了體積膨脹，在鐵素體內(nèi)部誘發(fā)了大量可動位錯。750℃退火的試驗鋼管TEM形貌如圖7所示。在拉伸變形過程中，鐵素體更易進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，而細(xì)小彌散分布的馬氏體可以抑制鐵素體過分變形，使整個變形過程具有高的硬化狀態(tài)。若臨界區(qū)退火溫度繼續(xù)升高，則會提高馬氏體的體積分?jǐn)?shù)，鋼管的抗拉強度會隨之提高，但由于鐵素體的體積分?jǐn)?shù)下降，塑性也會降低。所以，以Q345鋼為原料通過中頻感應(yīng)加熱的方式進(jìn)行熱處理的雙相鋼無縫鋼管，以750℃作為其臨界區(qū)退火溫度時，鐵素體和馬氏體的體積配比比較理想，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)約40%，雙相鋼鋼管具有良好的綜合性能，強塑積達(dá)到16 510 MPa·%。

圖6 試驗鋼管在不同退火溫度下的力學(xué)性能

圖7 750℃退火的試驗鋼管TEM形貌

在管端擴口試驗中，750℃退火試驗鋼管不同擴口角度的斷口形貌如圖8所示。斷口形貌為韌窩狀組織，未見“河流”狀脆性斷裂組織；因此，在擴口過程中，試驗鋼管的斷裂方式是韌性斷裂。這是因馬氏體晶粒較細(xì)小，且比鐵素體硬度大，可在鐵素體產(chǎn)生屈服后阻礙其過分的變形，從而延緩斷裂。均勻分布的馬氏體使鐵素體各個方向上的變形較均勻，在后續(xù)的變形過程中能夠產(chǎn)生較高的加工硬化，從而提高鋼管的塑性及其擴口率。不同擴口角度試驗后的韌窩相比，擴口角度60°的韌窩較深，擴口率也較高，可以發(fā)揮更好的塑性。

圖8 750℃退火試驗鋼管不同擴口角度的斷口形貌

普通Q345無縫鋼管經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐R界區(qū)退火，可生產(chǎn)出馬氏體體積分?jǐn)?shù)約40%的雙相鋼無縫鋼管，從而提升了鋼管的屈服強度和抗拉強度（比普通Q345鋼管高出500～600 MPa）。同時，細(xì)小的馬氏體均勻分布在鐵素體基體上，可保證雙相鋼無縫鋼管具有良好的塑性，以及較好的二次加工性能，滿足大部分汽車結(jié)構(gòu)件的工業(yè)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

（1）通過對普通Q345無縫鋼管進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱和環(huán)形噴水冷卻熱處理，開發(fā)出強塑積最高可達(dá)16 510 MPa·%的雙相鋼無縫鋼管。

（2）將鋼管通過中頻感應(yīng)加熱的方式加熱至臨界區(qū)退火，可以細(xì)化鐵素體和馬氏體晶粒，獲得兩相晶粒尺寸均勻、體積配比較為合理的高強度高成型性無縫鋼管。

（3）用普通Q345鋼開發(fā)的雙相鋼無縫鋼管，經(jīng)30°和60°擴口試驗后擴口率分別為0.172和0.196，斷裂方式均為韌性斷裂，可以滿足大部分汽車結(jié)構(gòu)件的二次加工性能要求。

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Technological Tests on Dual Phase Seamless Steel Pipe Made from Q345 Steel and Evaluation of its Forming Performance

LIU Jiyuan1，LIU Dawei2，ZHU Fuxian1，SHI Minghao1
（1.State Key Laboratory of Rolling Technology and Rolling Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Shenyang Dongyang Special Section Tube Co.，Ltd.，Shenyang，110003，China）

By applying intermediate frequency induction heating and spray ring cooling on a Q345 seamless steel pipe，a dual phase seamless steel pipe containing ferrite and martensite is made.Analyzed the influence of different intercritical annealing temperatures on the structure and properties of the dual phase seamless steel pipe. Also evaluated is the forming performance of the testing pipe by the pipe end expanding test.The results of the tests indicate that when a Q345 seamless steel pipe is heated to intercritical temperature by intermediate frequency induction heating and then treated by annealing，a dual phase seamless steel pipe with high strength and high forming performance will be made.For example，after being annealed at 750℃，the testing pipe will have a relatively homogeneous phase distribution，a stress-strain curve showing continuous yielding and a product of strength and elongation reaching 16 510 MPa·%.

dual phase seamless steel pipe；intermediate frequency induction heating；spray ring cooling；intercritical annealing temperature；pipe end expanding test；forming performance evaluation

TG335.71

B

1001-2311（2014）03-0039-05

2013-08-20；修定日期：2014-05-07）

劉紀(jì)源（1984-），男，博士，長期從事鋼材組織性能控制及鋼鐵新材料的研究工作。