CN103205643B - 一种高硬度耐磨钢管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度耐磨钢管及其制造方法，其化学成分（重量%）为：C：0.60-0.75%、Si：0.10-0.40%、Mn：0.60-1.30%、P：≤0.020%、S：≤0.010%、Cu：0.10-0.50%、Ni：0.10-0.50%、N：0.0030-0.0100%，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包括冶炼、铸造、热轧、退火、制管、焊接、淬火和回火等步骤。本发明通过以上成分及工艺得到的高硬度、高耐磨性耐磨钢管，典型洛氏硬度为HRC62～66，适用于工程机械中极易磨损设备，如混凝土泵车输送管等。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨钢管，特别是涉及一种高硬度耐磨钢管及其制造方法，其典型洛氏硬度为HRC62～66。
背景技术
当前，随着国内工程机械的快速发展，对材料的需求量越来越大，对材料质量要求也越来越高。混凝土泵车中的输送管道用耐磨管国内需求量就达数十万吨，是高硬度高强度耐磨管的主要应用途径。
我国臂架式混凝土泵车近年来有了快速发展，但产品的精细化设计、制造质量的控制能力、产品的稳定性和工艺方面与国外先进企业还有一定差距，存在着规格系列不规范，零部件国产化不足等问题。
特别值得关注的是国产臂架管的耐磨性问题。国内生产的臂架管耐磨度低，更换频繁，给混凝土现场捣注造成很大麻烦。国产臂架管无法超越国外先进产品已经成了制约臂架式泵车向高精尖发展、领跑世界的瓶颈。国外生产的臂架高耐磨管，德国走在前列，其使用寿命可达8万立方米以上。Putzmeister公司布料杆上配置了超耐磨损的双层输送管，根据实践，其寿命是普通输送管的10倍以上。
中国专利CN200910012360.2公布了一种用热轧卷板制造耐磨钢管的方法、其成分范围为0.10～0.22%C、0.15～0.70%Si、0.70～1.70%Mn、0.05～0.40%Cr、0.010～0.075%Al、0.01～0.40%Ni、0.10～0.40%Mo、0～0.35%Cu、0～0.050%Nb、0～0.030%Ti、0～0.050%V、0.0005～0.0040%B、<0.0080%N、0～0.0005%Zr、<0.010%S、<0.020%P，其余为Fe。由于该专利目的是提供一种硬度为HBW360-HBW450(约HRC39～47)耐磨钢管，其成分设计思路为低碳低合金成分体系，通过低碳保证钢具有一定的淬硬性，通过锰、钼、硼合金保证钢的淬透性，通过镍、钛、锆等微量元素保证钢的晶粒细化，从而保证钢的韧性和焊接性。其主要用途是用于石油行业和煤矿液压支架缸体上。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硬度耐磨钢管及其制造方法，具有高硬度，高耐磨及焊接性能优异，其典型洛氏硬度为HRC62～66，用于工程机械中极易磨损设备，如混凝土泵车输送管等有益于在工程上广泛应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高硬度耐磨钢管，其化学成分重量百分比含量为：C：0.60-0.75%、Si：0.10-0.40%、Mn：0.60-1.30%、P：≤0.020%、S：≤0.010%、Cu：0.10-0.50%、Ni：0.10-0.50%、N：0.0030-0.0100%，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，C：0.60-0.73%、Si：0.10-0.35%、Mn：0.60-1.20%、P：≤0.010%、S：≤0.005%、Cu：0.10-0.50%、Ni：0.10-0.50%、N：0.0030-0.0080%，其余为Fe和不可避免的杂质；
优选地，Cu：0.15-0.50%；
优选地，Ni：0.15-0.50%。
以下详述本发明所涉及的耐磨钢管的化学成分作用。
碳：含量控制在0.60-0.75wt.%范围内。碳是耐磨钢中最基本、最重要的元素，可以提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性，但其对钢的韧性和焊接性能不利，因此，应合理控制钢中的碳含量为0.60-0.75wt.%，优选为0.60-0.73wt.%。
硅：含量控制在0.10-0.40wt.%范围内。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而硅含量过高会导致钢的韧性急剧下降。同时考虑到硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易产生低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，影响焊缝质量，因此含量不易过多，本发明中控制硅为0.10-0.40wt.%，优选地为0.10-0.35wt.%。
锰：含量控制在0.60-1.30wt.%范围内。锰强烈增加钢的淬透性，降低耐磨钢转变温度和钢的临界冷却速度。但锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，而且容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，本发明中控制锰含量为0.60-1.30wt.%，优选地0.60-1.20wt.%。
铜：含量控制在0.10-0.50wt.%范围内。在钢中加入铜可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成形性和机械加工性能等，本发明中控制铜含量为0.10-0.50wt.%，优选地0.15-0.50wt.%。
镍：含量控制在0.10-0.50wt.%范围内。镍在钢中不但能够很好的起到固溶强化的作用，还可以改善韧性，另外还可以提高钢的耐蚀性能，以及减轻铜的偏聚，本发明中控制镍含量为0.10-0.50wt.%，优选地0.15-0.50wt.%。
磷与硫：在耐磨钢中，硫与磷均为有害元素，它们的含量要严格控制，本发明所涉及钢种中控制磷含量小于0.020wt.%，优选≤0.010wt.%；硫含量小于0.010wt.%，优选≤0.005wt.%。
氮：钢中过多的氮对钢的性能尤其是焊接性能是十分不利的，但控制过严会大幅增加生产成本，因此，含氮量一般控制在0.0030-0.0100%，优选0.0030-0.0080%。
本发明的耐磨钢管的制造方法，包括冶炼、铸造、加热、热轧、退火、制管、焊接、淬火和回火；其中加热步骤中，加热温度为1000-1300℃；在轧制步骤中，轧后空冷；在退火步骤中，退火温度为600-800℃，保温时间为10-20h；制管成型ф100～ф150mm、采用高频ERW方式，焊后去毛刺并矫直。焊接工艺参数控制：焊接功率220～300KW、焊接频率280～310KHZ，生产线速度18～28米。
淬火步骤中，淬火温度为（Ac3－50）℃～（Ac3＋100）℃；保持时间为10-30min；回火步骤中，回火温度为120-300℃，保持时间为10-40min。
优选地，在所述加热过程中，加热温度为1000-1200℃，更优选加热温度为1050-1200℃，为提高生产效率并防奥氏体晶粒过分长大及钢坯表面严重氧化，最优选加热温度为1080-1200℃。
优选地，退火温度为650-800℃。
优选地，淬火温度为（Ac3－20）℃～（Ac3＋80）℃，出炉后水冷，更优选淬火温度小于（Ac3－10）℃～（Ac3＋70）℃，有利于细化组织，提高力学性能。最优选淬火温度为（Ac3－10）℃～（Ac3＋50）℃。
优选地，回火温度为120-250℃，出炉后空冷。更优选回火温度120-230℃，有利于提高钢板力学性能。最优选回火温度为130-230℃。
本发明的耐磨钢管与现有技术相比具有如下特点：
1.从化学成分上看，本发明的耐磨钢管的合金成分以中高碳低合金为主，不含有Cr、Mo及Nb、V、Ti等合金元素，通过高碳（0.60-0.75%）来提高强硬度及耐磨性，通过Ni和Cu等元素改善韧性，进而保证钢管具有优异的力学性能和耐磨钢性能等。
2.在本发明中，由于碳含量较高进而导致轧态钢板组织均匀性差、且强硬度较高，不利于制管，因此本发明在制管前对钢板进行退火处理。本发明通过科学设计退火温度（600-800℃）和退火时间（10-20h）保证将钢板退火后具有均匀的组织和性能，利于卷曲钢管。
3.从产品性能上看，本发明的耐磨钢管硬度极高，可达HRC62～66，这主要是在较高的碳含量下通过淬火+回火工艺，可以得到细化的马氏体组织，进而得到高硬度钢管。另外，回火可以消除淬火态钢管的内应力，使得钢管有较佳的韧性，提高耐磨管的使用性能。
4.由于成分和工艺设计合理，从实施效果来看，本发明耐磨钢管的工艺制度比较宽松，可以稳定地进行工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例一钢板轧态组织照片。
图2为本发明钢板退火态组织照片。
图3为本发明钢管淬火+回火态组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。这些实施例仅仅是对本发明的一些实施方式的描述，并不对本发明的范围构成任何限制。
实施例1
本发明的耐磨钢管及对比例1（见专利CN101602079）的化学成分如表1所示。按表1所示的化学成分冶炼后将连铸坯或钢锭加热至1250℃，轧后缓冷。钢卷料退火后制管成型尺寸ф150mm，高频ERW的焊接功率280KW、焊接频率290KHZ，生产线速度23米/分。
焊管淬火温度为850℃，保温时间为15min，回火温度为180℃，保温时间为25min，回火后空冷，硬度HRC62.1
参见图1，图1为本发明实施例一钢板轧态组织，为铁素体+珠光体，组织均匀性差。图2为本发明钢板退火态组织，由图可知退火后组织均匀性显著提高。
图3为本发明钢管淬火+回火态组织，由图可知，热处理后钢管显微组织为细的马氏体，这保证了钢管具有较高的硬度和优异的耐磨性能。
实施例2
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1200℃，轧后缓冷。钢卷料退火后制管成型尺寸ф130mm，高频ERW的焊接功率250KW、焊接频率290KHZ，生产线速度20米/分。
焊管淬火温度为830℃，保温时间为18min，回火温度为220℃，保温时间为20min，回火后空冷，硬度HRC62.8。
实施例3
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1140℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф139.5mm，高频ERW的焊接功率270KW、焊接频率300KHZ，生产线速度25米/分。
焊管淬火温度为830℃，保温时间为28min，回火温度为270℃，保温时间为46min，回火后空冷，硬度HRC63.6。
实施例4
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1185℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф125mm，高频ERW的焊接功率250KW、焊接频率275KHZ，生产线速度26米/分。
焊管淬火温度为815℃，保温时间为40min，回火温度为280℃，保温时间为31min，回火后空冷，硬度HRC63.7。
实施例5
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1000℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф100mm，高频ERW的焊接功率220KW、焊接频率250KHZ，生产线速度28米/分。
焊管淬火温度为826℃，保温时间为33min，回火温度为210℃，保温时间为60min，回火后空冷，硬度HRC64.5。
实施例6
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1090℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф120mm，高频ERW的焊接功率300KW、焊接频率310KHZ，生产线速度18米/分。
焊管淬火加热温度为865℃，保温时间为22min，回火温度为160℃，保温时间为26min，回火后空冷，硬度HRC65.1。
实施例7
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1160℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф139.3mm，高频ERW的焊接功率275KW、焊接频率300KHZ，生产线速度25米/分。
焊管淬火加热温度为836℃，保温时间为22min，回火温度为200℃，保温时间为26min，回火空冷，硬度HRC65.8。
实施例8
实施方式同实施例1，其中连铸坯或钢锭加热温度为1145℃，轧后缓冷。
钢卷料退火后制管成型尺寸ф115mm，高频ERW的焊接功率230KW、焊接频率285KHZ，生产线速度25米/分。
焊管淬火加热温度为817℃，保温时间为35min，回火温度为190℃，保温时间为35min，回火后空冷，硬度HRC66.2。
表1 单位：重量百分比
力学性能试验：
对本发明实施例1-8的高硬度耐磨钢管及对比例1（中国专利CN101602079）的力学性能见表2。
表2
从表2可以看出，本发明实施例1-8高硬度耐磨钢管洛氏硬度为HRC62-66，硬度高于与对比钢1钢板的硬度。
Claims (10)
1.一种高硬度耐磨钢管，其化学成分的重量百分比为：C：0.60-0.75％、Si：0.10-0.40％、Mn：0.60-1.30％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Cu：0.10-0.50％、Ni：0.10-0.50％、N：0.0030-0.0100％，其余为Fe和不可避免的杂质；其典型洛氏硬度为HRC62～66。
2.如权利要求1所述的高硬度耐磨钢管，其特征是，其化学成分的重量百分比为：C：0.60-0.73％、Si：0.10-0.35％、Mn：0.60-1.20％、P：≤0.010％、S：≤0.005％、Cu：0.10-0.50％、Ni：0.10-0.50％、N：0.0030-0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的高硬度耐磨钢管，其特征是，所述的Cu含量为：0.15-0.50％，Ni：0.15-0.50％，以重量百分比计。
4.如权利要求1-3任一所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，按上述成分冶炼、铸造、加热、轧制、退火、制管、焊接、淬火和回火，获得所述高硬度耐磨钢管；其中，
在加热步骤中，加热温度为1000-1300℃；
在轧制步骤中，轧后空冷；
在退火步骤中，退火温度为600-800℃，保温时间为10-20h；
在焊接步骤中，采用ERW方式，焊后去毛刺并矫直；焊机采用高频焊接，感应加热模式；
在淬火步骤中，淬火温度为(Ac3－50)℃～(Ac3+100)℃；保持时间为10-30min，冷却速度≥7℃/s；
在回火步骤中，回火温度为100-300℃，保持时间为10-40min，空冷；最终获得的耐磨钢管典型洛氏硬度为HRC62～66。
5.如权利要求4所述的耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述的加热温度为1000-1200℃。
6.如权利要求4所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述淬火温度为(Ac3－20)℃～(Ac3+80)℃。
7.如权利要求5所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述淬火温度为(Ac3－20)℃～(Ac3+80)℃。
8.如权利要求4所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述回火温度为120-250℃。
9.如权利要求5所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述回火温度为120-250℃。
10.如权利要求6或7所述的高硬度耐磨钢管的制造方法，其特征是，所述回火温度为120-250℃。
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