CN101381847A

CN101381847A - 高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢及其生产方法

Info

Publication number: CN101381847A
Application number: CNA2008100484358A
Authority: CN
Inventors: 陈颜堂; 朱丛茂; 范植金; 罗国华; 柳志敏; 欧阳凯; 张政权; 桂洲
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: CN101381847B

Abstract

本发明公开了一种高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢及其生产方法。它是在冶炼后，开轧温度控制在1100－1280℃温度范围，终轧温度控制在880－980℃温度范围，轧制总压下率≥60％，轧后空冷至室温，调质热处理淬火温度：850－920℃，在450－700℃温度范围回火2小时，回火后浇水冷却至室温；其化学成分按重量百分比为：C：0.05－0.45％，Si：0.25－1.20％，Mn：1.00－6.50％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr：1.0－6.50％，Nb：0.08－0.28％，B：0.0005－0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。本生产方法制造的钢板具有高强度、高韧性和良好的耐磨蚀性能。生产过程容易控制，操作简单，生产成本较低，适合规模生产。

Description

高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢材，具体涉及一种高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢及其生产方法。

背景技术

浑浊液体输送管道(如水电站输水管、蜗壳、湖泊清淤管道、江河清理河道采砂管道、海滩吹沙钢管、采矿、选矿输水管道等)内壁因受到含有砂砾的液体冲刷作用而磨损。这类钢结构工作过程的损伤包括(1)液体中含有坚硬砂石对钢管内壁的刮伤即磨损；(2)液体(水)在一定流速和压力下，在钢管内壁局部形成的微小气泡破裂时产生很高冲击力，破坏钢管内壁，该过程被广泛称为“气蚀”，磨损和气蚀的复合作用下造成钢管“磨蚀”。为提高此类钢结构用钢的使用寿命，通常采用具有一定韧性的高强度(硬度)钢，目前普遍使用的钢种为抗拉强度为500MPa级、600MPa级钢，如16Mn、WEL-TEN60、WDB620、07MnCrMoVR等，采用低强度级别的钢种，势必增加钢板厚度以提高使用寿命，采用厚钢板直接导致钢结构制造难度，提高重量，若采用抗拉强度为700MPa级高强度钢可降低钢结构重量及施工难度，并可提高工程质量，延长使用寿命。

在本申请以前，日本生产的WEL-TEN70等系列700MPa级输水管用钢经冶炼、轧制及调质热处理而成，其化学成分按重量百分比为:C≤0.14％，Si≤0.35％，Mn:0.60-1.50％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.10-0.30％，Ni:0.30-0.70％，Cr:0.30-0.80％，Mo:0.15-0.60％，V≤0.10％，B≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

美国专利申请718567介绍了“High strength line pipe steelhaving low yield ratio and excellent in low temperature toughness”，通过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取等工艺过程生产，以Mn-Ni-Mo-Nb-Ti为主要合金元素，其化学成分按重量百分比为:C:0.05-0.10％，Mn:1.70-2.50％，Si≤0.60％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr≤0.80％，Cu≤1.20％，Ni:0.10-1.00％，Mo:0.15-0.60％，Nb:0.01-0.10％，N:0.0010-0.0060％，Ti:0.005-0.03％，Al≤0.06％，V≤0.10％，B≤0.0020％，余Fe和不可避免的杂质。卷取温度为540±20℃。利用固溶氮及氮化物的析出获得一定的强度。抗拉强度大于950MPa.

以上高强度钢不足之处在于，其不足在于:其一，钢的化学成分复杂，生产过程难于控制，使得产品合格率降低，增加了成本；其二，含有昂贵的合金元素Mo、Ni等，价格昂贵；其三，要求钢的S含量不高于0.003％，增加了生产难度，提高了生产成本。

中国专利申请95103148.1公开了“一种低合金贝氏体耐磨钢”。不足之处在于钢种含有0.30％-0.40％的Mo，提高了生产成本，另外还含有0.30％-0.40％的Cu，增加了生产难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗拉强度为700MPa级(抗拉强度:690-850MPa，屈服强度大于590MPa)具有良好耐冲刷磨蚀性能的高强度钢及其生产方法。

本发明的技术方案之一是:高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢，其化学成分按重量百分比为:C:0.05-0.45％，Si:0.25-1.20％，Mn:1.00-6.50％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr:1.0-6.50％，Nb:0.08-0.28％，B:0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述化学成分还满足以下关系式:

(1):0.075％≤Cr×Mn≤0.180％

(2):0.05％≤C+5B≤0.50％。

所述C含量范围按重量百分比为0.08～0.32％。

所述Si含量范围按重量百分比为0.45～0.85％。

所述Mn含量范围按重量百分比为2.80～4.80％。

所述Cr含量范围按重量百分比为2.80～4.80％。

所述Nb含量范围按重量百分比为0.12～0.22％。

本发明的技术方案之二是:高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢的生产方法，它是在冶炼后，开轧温度控制在1100-1280℃温度范围，终轧温度控制在880-980℃温度范围，轧制总压下率≥60％，轧后空冷至室温，调质热处理淬火温度:850-920℃，在450-700℃温度范围回火2小时，回火后浇水冷却至室温；其化学成分按重量百分比为:C:0.05-0.45％，Si:0.25-1.20％，Mn:1.00-6.50％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr:1.0-6.50％，Nb:0.08-0.28％，B:0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述开轧温度范围为:1180-1260℃。

所述终轧轧温度范围为900-950℃。

所述轧制压下率为≥70％。

所述淬火温度范围为880-920℃。

所述回火温度范围为500-600℃。

本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理。

设计本发明钢种时，添加一定含量的Cr、Mn、B的目的是保证本发明钢种具有一定的淬透性，经调质热处理后抗拉强度处于690-850MPa范围，由关系式0.075％≤Cr×Mn≤0.180％限制Cr、Mn的加入量，即当Cr的含量在设置范围内按递增顺序加入时，则Mn在设置范围按递减顺序加入钢中。一方面通过Cr和Mn的交互作用提高钢的淬透性，使得钢的抗拉强度达到700MPa级别；另一方面，在保证钢种性能的前提下，尽可能降低钢中合金元素含量，降低生产成本和生产制造难度。设置0.05％≤C+5B≤0.50％，目的在于保证钢的淬透性，提高钢的强度，设置C+5B的上限，目的在于(1)避免在生产过程中出现含B的脆性相，降低钢的性能；(2)由于钢管的建造过程中需要大量焊接工作，控制C和B的加入量可降低钢的碳当量，提高钢的焊接性能。

以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。

C是钢中最有效、最经济的间隙强化元素之一，为了提高钢的强度(硬度)，添加C含量可显著增加钢的硬度，提高抗冲刷磨蚀性能，但是过量的C含量会使钢的断裂韧性显著降低，相反，如果C含量过低，则难于保障钢的强度，综合平衡钢的强度及断裂韧性，将C含量的取值范围确定为:0.05-0.45％。

Si是一种经济的置换固溶强化元素，我国资源很丰富，加入钢中可显著提高钢的强度，但如果过多地加入Si，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分范围确定为:0.25-1.20％.

Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但过量加入Mn含量，钢中会增加“软相”-残余奥氏体数量，降低钢的强度，导致抗冲刷磨蚀性能降低，故将Mn含量的范围设定为1.00-6.50％。

Cr可提高钢的淬透性，经调质热处理后形成的系列碳化物(如Cr₃C、Cr₆C、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等)可显著提高钢的抗磨蚀性能，但过量的Cr含量导致钢的脆性增加，故将Cr含量范围分别设定为1.00-6.50％。

钢中加入微量的Nb，主要目的在于提高钢的再结晶温度，使轧制可在较高温度完成，减小轧制机械设备的轧制抗力，延长使用寿命，微量的Nb还具有细化晶粒提高强度和韧性的作用，但过量的Nb含量不利于钢的冶炼，因此将Nb含量确定为0.08-0.280％。

P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响钢的抗冲刷磨蚀性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在P≤0.02％及S≤0.010％常规范围。

以下简述生产方法所依据的原理。

将开轧温度设定为高于1100℃，一般在1150-1280℃开始粗轧，因为设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。轧制压下率要求高于60％目的在于破碎粗大的晶粒，消除铸态组织，使晶粒均匀。通过调质热处理可进一步细化晶粒、均匀化组织。淬火温度范围设置在850℃-920℃，可使钢中第二相充分溶解，形成均匀的奥氏体组织，而温度过高导致奥氏体晶粒长大，降低钢的性能。在450-700℃温度范围回火2小时，回火后浇水冷却至室温，目的在于在该温度范围回火，形成弥散强化效应，回火过程中，形成细小弥散分布的Nb(CN)和Cr₃C等析出相，显著提高钢的强度，使得抗拉强度达到700MPa级水平并具有良好的抗冲刷磨蚀性能。

本发明钢具有如下优点:

1.化学成分相对简单，不含有昂贵的合金元素Ni、Mo、Cu等，且生产工艺过程容易操作，生产成本较低，效率高，适宜规模生产。

2.不仅具有高强度(屈服强度大于590MPa，抗拉强度:690-850MPa)，而且具有良好的抗冲刷磨蚀性能，显著提高工程质量及使用寿命。

具体实施方式

按照本申请成分要求，冶炼了5批本发明钢，采用常规方法冶炼。化学成分数据见表1，表2为生产本发明钢的工艺过程，采用表2工艺过程生产本发明钢的机械性能及耐冲刷磨蚀试验结果列于表3。进行冲刷磨蚀试验时，将试验钢板加工成内部直径为50mm的无缝钢管，长度为1000mm，壁厚为5mm；配制含5％(重量百分比)砂砾的水，将该混和液体装入无缝钢管中，由抽水泵进行循环流动，管内压力由应力感应片测定，控制在5±0.001MPa，持续试验直到无缝钢管被破坏(出现局部磨损小洞且漏水)时结束，对比钢板为商用WEL-TEN70钢。由表3可见，本发明钢不仅具有良好的机械性能，而且具有良好的抗冲刷磨蚀性能。

表1.本发明实施例化学成分(wt.％)

表2.生产本发明实施例钢的主要工艺条件

表3.本发明实施例的机械性能试验结果

Claims

1、一种高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢，其特征是:其化学成分按重量百分比为:C:0.05-0.45％，Si:0.25-1.20％，Mn:1.00-6.50％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr:1.0-6.50％，Nb:0.08-0.28％，B:0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，且化学成分还应满足以下关系式:

(1):0.075％≤Cr×Mn≤0.180％

(2):0.05％≤C+5B≤0.50％。

2、如权利要求1所述高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢，其特征是:所述C含量范围按重量百分比为0.08～0.32％；所述Si含量范围按重量百分比为0.45～0.85％。所述Mn含量范围按重量百分比为2.80～4.80％；所述Cr含量范围按重量百分比为2.80～4.80％；所述Nb含量范围按重量百分比为0.12～0.22％。

3、如权利要求1所述高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢，其特征是:在冶炼后，开轧温度控制在1100-1280℃温度范围，终轧温度控制在880-980℃温度范围，轧制总压下率≥60％，轧后空冷至室温，调质热处理淬火温度:850-920℃，在450-700℃温度范围回火2小时，回火后浇水冷却至室温，其化学成分按重量百分比为:C:0.05-0.45％，Si:0.25-1.20％，Mn:1.00-6.50％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr:1.0-6.50％，Nb:0.08-0.28％，B:0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

4、如权利要求3所述高抗拉强度的耐冲刷磨蚀钢的生产方法，其特征是所述开轧温度范围为:1180～1260℃；所述开轧温度范围为:1180～1260℃；所述终轧轧温度范围为900～950℃；所述轧制压下率为≥70％；所述淬火温度范围为880～920℃；所述回火温度范围为500～600℃。