CN102392181B - 一种合金钢、无缝钢管及异型钢管的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度和屈服强度强、硬度高、热膨胀系数低、耐蚀抗氧化性和焊接性好的合金钢，该合金钢含有以下质量百分比的成分：0.12~0.17的碳、0.25~0.40的硅、1.2~1.39的锰、0.02~0.04的铌、0.04~0.06的钒、0.02~0.04的钛、0.02~0.04的铝、0.0005~0.0035的硼以及≤0.1的铬、≤0.05的镍和≤0.05的铜，并且，磷和硫的含量均≤0.025，其余为铁。本发明还公开了一种采用该合金钢制成的无缝钢管以及基于该无缝钢管模压而成的异型钢管的热处理工艺，该工艺为：将经模压成型的异型钢管依次进行分级加热淬火处理和回火热处理。本发明所述的合金钢及采用该合金钢和本发明所述的热处理工艺得到的异型钢管主要用于消防设备中。
Description
技术领域
本发明涉及到金属延压加工及金属材料热处理工艺，尤其涉及到一种合金钢、合金钢管及其热处理工艺。
背景技术
消防设备属于消防安全行业，是保障建筑物、人民财产、消防安全和人员生命安全的重要设施，是现代建筑的重要组成部分和消防救援的有力保障。在复杂的环境中，消防设备需要具有高强度、耐温差、使用寿命长以及综合性能优良等特点。但是，目前用于制造消防设备的材料强度偏低、韧性有限、综合性能低下，导致消防设备的承载能力较小、抗震能力差、抗弯曲和扭曲性能低下，尤其是结构件自身重量占据比例较大。所以消防设备远距离救援能力受限，救援效果不佳。
表1、表2、表3为传统消防设备用钢管金属材料的化学成分、综合室温力学性能和钢管结构及公差。
表1、传统消防设备用钢管金属材料的化学成分
表2、传统消防设备用钢管金属材料的室温力学性能
表3、传统消防设备用钢管结构及公差
根据消防行业的特性，消防设备的工作环境温差大、工作条件特殊而复杂，上述消防设备用金属材料存在以下缺陷：
1、金属材料的抗拉强度、屈服强度和硬度偏低，不能满足消防设备需有良好的抗弯强度、抗扭曲能力，以及承载能力大和抗震能力强等特性。
2、金属材料的热膨胀系数高、温差感应强、高温耐蚀抗氧化性差，不能适应温差变化大和复杂而恶劣的救援环境。
3、金属材料的焊接性能差，使得消防设备制造难度大，尤其是安全可靠性不稳定。
采用上述合金材料制成的无缝钢管，自身重量占据比例较高，增加了消防设备的整体重量，严重的制约了消防设备远距离救援空间。
在无缝钢管的热处理过程中，通常采用了正火热处理工艺，即：加热至Ac3以上30~50℃，保温一段时间后，然后出炉，自然冷却（通常在静止的空气中冷却），其目的在于使得晶粒细化和碳化物分布均匀化，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。该工艺能使证材料具有一定的抗拉强度、屈服强度，但材料的韧性不足、抗弯曲和扭曲性能力低下，尤其是温差感应强，对于消防设备来说是极大的不利与限制。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种抗拉强度和屈服强度强、硬度高、热膨胀系数低、耐蚀抗氧化性和焊接性好的合金钢。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种合金钢，含有以下质量百分比的成分：0.12~0.17的碳、0.25~0.40的硅、1.2~1.39的锰、0.02~0.04的铌、0.04~0.06的钒、0.02~0.04 的钛、0.02~0.04 的铝、0.0005~0.0035 的硼以及≤0.1的铬、≤0.05的镍和≤0.05的铜，并且，磷和硫的含量均≤0.025，其余为铁。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种抗拉强度和屈服强度强、硬度高、热膨胀系数低、耐蚀抗氧化性和焊接性好的无缝钢管。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：无缝钢管，该无缝钢管由本发明所述的合金钢制成。
上述的无缝钢管通过模具，可以压制成内方外圆的异型钢管。
本发明所要解决的第三个技术问题是：提供一种可使由本发明所述的无缝钢管模压成型的异型钢管晶粒细化和碳化物分布均匀化、从而提高异型钢管的韧性、抗弯曲和扭曲性能力的异型钢管的热处理工艺。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：异型钢管的热处理工艺，其步骤为：将经模压成型的异型钢管依次进行分级加热淬火处理和回火热处理；
所述的分级加热淬火热处理，其步骤为：先按照15~20℃/s的加热速度加升温至750~770℃，保温15~20分钟后，按照20~25℃/s的加热速度升温至870~880℃，保温35~40分钟，接着，按照190~200℃/s的冷却速度急速冷却至350℃以下，然后，自然冷却；
所述的回火热处理，其步骤为：先按照10~15℃/s的加热速度升温至350~400℃，保温60~80分钟，然后，自然冷却。
所述的按照190~200℃/s的冷却速度急速冷却至350℃以下中的急速冷却采用的冷却介质为油。
本发明的有益效果是：本发明所述的合金钢由于添加了适量的铝元素，既使得合金钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能得到了保障，又提高了合金钢的抗氧化性和抗腐蚀性能，并细化了晶粒，提高冲击韧性；由于合金钢中加入了微量的硼，不仅改善了合金钢的致密性和热轧性能，而且，还提高了强度；由于添加了微量元素铌、钒和钛，使合金钢晶粒得到细化，热膨胀系数低、过热敏感弱，大大减小回火脆性倾向，不仅提高了合金钢的强度、韧性，而且提高了合金钢的高温耐蚀抗氧化性，以及合金钢的焊接性能。充分保障了消防设备所需的耐温差强和耐腐蚀性优良等条件；
通过降低锰的含量和添加的微量元素铌、钒和钛，有效地防止了热处理时的晶粒长大，降低了合金钢过热敏感性，减小了合金钢的回火脆性倾向，提高了合金钢的焊接性。具体地讲，合金钢的焊接性能与其成分关系很大，尤其是碳含量，当碳含量较高时，焊接区容易产生裂纹。在实际生产中，常用“碳当量”概念来衡量金属材料的焊接性能好坏，实践证明：当碳当量CE小于0.4%时，钢材焊接冷裂倾向不大，焊接性良好。根据国际焊接学会推荐的碳当量公式CE(IIW)如下：
对于消防设备来说，焊接是必不可少而且相当频繁的制造环节。因此，材料需要具有良好的焊接性能。
由上述碳当量公式可计算出传统的20Mn2合金钢和本发明所述的合金钢（牌号定为HCQ550）的碳当量：
20Mn2合金钢：（CE）=0.21+1.6/6+0.30/5+0.60/15=0.58%；
HCQ550合金钢：（CE）=0.145+1.3/6+0.15/5+0.10/15=0.398%；
根据上述计算结果得知：
20Mn2合金钢的碳当量过高，材料焊接性能差，焊接容易形成裂纹以及焊接接头容易出现脆性等缺陷。
HCQ550合金钢碳当量远远小于20Mn2合金钢的碳当量0.58%，而且也小于优良碳当量焊接指标0.4%，参照图3所述的碳当量、含碳量与冷裂敏感性的关系图可知，本发明所述的合金钢具有优良的焊接性能。
本发明所述的热处理工艺，通过分级加热淬火处理，即：在加热至材料Ac3温度之前分两步进行，非采用缓慢持续直接升温至Ac3温度，而是缓慢持续加热至珠光体向奥氏体转变的温度Ac1，保温一定时间，使珠光体转变成奥氏体的量化达到最大，然后才急速升温至先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度Ac3，使铁素体逐渐溶于奥氏体内，钢的组织就全部奥氏体化；本发明材料Ac3为830～850℃，因此，急速加热至870～880℃时产生大量的细小、排列精密奥氏体组织，经过油淬火急速冷却到Ms点350℃以下，获得高强度、高硬度的马氏体组织；经过分级加热淬火处理得到的材料，其组织具有不稳定性，尤其是塑性极差，因此，通过后续的回火处理，得到回火索氏体，使得材料拥有稳定的组织结构和足够强度、屈服、良好塑性，以及足够韧性、耐温差性。从而满足消防设备使用材料所需要的耐温差强、强度高、承载能力大、抗震能力强、轻量化以及远距离救援显著等特性。
附图说明
图1为传统圆钢管的结构示意图。
图2为本发明所述的异型钢管的结构示意图。
图1至图2中：1、圆钢管，2、圆孔，3、异型钢管，4、方孔。
图3为碳当量、含碳量与冷裂敏感性的关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的具体实施方案。
本发明所述的一种合金钢，含有以下质量百分比的成分：0.12~0.17的碳、0.25~0.40的硅、1.2~1.39的锰、0.02~0.04的铌、0.04~0.06的钒、0.02~0.04 的钛、0.02~0.04 的铝、0.0005~0.0035 的硼以及≤0.1的铬、≤0.05的镍和≤0.05的铜，并且，磷和硫的含量均≤0.025，其余为铁。
实际应用时，通过控制铜在合金钢中的含量在0.02~0.05（质量百分比）之间，来提高合金钢的强度和韧性，并使得合金钢具有优良的抗腐蚀性能，通过控制镍在合金钢中的含量在0.02~0.05（质量百分比）之间，来提高合金钢的强度，并使得合金钢具有良好的塑性和韧性，同时，由于镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，使得合金钢在高温下有防锈和耐热能力；通过控制铬在合金钢中的含量在0.05~0.1（质量百分比）之间，来提高合金钢的强度、硬度和耐磨性，同时还提高了合金钢的抗氧化性和耐腐蚀性。
采用常规工艺将由本发明所述的合金钢材质构成的棒材制成无缝钢管，并将制成的无缝钢管进行稳定组织热处理，其具本步骤为：将无缝钢管加热至830~845℃，保持30~35分钟，然后，自然冷却。
参见图1、图2，图1所示的圆钢管1，由于其内孔为圆孔2，使得其横截面的形状受限，具有一定的局限性，无法用于一些特定条件和环境，而图2所示的异型钢管3，由于其内孔为方孔4，具有更大的横截面，可以节约金属，提高材料的利用率，简化制造工序，提高劳动生产率；在满足同等使用性能的条件下，异型钢管3可以大大减轻结构重量，适应消防设备轻量化的需求；圆钢管1的惯性矩和截面模数较小，在受平面弯曲和扭曲的条件下，不如异型钢管3抗弯强度和抗扭曲能力大，同样边长和直径的圆钢管1和异型钢管3，异型钢管3承载能力和抗震能力更佳。因此，本发明采用模具将圆钢管压制成异型钢管3，有效提高了消防设备的承载能力、抗震能力、抗弯曲和扭曲性。
在制得异型钢管3后，还需要对其进行热处理，其具体步骤为：将经模压成型的异型钢管依次进行分级加热淬火处理和回火热处理；所述的分级加热淬火热处理，其具体步骤为：先按照15~20℃/s的加热速度升温至750~770℃，保温15~20分钟后，按照20~25℃/s的加热速度升温至870~880℃，保温35~40分钟，接着按照190~200℃/s的冷却速度油淬火急速冷却至350℃以下，然后，自然冷却；所述的回火热处理，其步骤为：先按照10~15℃/s的加热速度升温至350~400℃，保持60~80分钟，然后，自然冷却。
下表为采用本发明所述的合金钢材料（HCQ550）及本发明所述的热处理工艺得到的异型钢管与采用背景技术中所述的传统的合金钢材料（20Mn2）及传统的热处理工艺得到圆钢管的性能对照表：
从上述表中可明显看出：本发明所述的合金钢经过对化学元素的适量调配并采取独到的热处理工艺后，使得其综合性能指标无论在室温还是在高温环境下与传统的合金钢相比均得到了大幅的提高，完全满足了消防设备对于环境温差变化大以及高强度、承载能力大、抗震能力强、远距离救援等要求。
原来采用的是圆钢管1即圆截面钢管，而本发明采用是异型钢管3即外圆内方异型结构的钢管，结构上有着本质的区别，异型钢管3每米重量比圆钢管1减小2.97kg，为消防设备轻量化、远距离救援提供了有力的保障。
Claims (2)
1.无缝钢管模压成型的异型钢管的热处理工艺，该无缝钢管由含有以下质量百分比的成分：0.12~0.17的碳、0.25~0.40的硅、1.2~1.39的锰、0.02~0.04的铌、0.04~0.06的钒、0.02~0.04 的钛、0.02~0.04 的铝、0.0005~0.0035 的硼以及≤0.1的铬、≤0.05的镍和≤0.05的铜，磷和硫的含量均≤0.025，其余为铁的合金钢制成；所述的热处理工艺的步骤为：将经模压成型的异型钢管依次进行分级加热淬火处理和回火热处理；所述的分级加热淬火热处理，其步骤为：先按照15~20℃/s的加热速度加升温至750~770℃，保温15~20分钟后，按照20~25℃/s的加热速度升温至870~880℃，保温35~40分钟，接着，按照190~200℃/s的冷却速度急速冷却至350℃以下，然后，自然冷却；所述的回火热处理，其步骤为：先按照10~15℃/s的加热速度升温至350~400℃，保温60~80分钟，然后，自然冷却。
2.如权利要求1所述的异型钢管的热处理工艺，其特征在于：所述的按照190~200℃/s的冷却速度急速冷却至350℃以下中的急速冷却采用的冷却介质为油。
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