安健波，許金玲，邵立強(qiáng)，文玉成

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的開(kāi)發(fā)

安健波，許金玲，邵立強(qiáng)，文玉成

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

介紹了4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分、煉鋼-連鑄、軋管和熱處理等工藝的設(shè)計(jì)情況，總結(jié)了生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制要點(diǎn)。實(shí)踐證明：生產(chǎn)的4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管，其工藝設(shè)計(jì)合理，幾何尺寸控制精度高；鋼管強(qiáng)度、韌性指標(biāo)穩(wěn)定，屈服強(qiáng)度Rt0.65在890~1 020 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥960 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥18%，斷面收縮率Z≥50%，0℃沖擊吸收功≥60 J，剪切斷面率≥80%，全壁厚洛氏硬度在33~37 HRC，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了客戶協(xié)議要求。

無(wú)縫鋼管；機(jī)械用管；高鋼級(jí)；大規(guī)格；機(jī)械加工；熱處理；力學(xué)性能

機(jī)械加工用管一直在無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)中占有重要地位，以無(wú)縫鋼管代替實(shí)心短鍛、軋坯制造各類空心軸、缸、套等零件，可以顯著提高生產(chǎn)效率,并節(jié)約鋼材［1-3］。隨著鋼管行業(yè)裝備水平的提高，機(jī)械加工用管由以前的中小直徑厚壁優(yōu)質(zhì)碳素鋼無(wú)縫鋼管為主，逐步提高到以大中直徑厚壁低合金鋼、合金鋼無(wú)縫鋼管為主。

針對(duì)北美市場(chǎng)需求，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）成功開(kāi)發(fā)了Φ273.05 mm×31.75 mm規(guī)格4130M-QT-125K牌號(hào)的合金鋼無(wú)縫鋼管（調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨），其最小屈服強(qiáng)度要求達(dá)到865 MPa（125 ksi），全壁厚洛氏硬度要求在32~38HRC，且同一截面內(nèi)表面、中部、外表面硬度變化值不允許超過(guò)5 HRC?，F(xiàn)對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行介紹。

1 產(chǎn)品主要技術(shù)要求

客戶訂購(gòu)4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管時(shí)，對(duì)其化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸偏差等進(jìn)行了要求。4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，力學(xué)性能要求見(jiàn)表2；外徑允許偏差（-0.75%~+0.75%）D，壁厚允許偏差（-10.0%~+12.5%）S；此外，應(yīng)進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn)，其原始奧氏體晶粒度級(jí)別應(yīng)為7級(jí)或更細(xì)。

表1 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求%

表2 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能要求①

2 生產(chǎn)工藝流程和技術(shù)難點(diǎn)

2.1 煉鋼工藝和技術(shù)難點(diǎn)

2.1.1 煉鋼工藝

連鑄坯生產(chǎn)工藝流程為：原料（廢鋼、生鐵、鐵水等）→100 t EBT-EAF（偏心爐底出鋼-超高功率電弧爐冶煉）→LF爐外精煉→VD爐真空處理→喂Ca線→圓坯連鑄機(jī)連鑄。電爐出鋼時(shí)以硅鐵、錳鐵、鋁塊等脫氧合金化，鋼包到中間包采用全程吹氬保護(hù)澆鑄，中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口保護(hù)澆鑄，六流弧形圓坯連鑄。鑄坯斷面為Φ310mm。

4130M-QT-125K牌號(hào)是在AISI 4130牌號(hào)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，客戶提出了主要化學(xué)成分元素的范圍要求。天津鋼管在用戶規(guī)定的化學(xué)成分的范圍內(nèi)，考慮到厚壁無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝的需要，要求既要有很好的淬透性，又要有良好的強(qiáng)韌性性能，還要不會(huì)出現(xiàn)大的淬火變形和開(kāi)裂，對(duì)關(guān)鍵化學(xué)成分元素做出了內(nèi)控要求。4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的內(nèi)控化學(xué)成分要求見(jiàn)表3。對(duì)比表1和表3可以看出，內(nèi)控化學(xué)成分提高了利于奧氏體穩(wěn)定的強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo的含量與強(qiáng)化鐵素體的元素Si、Mn的含量，這種配合可以大大提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，顯著提高鋼的淬透性；考慮到需要水淬冷卻強(qiáng)度大的特點(diǎn)，應(yīng)盡量減少淬火組織應(yīng)力防止變形和開(kāi)裂，鋼管的淬火裂紋主要與馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms［4］有關(guān)：

Ms=538-317w（C）-33w（Mn）-28w（Cr）-17w（Ni）-11w（Si）-11w（Mo）-11w（W），如果鋼中加入C和合金元素使Ms點(diǎn)降得太低，組織應(yīng)力就會(huì)增大，在保證強(qiáng)度和韌性的前提下，綜合考慮了上述的元素含量，尤其降低了碳含量［5］。

表3 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的內(nèi)控化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求%

2.1.2 煉鋼技術(shù)難點(diǎn)

（1）確保成分均勻穩(wěn)定和鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。選用優(yōu)質(zhì)鐵水和優(yōu)質(zhì)廢鋼，保證鋼水原料的純凈?？刂啤拔搴Α痹睾?，雖然通常不高，但會(huì)降低鋼材的韌性、強(qiáng)度、高溫機(jī)械性能，甚至還會(huì)直接在無(wú)縫鋼管或鑄坯表面造成裂紋缺陷［6］。由于精煉LF微調(diào)成分、鋼包吹氬、結(jié)晶器電磁攪拌的應(yīng)用，使得4130M-QT-125K鋼的化學(xué)成分穩(wěn)定、波動(dòng)小，特別是成分偏析會(huì)使材料性能不均勻，故保證材料成分均勻是保證材料性能穩(wěn)定的重要措施之一。

（2）確保鋼水潔凈度。鋼水經(jīng)真空脫氣處理，保證鋼水中低的氮、氧及氫氣體含量。

（3）控制鋼水中夾雜物含量，并控制夾雜物在鋼材中的形態(tài)，以降低夾雜物對(duì)鋼材質(zhì)量的影響。要提高鑄坯的潔凈度就必須盡量減少甚至避免由下渣、卷渣和中間包耐材帶來(lái)的夾雜物。天津鋼管采取的措施有：采用下渣檢測(cè)器控制換包時(shí)的下渣；連鑄中及時(shí)調(diào)節(jié)拉坯速度，保持中間包液面穩(wěn)定；防止結(jié)晶器液面波動(dòng)過(guò)大形成卷渣；開(kāi)澆過(guò)程中間包采用密封氬氣保護(hù)澆鑄［7］。

2.2 軋管工藝和技術(shù)難點(diǎn)

2.2.1 軋管工藝

采用了MPM限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組軋制工藝技術(shù)，制定了環(huán)形爐加熱→新型導(dǎo)盤(pán)式二輥鼓形輥穿孔機(jī)穿孔→7機(jī)架MPM限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)軋制→14機(jī)架三輥微張力定（減）徑機(jī)定（減）徑→鏈?zhǔn)嚼浯怖鋮s工藝路線?？紤]到4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的內(nèi)外表面要進(jìn)行機(jī)加工，壁厚要求精度高、不圓度和壁厚不均度公差嚴(yán)的特點(diǎn)；因此，在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制產(chǎn)品的外徑公差和壁厚公差。4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的內(nèi)控外徑和壁厚的允許偏差見(jiàn)表4。

表4 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的內(nèi)控外徑和壁厚的允許偏差

2.2.2 軋管技術(shù)難點(diǎn)

該鋼種合金含量高、變形抗力大，軋管時(shí)穿孔、連軋主機(jī)載荷較高，且該類鋼種內(nèi)表面易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，因此對(duì)穿孔、連軋?jiān)O(shè)備冷卻水進(jìn)行控制，提高了毛管穿軋時(shí)的溫度，確保在高溫下軋制。

2.3 熱處理工藝和技術(shù)難點(diǎn)

2.3.1 熱處理工藝

鋼管調(diào)質(zhì)處理主要采用了旋轉(zhuǎn)浸入式內(nèi)外噴淬火方式，制定了步進(jìn)梁式高溫爐（淬火爐）→高壓水除鱗→旋轉(zhuǎn)浸入式內(nèi)外噴水淬火→步進(jìn)梁式低溫爐（回火爐）→熱矯直→鏈?zhǔn)嚼浯怖鋮s的工藝路線。選擇水淬工藝路線主要是保證整個(gè)壁厚全截面上都能得到馬氏體組織，以保證回火后的力學(xué)性能滿足要求，尤其是對(duì)全壁厚硬度變化值的控制要求［8］。

2.3.2 熱處理制度

根據(jù)奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+5w（Cr）+14w（Mo）+ 18w（Si）公式［5］，計(jì)算出4130M-QT-125K鋼的Ac3約為830℃；考慮Mn、Cr、Mo元素的影響，規(guī)定實(shí)際熱處理淬火溫度為890℃。回火溫度和回火時(shí)間對(duì)鋼管的機(jī)械性能和組織有較大影響，綜合考慮對(duì)鋼管的拉伸性能、沖擊功、硬度等性能指標(biāo)及鋼管壁厚尺寸的影響，回火溫度采用590℃，保溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)到80 min。4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的熱處理制度見(jiàn)表5。2.3.3熱處理技術(shù)難點(diǎn)

表5 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的熱處理制度

（1）考慮到該規(guī)格無(wú)縫鋼管大直徑厚壁的特點(diǎn)，需要淬火裝置有良好的冷卻能力，鋼管淬火時(shí)采用了夾緊旋轉(zhuǎn)并快速浸淬功能的浸淬式鋼管淬火裝置，此種工藝的冷卻能力極強(qiáng)，淬火效率高，配以鋼管旋轉(zhuǎn)裝置，能使鋼管在圓周方向冷卻均勻，冷卻變形極小，甚至無(wú)淬火彎曲變形［9-10］。

（2）熱處理工藝采用水作為淬火介質(zhì)，需要保證冷卻水溫和水循環(huán)，進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間回火，以保證性能均勻。為保證力學(xué)性能的均勻性，針對(duì)該牌號(hào)的鋼管特意延長(zhǎng)回火時(shí)間10min。

3 鋼管的檢驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的熔煉和成品化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，可以看出熔煉和成品的化學(xué)成分均達(dá)到了內(nèi)控要求。

表6 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的熔煉和成品化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果%

3.2力學(xué)性能

統(tǒng)計(jì)分析了76個(gè)熱處理批次（其中首批逐支檢驗(yàn)）4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能和金相組織。4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，晶粒度如圖2所示，金相組織如圖3所示，非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，4130MQT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的晶粒度為8.5級(jí)，顯微組織為回火索氏體，低倍觀察時(shí)未發(fā)現(xiàn)塔形發(fā)紋缺陷。

圖1 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的晶粒度

圖3 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的金相組織

表7 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果級(jí)

檢測(cè)4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能時(shí)，執(zhí)行GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，采用d0=12.7 mm、L0=50 mm的圓棒試樣；沖擊試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》［7］，采用10 mm×10 mm×55 mm規(guī)格V型缺口試樣；硬度試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺）》，非金屬夾雜物執(zhí)行GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中的A法和JK標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)定；晶粒度執(zhí)行GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》；顯微組織執(zhí)行GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》；低倍檢驗(yàn)執(zhí)行GB/T 226—1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》和GB/T 1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》。

4 結(jié)果與討論

4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能見(jiàn)表8，同一截面、不同位置的硬度檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從表8和圖4可以看出：生產(chǎn)的4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管在最終熱處理后的力學(xué)性能都滿足了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明化學(xué)成分的內(nèi)控要求設(shè)計(jì)是有效的，熱處理制度合理。在隨后的人工表面檢查和自動(dòng)超聲波探傷都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)淬火裂紋，全壁厚硬度值在33~37 HRC，同一截面、不同位置硬度變化值控制在3 HRC。驗(yàn)證了新型淬火裝置可以滿足更大直徑和厚壁無(wú)縫鋼管的調(diào)質(zhì)處理，所設(shè)計(jì)鋼種具有良好的淬透性。同時(shí)，也可以看出反應(yīng)塑性、韌性指標(biāo)的沖擊功、硬度遠(yuǎn)沒(méi)有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)與規(guī)定要求的指標(biāo)富余量大，而且沖擊功分散程度大，造成工序能力指數(shù)較低，說(shuō)明熱處理時(shí)可以適當(dāng)提高回火溫度，以增加鋼管的韌性，獲得更好的綜合性能。

表8 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能

圖4 4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管同一截面、不同位置的硬度檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

天津鋼管生產(chǎn)的4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管已試制成功且性能穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到客戶要求。生產(chǎn)4130M-QT-125K大直徑厚壁機(jī)械用無(wú)縫鋼管的過(guò)程中，解決了材料的化學(xué)成分、煉鋼、連鑄、連軋、熱處理工藝等關(guān)鍵難點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。

［1］中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼管分會(huì).中國(guó)鋼管行業(yè)暨市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告［R］.2014：335.

［2］陳坤，邊華川，滕建明.高強(qiáng)韌性液壓支柱無(wú)縫鋼管的研制開(kāi)發(fā)［J］.鋼管，2009，38（1）：26-29.

［3］王家聰，生敏，劉慶教，等.用Q345B鋼管生產(chǎn)工程機(jī)械液壓油缸缸筒［J］.鋼管，2012，41（6）：45-49.

［4］孫寶珍.合金鋼手冊(cè)（上）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：241.

［5］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［6］齊峰，盧秉軍.轉(zhuǎn)爐連鑄連軋生產(chǎn)30CrMo氣瓶鋼［J］.本鋼技術(shù)，2014（3）：13-16.

［7］姜桂連，李京社，孫開(kāi)明，等.30CrMo氣瓶鋼中大型夾雜物的研究［J］.煉鋼，2009（4）：58-60.

［8］余澤金，劉金，賀景春，等.淬火介質(zhì)對(duì)30CrMo鋼組織性能的影響［J］.包鋼科技，2015（5）：20-22.

［9］劉國(guó)勇，馮超凡，張少軍，等.鋼管浸淬淬火溫度場(chǎng)的均勻性分析［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35（7）：205-210.

［10］杜學(xué)斌，徐能惠，毛成斌，等．浸淬式鋼管淬火裝置的研制［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2007，28（3）：39-42．

Deve lopm ent of Large-sized，Heavy-wall
4130M-QT-125K Mechanica l Struc ture Seam less Stee l Tube

AN Jianbo，XU Jinling，SHAO Liqiang，WEN Yucheng
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Described here in the article are the designs of the large-sized，heavy-wall 4130M-QT-125K mechanical structure seamless steel tube，involving chemical composition，and processes of steel-melting/casting，piperolling and heat treatment，etc.Also summarized are the control tips formanufacturing the said tube.Relevantoperation practice demonstrates thatmanufacturing process as designed for the large-sized，heavy-wall 4130M-QT-125K mechanical structure seam less steel tube is reasonable，and the tube itself is in possession of such characteristics as high controlled-dimensional tolerance，consistent strength and toughness，yield strength：Rt0.65under 890~1 020 MPa，tensile strength：Rm≥960，after-fracture elongation：A≥18%，reduction of area：Z≥50%，impact energy absorption at 0℃：≥60 J，shearing area rate：≥80%，and full wall thickness Rockwell hardness：33~37 HRC. A ll the property values are up to or even over relevant agreed requirements.

seam less steel tube；mechanical structure tube；high grade steel；large-sized；machining；heat treatment；mechanical properties

TG335.71

B

1001-2311（2016）06-0015-05

2016-09-28）

安健波（1966-），男，高級(jí)工程師，從事無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝、新品開(kāi)發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化管理工作。