本發(fā)明涉及一種鋼材及其制備方法，尤其涉及一種芯棒鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超長(zhǎng)度芯棒，例如長(zhǎng)度超過(guò)30m的芯棒，在冷卻過(guò)程中易于發(fā)生彎曲，從而影響直度，進(jìn)而影響后續(xù)的進(jìn)一步加工和使用。

2、直度變差會(huì)導(dǎo)致兩點(diǎn)主要后果，一是無(wú)法用小的加工量加工出所需的直徑規(guī)格的成品芯棒，導(dǎo)致需要增加坯料的尺寸，多留加工余量；二是無(wú)法用于連軋芯棒插棒，容易導(dǎo)致抱棒、軋制鋼管單側(cè)接觸壁厚不均等問(wèn)題。

3、基于此，期望提供一種超長(zhǎng)度芯棒鋼及其制造方法，其通過(guò)對(duì)芯棒材料成分以及制造過(guò)程的控制，解決芯棒在冷卻過(guò)程中的彎曲問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種超長(zhǎng)度芯棒鋼，其通過(guò)合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，以對(duì)芯棒的相變過(guò)程產(chǎn)生影響，從而減少因相變導(dǎo)致的彎曲。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種超長(zhǎng)度芯棒鋼，其含有fe和不可避免的雜質(zhì)，此外還含有質(zhì)量百分含量如下的下述各化學(xué)元素：

3、c：0.28～0.32％、si：0.80～1.25％、mn：0.20～0.30％、cr：4.75～5.00％、mo：1.10～1.60％、v：0.30～0.60％、s≤0.010％、p≤0.015％、cu≤0.08％、ni≤0.08％、ti≤0.010％。

4、進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種超長(zhǎng)度芯棒鋼，其各化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為：

5、c：0.28～0.32％、si：0.80～1.25％、mn：0.20～0.30％、cr：4.75～5.00％、mo：1.10～1.60％、v：0.30～0.60％、s≤0.010％、p≤0.015％、cu≤0.08％、ni≤0.08％、ti≤0.010％；余量為fe和其他不可避免的雜質(zhì)。

6、如上述所述的，本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼通過(guò)化學(xué)成分設(shè)計(jì)，以對(duì)芯棒的相變過(guò)程產(chǎn)生影響，從而減少因相變導(dǎo)致的彎曲，具體來(lái)說(shuō)：

7、c：在本發(fā)明中，c含量主要通過(guò)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化提高強(qiáng)度。c含量過(guò)低，芯棒的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性不足，不能滿(mǎn)足后續(xù)工器具/工模具的使用要求，c含量過(guò)低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高，容易在冷卻過(guò)程中同時(shí)發(fā)生貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度不同的位置組織轉(zhuǎn)變不均，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變多的地方體積膨脹大，馬氏體轉(zhuǎn)變少的地方體積膨脹小，從而導(dǎo)致芯棒發(fā)生彎曲。此外，c含量過(guò)高，還容易導(dǎo)致芯棒冷至室溫后長(zhǎng)時(shí)擱置的過(guò)程中發(fā)生延遲開(kāi)裂問(wèn)題。基于此，本發(fā)明將c含量控制在0.28-0.32％。

8、si：在本發(fā)明中，si含量過(guò)低，芯棒的抗回火軟化能力不足，熱強(qiáng)性不足，不能滿(mǎn)足后續(xù)工器具/工模具的使用要求。si含量過(guò)高，會(huì)降低材料的抗沖擊性能，降低材料的抗事故能力。因此，本發(fā)明將si含量控制在0.80-1.25％。

9、mn：mn主要通過(guò)固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度。在本發(fā)明中，mn含量過(guò)低，需要添加的其它合金含量增多，成本增加，且馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高，容易在冷卻過(guò)程中同時(shí)發(fā)生貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度不同的位置組織轉(zhuǎn)變不均，進(jìn)而導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變多的地方體積膨脹大，馬氏體轉(zhuǎn)變少的地方體積膨脹小，從而導(dǎo)致芯棒發(fā)生彎曲。mn含量過(guò)高，則容易形成偏析，會(huì)降低材料的抗沖擊性能，降低材料的抗事故能力，且過(guò)高mn導(dǎo)致偏析會(huì)影響材料性能的各向均勻性，從而導(dǎo)致塑性變形的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻時(shí)芯棒發(fā)生彎曲?；诖耍景l(fā)明控制mn含量為0.20-0.30％。

10、cr：cr可以起到相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化的作用，從而改善抗回火軟化能力及提高熱強(qiáng)性。在本發(fā)明中，cr含量過(guò)低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高，容易在冷卻過(guò)程中同時(shí)發(fā)生貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度不同的位置組織轉(zhuǎn)變不均，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變多的地方體積膨脹大，馬氏體轉(zhuǎn)變少的地方體積膨脹小，從而導(dǎo)致芯棒發(fā)生彎曲。cr含量過(guò)高，容易導(dǎo)致芯棒冷至室溫后長(zhǎng)時(shí)擱置的過(guò)程中發(fā)生延遲開(kāi)裂問(wèn)題，且含量過(guò)高冷卻過(guò)程時(shí)局部容易形成致密的氧化膜，表面不均勻的氧化膜會(huì)導(dǎo)致冷卻不均，導(dǎo)致塑性變形的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻時(shí)芯棒發(fā)生彎曲。因此，本發(fā)明控制cr含量為4.75-5.00％。

11、mo：mo主要起到固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化的作用，從而改善抗回火軟化能力及提高熱強(qiáng)性。在本發(fā)明中，mo含量過(guò)低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高，容易在冷卻過(guò)程中同時(shí)發(fā)生貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致溫度不同的位置組織轉(zhuǎn)變不均，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變多的地方體積膨脹大，馬氏體轉(zhuǎn)變少的地方體積膨脹小，從而導(dǎo)致芯棒發(fā)生彎曲。mo含量過(guò)高，容易導(dǎo)致芯棒冷至室溫后長(zhǎng)時(shí)擱置的過(guò)程中發(fā)生延遲開(kāi)裂問(wèn)題?；诖?，本發(fā)明控制mo含量為1.10-1.60％。

12、v：v可以起到析出強(qiáng)化的作用，從而改善抗回火軟化能力及提高熱強(qiáng)性。在本發(fā)明中，v含量過(guò)低，芯棒的抗回火軟化能力不足，熱強(qiáng)性不足，不能滿(mǎn)足后續(xù)工器具/工模具的使用要求。v含量過(guò)高，則容易形成硬脆的液析碳化物，降低芯棒的沖擊性能，降低材料的抗事故能力?；诖耍景l(fā)明控制v含量為0.30-0.60％

13、s、p是本發(fā)明的主要雜質(zhì)元素，對(duì)材料的沖擊性能不利，因此需要控制其上限。s、p是鋼中容易形成偏析的元素，其含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致偏析，影響材料性能的均勻性，從而導(dǎo)致塑性變形的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻時(shí)芯棒發(fā)生彎曲?；诖耍景l(fā)明控制s≤0.010％、p≤0.015％。

14、cu、ni和ti是本發(fā)明中不可避免的殘余元素。其中cu、ni含量較高時(shí)，其存在會(huì)在熱態(tài)芯棒的冷卻過(guò)程中促進(jìn)表面結(jié)合力好的氧化膜的形成但又無(wú)法實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)芯棒整個(gè)表面氧化膜的完全一致的覆蓋，因此表面形成結(jié)合力好的氧化膜但各處形成又不均勻從而不利于冷卻的均勻性，導(dǎo)致冷卻時(shí)芯棒發(fā)生彎曲?；诖耍景l(fā)明控制cu≤0.08％、ni≤0.08％。

15、ti含量過(guò)高時(shí)，由于其與n、c結(jié)合會(huì)形成氮化物、碳化物，增加軋制過(guò)程中超長(zhǎng)芯棒的各向異性，從而導(dǎo)致塑性變形的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻時(shí)芯棒發(fā)生彎曲。因此，本發(fā)明控制ti≤0.010％。

16、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼，其長(zhǎng)度為25-35m。

17、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼的微觀組織包括空冷馬氏體+貝氏體。

18、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼，其最終冷卻至室溫后，全長(zhǎng)直度≤0.1％l，其中l(wèi)表示超長(zhǎng)度芯棒鋼的長(zhǎng)度。

19、進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼，其最終冷卻至室溫后，局部彎曲度≤1.5mm/m。

20、本發(fā)明的另一目的在于提供一種超長(zhǎng)度芯棒鋼的制造方法，其配合成分設(shè)計(jì)，從工藝角度控制超長(zhǎng)度芯棒鋼的直度，避免直度降低的問(wèn)題。

21、基于上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了如上文所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼的制造方法，其包括步驟：

22、加熱：將圓截面的連鑄坯在1200-1250℃加熱保溫2-4h；

23、軋制：控制終軋溫度為900-1050℃，軋制后表面無(wú)局部致密氧化膜生成；

24、冷卻：將軋制后的芯棒鋼以≤20s的間隔時(shí)間來(lái)回交替地放置于不同的冷卻料架上以空冷至室溫，控制交替操作總時(shí)長(zhǎng)≥6h。

25、本發(fā)明所述的制造方法，為了減少c、mn、p、s等易偏析元素導(dǎo)致的材料各向異性，從而導(dǎo)致芯棒冷卻過(guò)程中塑性變形的不均勻，從而導(dǎo)致芯棒發(fā)生彎曲，設(shè)計(jì)了合理的高溫加熱軋制工藝，一是降低芯棒熱加工的變形抗力，一是保證有足夠的溫度和時(shí)間改善偏析。

26、其中，控制加熱溫度為1200-1250℃是因?yàn)椋杭訜釡囟冗^(guò)低，偏析元素的均勻擴(kuò)散時(shí)間需要很長(zhǎng)，無(wú)法有效改善偏析，導(dǎo)致偏析在隨后的冷卻過(guò)程中被保留下來(lái)從而影響變形的均勻性導(dǎo)致冷卻過(guò)程發(fā)生彎曲。加熱溫度過(guò)高，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大和不均勻，不均勻的奧氏體晶粒在隨后的冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生不一致的相變，即不同位置的貝氏體和馬氏體相變不一致，從而導(dǎo)致體積膨脹的不均勻性，從而導(dǎo)致冷卻過(guò)程中發(fā)生彎曲。

27、控制加熱保溫時(shí)間為2-4h是因?yàn)椋杭訜岜貢r(shí)間過(guò)短，則偏析元素的擴(kuò)散不充分，無(wú)法有效改善偏析問(wèn)題，導(dǎo)致偏析在隨后的冷卻過(guò)程中被保留下來(lái)從而影響變形的均勻性導(dǎo)致冷卻過(guò)程發(fā)生彎曲。加熱保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大和不均勻，不均勻的奧氏體晶粒在隨后的冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生不一致的相變，即不同位置的貝氏體和馬氏體相變不一致，從而導(dǎo)致體積膨脹的不均勻性，從而導(dǎo)致冷卻過(guò)程中發(fā)生彎曲。

28、控制終軋溫度為900-1050℃是因?yàn)椋航K軋溫度過(guò)高，則軋制后上冷卻料架時(shí)芯棒的溫度過(guò)高，沒(méi)有軋制時(shí)破壞氧化膜的情況，各個(gè)位置容易生成局部的氧化膜覆蓋，導(dǎo)致各個(gè)位置的冷卻不均勻，從而導(dǎo)致彎曲。若終軋溫度過(guò)低，則殘余軋制應(yīng)力過(guò)大，在冷卻的過(guò)程中隨著應(yīng)力的釋放，芯棒容易發(fā)生彎曲。

29、上述冷卻方法可以避免芯棒鋼局部接觸冷卻料架時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致局部溫度過(guò)低，而從而避免導(dǎo)致芯棒各處位置的溫降速度、相變速度不同而導(dǎo)致發(fā)生芯棒彎曲，直度下降的問(wèn)題，其可有效保證芯棒鋼冷卻全程各處的溫度波動(dòng)≤30℃。

30、其中，控制間隔時(shí)間≤20s，是因?yàn)椋洪g隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，局部溫降已經(jīng)形成，冷卻全程各處的溫度波動(dòng)≤30℃，局部和整體彎曲將不可避免。

31、其中，控制交替操作總時(shí)長(zhǎng)≥6h，是因?yàn)椋翰僮骺倳r(shí)長(zhǎng)過(guò)短，芯棒鋼從軋制后溫度還未冷卻至室溫，停止操作后仍然會(huì)發(fā)生局部溫度不均導(dǎo)致彎曲和直度不好的問(wèn)題。

32、進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的制造方法中，在冷卻步驟中，控制冷卻全程芯棒鋼各處的溫度波動(dòng)≤30℃。

33、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的制造方法中，在冷卻步驟中，將溫度高于880℃的芯棒鋼以≤20s的間隔時(shí)間來(lái)回交替地放置于不同的冷卻料架上，控制交替操作總時(shí)長(zhǎng)≥6h。

34、本發(fā)明所述的超長(zhǎng)度芯棒鋼及其制造方法具有如下所述的優(yōu)點(diǎn)以及有益效果：

35、在成分設(shè)計(jì)上，本發(fā)明通過(guò)c、mn、p、s的控制改善偏析導(dǎo)致的各項(xiàng)異性問(wèn)題，通過(guò)c、mn、cr、mo的控制避免馬氏體轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高導(dǎo)致的相變不均勻的問(wèn)題，通過(guò)cu、ni、cr的控制避免表面形成不均勻分布且局部致密的氧化膜導(dǎo)致的冷卻不均勻問(wèn)題。

36、在工藝參數(shù)上，本發(fā)明通過(guò)加熱溫度、加熱時(shí)間的控制改善偏析和避免形成不均勻的粗大奧氏體組織保證隨后冷卻過(guò)程中馬氏體相變的均勻性。

37、在一些實(shí)施方式中，還通過(guò)軋制后芯棒來(lái)回交替地放置于不同的冷卻料架的工藝保證芯棒各處冷卻的均勻性，實(shí)現(xiàn)了材料冷卻過(guò)程中的均勻變形，避免了彎曲問(wèn)題的發(fā)生，可以有效應(yīng)用于芯棒鋼的批量化生產(chǎn)。

38、基于此，本發(fā)明能夠獲得最終冷至室溫后全長(zhǎng)直度≤0.1％l，局部彎曲度≤1.5mm/m的超長(zhǎng)度芯棒鋼，能夠有效解決芯棒鋼直度差、合格率低的問(wèn)題，有利于節(jié)約成本，具有十分良好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。