CN115838897A - 一种415hb级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种415HB级泥沙输送管道马氏体耐磨耐蚀钢管及其制备方法，其化学成分以质量百分数计包括：C：0.1‑0.25％；Si：0.1‑0.3％；Mn：0.5‑1.5％；Cu：0.4‑1.0％；Ni：0.1‑0.5％；Cr：0.5‑1.4％；Nb：0.01‑0.2％；Al：0.035‑0.10％；Ti：0.01‑0.04％；Mo：0.1‑0.4％；B：0.001‑0.003％；N:0.001‑0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。加热到850‑950℃保温15‑30min，进行水淬，然后在200‑300℃进行回火1‑2h，最终获得马氏体组织。所制钢板的表面布氏硬度：415±15HB；抗拉强度≥1400Mpa，屈服强度≥1050Mpa，延伸率≥12％，‑20℃夏比V型冲击功≥90J，表现出优异的低温韧性和强度。在3.5％Nacl浓度的泥浆溶液中，其抗腐蚀磨损性能是传统NM450的1.5倍以上。所制钢管的厚度在15‑30mm，直径在800‑1200mm。
Description
技术领域
本发明属于低合金马氏体耐磨耐蚀钢技术领域，具体涉及一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管。
背景技术
我国疏浚总量连年增长，疏浚工程行业涉及沿海和内河的港口航道建设与维护、临海工业区建设与沿海城市发展、水利防洪清淤以及环境保护和改善等多方面。疏浚装备能够实现高效挖掘海底岩土并同步远距离输送，输送管道在复杂苛刻的环境作用下(粗沙、块石、碎石、沙混卵石等复杂岩土磨损叠加海水腐蚀)失效非常严重，常规低合金钢管道的使用寿命一般不超过6个月。而一般的马氏体耐磨钢，不仅钢管成型非常困难，制造效率和成本远高于普通钢，而且高硬度马氏体的韧塑性和抗应力腐蚀开裂性能较低，导致管道在服役过程中时出现应力腐蚀开裂，严重影响施工进度。
目前高级别的耐磨钢多数为马氏体钢，但是由于其较高的屈服强度在制管过程中必然带来一定难度。例如宝钢公开的高硬度(500HB、550HB、600HB)浆体疏浚管用耐磨蚀钢板及其生产方法，专利公开号(CN201710383618.4、CN108950422A、CN108950421A)，其屈服强度达到1200Mpa以上，且给的实例钢的屈服强度都在1300Mpa以上，勉强制管后的抗应力腐蚀性能必然受影响，根据实际使用情况来看，结果确实如此。
公开号CN 113789468A发明了一种泥沙输送管道用耐磨耐蚀钢板及其制备方法，其耐腐蚀性能达到常规NM450的4倍以上，但未给出其磨蚀性能。其中加入的Sb元素0.08-0.12％，虽然改善了钢材的耐腐蚀性，但很容易在连铸、轧制或热处理时产生表面裂纹。
公开号CN 113106341 A发明了一种高强韧性可焊接耐腐蚀磨损钢板及其制备方法，提出来纳米级含Ti第二相增强基体的想法，但是由于轧制和热处理工艺复杂，生产效率受影响。其中加入了0.12～0.25％的Zr，虽然能细化组织和防止热脆性，但较多的Zr使钢中含Zr的夹杂物尺寸增大，影响低温韧性。作为耐腐蚀耐磨损的钢板并没有给出耐磨蚀性能水平。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管，该钢管是一种耐海水磨损腐蚀的马氏体耐磨钢管，解决了现有技术中无法同时兼顾钢板的耐磨蚀性和易加工性的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管，以质量百分数计，一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管的化学成分包括：
C：0.1-0.25％；Si：0.1-0.3％；Mn：0.5-1.5％；Cu：0.4-1.0％；Ni：0.1-0.5％；Cr：0.5-1.4％；Nb：0.01-0.2％；Al：0.035-0.10％；Ti：0.01-0.04％；Mo：0.1-0.4％；；B：0.001-0.003％；N:0.001-0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
优选地，本发明所述泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管的化学成分以质量百分数计包括：
C：0.10-0.19％；Si：0.12-0.18％；Mn：0.5-1.5％；Cu：0.4-0.6％；Ni：0.2-0.4％；Cr：0.5-1.2％；Nb：0.01-0.1％；Al：0.004-0.08％；Ti：0.01-0.04％；Mo：0.1-0.4％；B：0.001-0.003％；N:0.005-0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
C：钢中提高淬透性的重要元素，能显著增加马氏体的硬度。同时碳作为固溶元素提高了材料的屈服强度和抗拉强度，但是碳含量过高会增加冶炼的难度，使钢材变得难以加工，焊接性能变差。综合考虑选择0.1-0.25％的碳比较合适，优选地控制碳含量在0.10-0.19％之间。
Si：硅是有效的脱氧剂，在钢水中能提高纯净度。硅还能起到固溶强化的作用，提高钢材的强度和硬度，从而提高耐磨性。但是硅含量过高会恶化钢的焊接性能，同时也会对韧性带来不利影响。本发明中控制硅的含量在0.1-0.3％。优选地，硅含量在0.12-0.18％之间。
Mn：锰既是脱氧剂也是脱硫剂，在钢水中加入锰能提高钢材的质量。锰作为合金元素是扩大奥氏体相区的有效元素，加入足够多的锰后，在水淬后甚至都能获得奥氏体。在低合金钢中加入锰能提高钢材的强度，提高淬透性。但是锰含量过高会产生偏析，影响组织的均匀性，另外还会影响焊接性能。本发明控制锰含量在0.5-1.5％，对性能最为有利。
Cu：提高耐大气腐蚀性能最普遍的合金元素，能抵消硫在钢中的有害作用。在钢中加入适当的铜能提高钢材的淬透性和耐腐蚀性能，在腐蚀和磨损的交互作用下效果更加显著。但是铜过量会对焊接性和强度会带来不利影响。本发明限制铜的含量介于0.4-1.0％，优选地，铜的含量在0.4-0.6％之间。
Ni：镍是扩大奥氏体相区的元素，镍能显著改善钢的低温韧性，但是Ni属于贵重合金元素，所以本发明控制镍的含量为0.1-0.5％，优选地，镍的含量在0.2-0.4之间。
Cr：铬是提高钢的电极电位，从而提高耐腐蚀性十分有效的元素，同时提高钢材的淬透性，提高强度和硬度。本发明主要使用场景为海洋疏浚工程，需要长期在海水中服役，因此需要足够的耐海水腐蚀性能。但是铬含量过高会恶化焊接性能和加工性能。因此控制Cr的含量为0.5-1.4％，优选地，控制在0.5-1.2％。
Nb/Ti：铌和钛作为强碳氮化物形成元素，能钉扎奥氏体晶界，能细化晶粒尺寸，在轧制过程中析出，起到第二相强化的作用。本发明为了进一步控制成本，控制铌和钛的含量不要太高，其中优选的铌含量为0.01-0.1％，钛含量为0.01-0.04％。
Al：铝作为强脱氧元素，能减少钢中氧的含量。铝还能和氮形成AlN作为析出相在高温下阻碍奥氏体的长大，细化原始奥氏体尺寸。本发明控制铝的含量在0.04-0.08％。
Mo：钼能提高钢材的淬透性和焊接性，能与钢中的碳和氮形成Mo(C,N)，起到析出强化的作用，提高钢材的强度。本发明控制钼的含量在：0.1-0.4％。
B：少量的硼对淬透性就有很大的作用，本发明加入0.001-0.003％微量的硼，从而降低其他昂贵合金化元素的用量，控制成本。当硼的含量没有控制好，就容易产生偏析，析出硼化物，对力学性能极其不利。
N：本发明含有较少的Nb、Ti、Mo等微合金元素，容易和N形成氮化物或者碳氮化物，作为第二相起到强化的作用。但是氮含量过高会影响钢材的塑韧性。本发明控制氮的含量在0.001-0.008％，优选地，氮含量为0.005-0.008％。
S/P：炼钢过程中难以避免的有害杂质元素，增加了钢的脆性。硫非常容易形成MnS等长条形夹杂物，恶化塑性和韧性。磷会使焊接性能变差，降低塑性。这两种元素都需要严格进行控制，本发明控制S≤0.003％；P≤0.01％。
本发明还提供了一种马氏体耐磨耐蚀钢管的制备方法，依次包括以下步骤：
1)铁水经铁水预处理、120吨转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸，其中，连铸拉速为0.8-1.3m/min，加热温度为1100-1300℃，保温时间为2-5小时；
2)连铸板坯后依次进行：加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理；
其中轧制包括粗轧6-10道次，精轧10-20道次，粗轧开轧温度为1150-1200℃，精轧开轧温度为950-1150℃，终轧温度为850-880℃。所制连铸板坯的厚度规格为10-50mm。冷却包括轧后空冷或加速冷却，开冷温度为750-770℃，终冷温度为650-670℃。热处理为淬火+回火，淬火温度区间为：850-950℃，回火温度区间为200-300℃，其中淬火保温时间为15-30min，回火保温时间为1-2h。钢坯在轧制完成后空冷到室温，然后加热到850-950℃以上保温15-30min，进行水淬，然后在200-300℃进行回火1-2h，最终获得马氏体组织。
3)对已经获得的钢板进行制管，包括铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接。压制成型中步进数为40-60次。合缝采用打底焊，焊丝直径1-2mm，焊接电压15-25V。焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径3-5mm，焊接电压20-40V，焊接速度800-900mm/min。所制得钢管的直径为800-1200mm，厚度为15-30mm。
所制马氏体耐磨耐蚀钢管焊缝的抗拉强度≥1470Mpa，屈服强度≥1300Mpa，伸长率≥10％，母材-20℃冲击功≥80J，熔合线、熔合线+1mm、熔合线+3mm、熔合线+5mm处-20℃下的冲击功分别大于90J、80J、170J、170J，焊接性能优异。
本发明在成分设计上与现有技术相比加入了Cu，进一步提高耐腐蚀性能；加入了Ni改善低温韧性；通过降低C含量调整了屈服强度，降低了制管难度。
与目前已有的技术相比，本发明的优势在于：
通过上述的工艺，本发明通过调整化学成分，提高耐蚀性能；加入了Ni改善低温韧性；通过降低C含量调整了屈服强度，降低了制管难度。钢板表面布氏硬度：415±15HB；抗拉强度≥1400Mpa，屈服强度≥1050Mpa，延伸率≥12％，-20℃夏比V型冲击功≥90J。在3.5％NaCl溶液环境下，耐磨蚀性能达到传统NM450的1.5倍以上。没有添加昂贵的合金元素，轧制和制管工艺简单，控制了成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例1所得钢的金相组织图；
图2为本发明实施例1所得钢的金相组织图；
图3为本发明实施例2所得钢的金相组织图；
图4为本发明实施例2所得钢的金相组织图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例的化学组成按质量百分比含量计：C：0.186％；Si：0.16％；Mn：0.74％；Cu：0.4％；Ni：0.26％；Cr：0.56％；Nb：0.02％；Al：0.035％；Ti：0.016％；Mo：0.202％；B：0.0016％；N:0.005％；S≤0.003％；P≤0.01％；制造工艺：铁水经铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理。其中，连铸拉速为1.0m/min，加热温度为1150℃，保温时间为4小时，粗轧7个道次，精轧10个道次，粗轧开轧温度为1160℃，精轧开轧温度为1000℃，终轧温度为880℃，轧后空冷。所制钢板的厚度规格为16mm，钢的金相组织如图1-2所示，其基体组织为马氏体。热处理工艺：淬火+回火，淬火温度为：910℃，回火温度为200℃，淬火保温时间为20min，回火保温时间为1h。对所制的钢板进行铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接，最终获得马氏体钢管，其中，压制成型中步进数为50次。合缝采用打底焊，焊丝直径2mm，焊接电压25V。焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径4mm，焊接电压30V，焊接速度800mm/min。所制得钢管的直径为800mm。力学性能及耐磨蚀性能如表1所示。
实施例2
本实施例的化学组成按质量百分比含量计：C：0.176％；Si：0.17％；Mn：1.4％；Cu：0.6％；Ni：0.4％；Cr：0.86％；Nb：0.06％；Al：0.045％；Ti：0.036％；Mo：0.1％；；B：0.0021％；N:0.006％；S≤0.003％；P≤0.01％；制造工艺：铁水经铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理。其中，连铸拉速为1.1m/min，加热温度为1300℃，保温时间为3小时，粗轧9个道次，精轧10个道次，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为1050℃，终轧温度为860℃，轧后空冷。所制钢板的厚度规格为25mm，钢的金相组织如图3-4所示，其基体组织为马氏体。热处理工艺：淬火+回火，淬火温度为：950℃，回火温度为300℃，淬火保温时间为20min，回火保温时间为1.5h。对所制的钢板进行铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接，最终获得马氏体钢管，其中，压制成型中步进数为40次。合缝采用打底焊，焊丝直径2mm，焊接电压25V。焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径5mm，焊接电压40V，焊接速度900mm/min。所制得钢管的直径为1200mm。力学性能及耐磨蚀性能如表1所示。
实施例3
本实施例的化学组成按质量百分比含量计：C：0.1％；Si：0.1％；Mn：0.5％；Cu：0.4％；Ni：0.1％；Cr：0.5％；Nb：0.01％；Al：0.035％；Ti：0.01％；Mo：0.1％；；B：0.001％；N：0.001％；S≤0.003％；P≤0.01％；制造工艺：铁水经铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理。其中，连铸拉速为0.8m/min，加热温度为11000℃，保温时间为2小时，粗轧6个道次，精轧10个道次，粗轧开轧温度为1150℃，精轧开轧温度为950℃，终轧温度为850℃，轧后空冷。所制钢板的厚度规格为10mm，钢的金相基体组织为马氏体。热处理工艺：淬火+回火，淬火温度为：850℃，回火温度为200℃，淬火保温时间为15min，回火保温时间为1h。对所制的钢板进行铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接，最终获得马氏体钢管，其中，压制成型中步进数为40次。合缝采用打底焊，焊丝直径1mm，焊接电压15V。焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径3mm，焊接电压20V，焊接速度800mm/min。所制得钢管的直径为800mm。力学性能及耐磨蚀性能如表1所示。
实施例4
本实施例的化学组成按质量百分比含量计：C：0.25％；Si：0.3％；Mn：1.5％；Cu：1.0％；Ni：0.5％；Cr：1.4％；Nb：0.2％；Al：0.10％；Ti：0.04％；Mo：0.4％；；B：0.003％；N：0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；制造工艺：铁水经铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸、加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理。其中，连铸拉速为1.3m/min，加热温度为1300℃，保温时间为5小时，粗轧10个道次，精轧20个道次，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为1050℃，终轧温度为860℃，轧后空冷。所制钢板的厚度规格为50mm，钢的金相基体组织为马氏体。热处理工艺：淬火+回火，淬火温度为：950℃，回火温度为300℃，淬火保温时间为30min，回火保温时间为2h。对所制的钢板进行铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接，最终获得马氏体钢管，其中，压制成型中步进数为60次。合缝采用打底焊，焊丝直径2mm，焊接电压25V。焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径5mm，焊接电压40V，焊接速度900mm/min。所制得钢管的直径为1200mm。力学性能及耐磨蚀性能如表1所示。
表1本发明实施例与NM450和Q235力学性能及耐磨蚀性能对比
上述实施例所得钢的进行组织均显示为马氏体，钢板表面布氏硬度：415±15HB；抗拉强度≥1400Mpa，屈服强度≥1050Mpa，延伸率≥12％，-20℃夏比V型冲击功≥90J。在3.5％NaCl溶液环境下，耐磨蚀性能达到传统NM450的1.5倍以上。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管，其特征在于，以质量百分数计，所述马氏体耐磨耐蚀钢管的化学成分包括：
C：0.1-0.25％；Si：0.1-0.3％；Mn：0.5-1.5％；Cu：0.4-1.0％；Ni：0.1-0.5％；Cr：0.5-1.4％；Nb：0.01-0.2％；Al：0.035-0.10％；Ti：0.01-0.04％；Mo：0.1-0.4％；B：0.001-0.003％；N:0.001-0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管，其特征在于，所述马氏体耐磨耐蚀钢管的化学成分包括：
C：0.10-0.19％；Si：0.12-0.18％；Mn：0.5-1.5％；Cu：0.4-0.6％；Ni：0.2-0.4％；Cr：0.5-1.2％；Nb：0.01-0.1％；Al：0.004-0.08％；Ti：0.01-0.04％；Mo：0.1-0.4％；B：0.001-0.003％；N:0.005-0.008％；S≤0.003％；P≤0.01％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管，其特征在于，所述马氏体耐磨耐蚀钢管的表面布氏硬度：415±15HB；抗拉强度≥1400Mpa，屈服强度≥1050Mpa，延伸率≥12％，-20℃夏比V型冲击功≥90J；在3.5％NaCl溶液环境下，耐磨蚀性能达到传统NM450的1.5倍以上；
所述马氏体耐磨耐蚀钢管焊缝的抗拉强度≥1470Mpa，屈服强度≥1300Mpa，伸长率≥10％，-20℃冲击功≥80J；熔合线、熔合线+1mm、熔合线+3mm、熔合线+5mm处-20℃下的冲击功分别大于90J、80J、170J、170J。
4.一种415HB级泥沙输送管道用马氏体耐磨耐蚀钢管的制备方法，包括以下步骤：
1)铁水经铁水预处理、120吨转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、板坯连铸；
其中，连铸拉速为1.0-1.5m/min，加热温度为1200-1400℃，保温时间为3-6小时；
2)连铸板坯依次经加热、宽厚板生产线控制轧制、控制冷却、探伤、热处理得到钢板；
其中，轧制包括粗轧6-10道次，精轧10-20道次，粗轧开轧温度为1150-1200℃，精轧开轧温度为950-1150℃，终轧温度为850-880℃；
3)获得的钢板经铣边、预弯、压制成型、合缝、焊接，得到马氏体耐磨耐蚀钢管。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，连铸板坯的厚度规格为10-50mm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，控制冷却包括轧后空冷或加速冷却，开冷温度为750-770℃，终冷温度为650-670℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，热处理为淬火+回火，淬火温度区间为：850-950℃，淬火保温时间为15-30min；回火温度区间为200-300℃，回火保温时间为1-2h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，压制成型中步进数为40-60次。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，合缝采用打底焊，焊丝直径1-2mm，焊接电压15-25V；
焊接包括内焊和外焊，都采用双丝埋弧焊方式，焊丝直径3-5mm，焊接电压20-40V，焊接速度800-900mm/min。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所制得马氏体耐磨耐蚀钢管的直径为800-1200m，厚度为15-30mm。
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