4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的開發

安健波，許金玲，邵立強，文玉成

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的開發

安健波，許金玲，邵立強，文玉成

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

介紹了4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的化學成分、煉鋼-連鑄、軋管和熱處理等工藝的設計情況，總結了生產過程中的工藝控制要點。實踐證明：生產的4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管，其工藝設計合理，幾何尺寸控制精度高；鋼管強度、韌性指標穩定，屈服強度Rt0.65在890~1 020 MPa，抗拉強度Rm≥960 MPa，斷后伸長率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，各項性能指標達到或超過了客戶協議要求。

無縫鋼管；機械用管；高鋼級；大規格；機械加工；熱處理；力學性能

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

針對北美市場需求，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）成功開發了Φ273.05 mm×31.75 mm規格4130M-QT-125K牌號的合金鋼無縫鋼管（調質狀態交貨），其最小屈服強度要求達到865 MPa（125 ksi），全壁厚洛氏硬度要求在32~38HRC，且同一截面內表面、中部、外表面硬度變化值不允許超過5 HRC。現對其生產過程進行介紹。

1 產品主要技術要求

客戶訂購4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管時，對其化學成分、力學性能、尺寸偏差等進行了要求。4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管化學成分要求見表1，力學性能要求見表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，應進行晶粒度檢驗，其原始奧氏體晶粒度級別應為7級或更細。

表1 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的化學成分（質量分數）要求%

表2 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能要求①

2 生產工藝流程和技術難點

2.1 煉鋼工藝和技術難點

2.1.1 煉鋼工藝

連鑄坯生產工藝流程為：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→圓坯連鑄機連鑄。電爐出鋼時以硅鐵、錳鐵、鋁塊等脫氧合金化，鋼包到中間包采用全程吹氬保護澆鑄，中間包到結晶器采用浸入式水口保護澆鑄，六流弧形圓坯連鑄。鑄坯斷面為Φ310mm。

4130M-QT-125K牌號是在AISI 4130牌號基礎上改進而來，客戶提出了主要化學成分元素的范圍要求。天津鋼管在用戶規定的化學成分的范圍內，考慮到厚壁無縫鋼管生產工藝的需要，要求既要有很好的淬透性，又要有良好的強韌性性能，還要不會出現大的淬火變形和開裂，對關鍵化學成分元素做出了內控要求。4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的內控化學成分要求見表3。對比表1和表3可以看出，內控化學成分提高了利于奧氏體穩定的強碳化物形成元素Cr、Mo的含量與強化鐵素體的元素Si、Mn的含量，這種配合可以大大提高過冷奧氏體的穩定性，顯著提高鋼的淬透性；考慮到需要水淬冷卻強度大的特點，應盡量減少淬火組織應力防止變形和開裂，鋼管的淬火裂紋主要與馬氏體轉變起始溫度Ms［4］有關：

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點降得太低，組織應力就會增大，在保證強度和韌性的前提下，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大直徑厚壁機械用無縫鋼管的內控化學成分（質量分數）要求%

2.1.2 煉鋼技術難點

（1）確保成分均勻穩定和鑄坯內部質量。選用優質鐵水和優質廢鋼，保證鋼水原料的純凈。控制“五害”元素含量，雖然通常不高，但會降低鋼材的韌性、強度、高溫機械性能，甚至還會直接在無縫鋼管或鑄坯表面造成裂紋缺陷［6］。由于精煉LF微調成分、鋼包吹氬、結晶器電磁攪拌的應用，使得4130M-QT-125K鋼的化學成分穩定、波動小，特別是成分偏析會使材料性能不均勻，故保證材料成分均勻是保證材料性能穩定的重要措施之一。

（2）確保鋼水潔凈度。鋼水經真空脫氣處理，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，以降低夾雜物對鋼材質量的影響。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的夾雜物。天津鋼管采取的措施有：采用下渣檢測器控制換包時的下渣；連鑄中及時調節拉坯速度，保持中間包液面穩定；防止結晶器液面波動過大形成卷渣；開澆過程中間包采用密封氬氣保護澆鑄［7］。

2.2 軋管工藝和技術難點

2.2.1 軋管工藝

采用了MPM限動芯棒連軋管機組軋制工藝技術，制定了環形爐加熱→新型導盤式二輥鼓形輥穿孔機穿孔→7機架MPM限動芯棒連軋管機軋制→14機架三輥微張力定（減）徑機定（減）徑→鏈式冷床冷卻工藝路線。考慮到4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的內外表面要進行機加工，壁厚要求精度高、不圓度和壁厚不均度公差嚴的特點；因此，在生產時嚴格控制產品的外徑公差和壁厚公差。4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的內控外徑和壁厚的允許偏差見表4。

表4 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的內控外徑和壁厚的允許偏差

2.2.2 軋管技術難點

該鋼種合金含量高、變形抗力大，軋管時穿孔、連軋主機載荷較高，且該類鋼種內表面易出現質量缺陷，因此對穿孔、連軋設備冷卻水進行控制，提高了毛管穿軋時的溫度，確保在高溫下軋制。

2.3 熱處理工藝和技術難點

2.3.1 熱處理工藝

鋼管調質處理主要采用了旋轉浸入式內外噴淬火方式，制定了步進梁式高溫爐（淬火爐）→高壓水除鱗→旋轉浸入式內外噴水淬火→步進梁式低溫爐（回火爐）→熱矯直→鏈式冷床冷卻的工藝路線。選擇水淬工藝路線主要是保證整個壁厚全截面上都能得到馬氏體組織，以保證回火后的力學性能滿足要求，尤其是對全壁厚硬度變化值的控制要求［8］。

2.3.2 熱處理制度

根據奧氏體轉變結束溫度Ac3=910-320w（C）-14w（Ni）-12w（Cu）-10w（Mn）+5w（Cr）+14w（Mo）+ 18w（Si）公式［5］，計算出4130M-QT-125K鋼的Ac3約為830℃；考慮Mn、Cr、Mo元素的影響，規定實際熱處理淬火溫度為890℃。回火溫度和回火時間對鋼管的機械性能和組織有較大影響，綜合考慮對鋼管的拉伸性能、沖擊功、硬度等性能指標及鋼管壁厚尺寸的影響，回火溫度采用590℃，保溫時間適當延長到80 min。4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的熱處理制度見表5。2.3.3熱處理技術難點

表5 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的熱處理制度

（1）考慮到該規格無縫鋼管大直徑厚壁的特點，需要淬火裝置有良好的冷卻能力，鋼管淬火時采用了夾緊旋轉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，淬火效率高，配以鋼管旋轉裝置，能使鋼管在圓周方向冷卻均勻，冷卻變形極小，甚至無淬火彎曲變形［9-10］。

（2）熱處理工藝采用水作為淬火介質，需要保證冷卻水溫和水循環，進行高溫長時間回火，以保證性能均勻。為保證力學性能的均勻性，針對該牌號的鋼管特意延長回火時間10min。

3 鋼管的檢驗結果與分析

3.1 化學成分

4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的熔煉和成品化學成分檢驗結果見表6，可以看出熔煉和成品的化學成分均達到了內控要求。

表6 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的熔煉和成品化學成分檢驗結果%

3.2力學性能

統計分析了76個熱處理批次（其中首批逐支檢驗）4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能和金相組織。4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能統計結果如圖1所示，晶粒度如圖2所示，金相組織如圖3所示，非金屬夾雜物檢測結果見表7。檢測發現，4130MQT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的晶粒度為8.5級，顯微組織為回火索氏體，低倍觀察時未發現塔形發紋缺陷。

圖1 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能統計結果

圖2 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的晶粒度

圖3 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的金相組織

表7 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的非金屬夾雜物檢測結果級

檢測4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能時，執行GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用d0=12.7 mm、L0=50 mm的圓棒試樣；沖擊試驗執行GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》［7］，采用10 mm×10 mm×55 mm規格V型缺口試樣；硬度試驗執行GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》，非金屬夾雜物執行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》中的A法和JK標準評級圖進行評定；晶粒度執行GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》；顯微組織執行GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》；低倍檢驗執行GB/T 226—1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》和GB/T 1979—2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》。

4 結果與討論

4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能見表8，同一截面、不同位置的硬度檢驗結果如圖4所示。從表8和圖4可以看出：生產的4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管在最終熱處理后的力學性能都滿足了設計要求，說明化學成分的內控要求設計是有效的，熱處理制度合理。在隨后的人工表面檢查和自動超聲波探傷都沒有發現淬火裂紋，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。驗證了新型淬火裝置可以滿足更大直徑和厚壁無縫鋼管的調質處理，所設計鋼種具有良好的淬透性。同時，也可以看出反應塑性、韌性指標的沖擊功、硬度遠沒有屈服強度、抗拉強度等指標與規定要求的指標富余量大，而且沖擊功分散程度大，造成工序能力指數較低，說明熱處理時可以適當提高回火溫度，以增加鋼管的韌性，獲得更好的綜合性能。

表8 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的力學性能

圖4 4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管同一截面、不同位置的硬度檢驗結果

5 結語

天津鋼管生產的4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管已試制成功且性能穩定，各項性能指標達到客戶要求。生產4130M-QT-125K大直徑厚壁機械用無縫鋼管的過程中，解決了材料的化學成分、煉鋼、連鑄、連軋、熱處理工藝等關鍵難點技術問題。

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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，高級工程師，從事無縫鋼管生產工藝、新品開發及標準化管理工作。