CN104294156A - 一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其组分及wt%为：C：0.60~0.72%，Si：0.10~0.30%，Mn：0.50～1.20%，Ca：0.0030~0.0070%，Cr：0.60~0.86%，Als：0.015~0.050%，P：≤0.015%，S：≤0.008%；步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯缓冷；对铸坯加热；高压水除鳞；热轧；前端冷却；卷取；空冷至室温后罩式退火；空冷至室温后制管；感应热处理。本发明化学元素简单，保证使用力学性能，并在经退火后整卷钢带各部位均能形成均匀的球状珠光体组织，且由于采用在线连续感应热处理，而使钢材从内部加热，升温速度比传统升温速度大幅提高，每分钟热处理钢管速度提高，升温速度和保温时间可显著减至0.5~1min，较传统热处理保温时间大大减小，奥氏体晶粒长大倾向小，表面无脱碳，生产效率得以提高，表面硬度得到显著提高。

Description

一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管及生产方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械用钢及生产方法，具体地属于一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管及生产方法，特别适用于制造混凝土输送用管及生产方法。

背景技术

未来十几年，随着城镇化的推进，混凝土机械用量将越来越大，混凝土输送管作为消耗品，其需求量将会越来越大。目前不同的工程机械厂家采用不同的混凝土输送管材料，其中以钢铁材料为主，随着混凝土机械的发展，对钢管壁厚，重量，耐磨性和抗疲劳性能提出越来越高的要求。目前普通混凝土钢管输送石料量约1.5~2万方，采用高耐磨管寿命可提高2~4倍。

国内主要的臂架管采用高频直缝电阻焊的方法制管，所用钢材主要有20、45Mn2、50、65Mn等中、高碳合金钢，随着钢中碳含量提高其耐磨性得到显著提高，组织中先共析铁素体量减少，淬透性更好。但随着碳含量提高，材料的延伸率降低、强度升高，冷成型性显著下降，同时焊接性也显著降低。

中国专利CN 102747290A公布了一种经济型耐磨钢管及其制造方法，其专利成分（重量%）为C：0.42~0.60%、Si：0.10~0.35%、Mn：0.60~1.30%、P≤0.010%、S≤0.005%、Cr：0.20~0.70%、Al：0.010~0.080%、Ti：0.005~0.040%、Ca：0.0010~0.0050%、B≤0.0015%、N：0.0030~0.0080%，其余为Fe和不可避免的杂质，属于亚共析钢成分，制管后淬火和回火得到洛氏硬度为HRC60左右的耐磨钢管。该钢淬火前准备组织为铁素体+珠光体组织，有较多的先共析铁素体，导致其淬透性较差，必须采用整体淬火的方法，若采用效率较高的感应淬火，则容易引起开裂。

中国专利CN 103205643A公布了一种高硬度耐磨钢管及其制造方法，其专利成分（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：0.0030~0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质，采用热轧后退火的方法得到较均匀的珠光体组织，但该钢中添加了Cu、Ni等贵金属成本大大增加，同时热轧态组织存在网状先共析铁素体，即使采取长时间球化退火也难以使球状碳化物大小均匀并弥散分布，从而影响钢材成型性及淬透性。

中国专利CN 1388834A公布了一种冷加工性能和高频淬硬性能出色的高碳钢管及其制造方法，其具体制造方法包括：0.3%~0.8%的C、2%以下的Si和3%以下的Mn的原材料钢管进行加热，接着在（A_c1转变点-50℃）～A_c1转变点的温区内对原材料进行累计缩径为30%以上的减径轧制。由此获得渗碳体小于1.0微米的组织并改善了冷加工性能和高频淬硬性能。该专利方法需要对钢管进行减径轧制，对设备的热成型性能要求较高。

本发明通过添加廉价合金元素和配合一定的控制冷却和退火工艺得到同样的渗碳体约1.0微米左右的冷加工性能良好和淬硬性优秀的钢带，从而节省了制管难度和成本。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在化学元素简单条件下，并能保证使用力学性能在经退火后整卷钢带各部位均能形成均匀的球状珠光体组织，屈服强度R_eL≤400MPa，抗拉强度R_m≤600MPa，延伸率不低于28%，弯曲方向r₉₀不低于0.85，管内壁硬度达到HRC：63~67，且采取感应热处理方法对钢管进行调质，升温速度为10~30℃/s，热处理效率大大提高，能耗降低，生产成本能进一步降低的经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其组分及重量百分比含量为：C：0.60~0.72%，Si：0.10~0.30%，Mn：0.50～1.20%，Ca：0.0030~0.0070%，Cr：0.60~0.86%，Als：0.015~0.050%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，其余为Fe和不可避免杂质。

优选地：Si的重量百分比含量为0.12~0.17%。

优选地：Mn的重量百分比含量为0.50~0.57%。

优选地：Ca的重量百分比含量为0.0053~0.007%。

优选地：Cr的重量百分比含量为0.63~0.78%。

优选地：Als的重量百分比含量为0.015~0.026%。

生产一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行缓冷，缓冷时间不低于72个小时；

3）对铸坯加热，加热温度控制在1200~1280℃，在炉时间在300~400min；

4）进行高压水除鳞；

5）进行热轧：控制粗轧结束轧温度在980~1100℃，压下率不低于80%；控制精轧终轧温度在Ac3+50~100℃, 压下率不低于65%；

6)采用前端冷却，冷却速度控制为20~40℃/s；

7）进行卷取，卷取温度为560~720℃；此时金相组织为：珠光体不低于80%，余量为铁素体；

8）空冷至室温后进行罩式退火：其加热温度为Ac1-10~20℃，保温时间不少于8个小时；并随炉缓冷至600℃以下；

9）空冷至室温后制管；

10）进行感应热处理：感应器频率500HZ，功率100~200KW，钢管运行速度18~20m/min；淬火温度830~860℃；在冷却速度为40~60℃/s下水冷至室温；回火温度在560~590℃；空冷至室温。

本发明中各元素及主要工序的作用

碳：含量控制在0.60~0.72wt%范围内。碳是提高硬度、强度和耐磨性的主要元素，钢中的碳在0.62~0.72wt%范围可减少先共析铁素体量，同时提高钢带的淬透性，当钢中碳含量大于0.72wt%，钢中容易析出网状渗碳体，采用热处理手段难以消除，故本发明中碳含量控制范围在0.60~0.72wt%，优选的0.62~0.72wt%。

硅：含量控制在0.10~0.30wt%范围内。硅是炼钢脱氧的必要元素，且以固溶强化形式提高钢的强度；含量太低脱氧效果不佳，含量太高在后续直缝电阻焊时会产生低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，降低焊缝品质；同时硅元素能提高碳在钢中的活度，从而加大钢带表面脱碳倾向，同时硅含量太高会降低韧性。本发明中优选地：Si的含量为0.12~0.17%。

锰：含量控制在0.50~1.20wt%，是提高钢板淬透性和耐磨性的重要元素，扩大奥氏体相区，可适当降低球化退火温度。锰含量较高会造成较严重的中心偏析和降低韧性，锰选择为0.50~1.20wt%，优选的0.50~0.57%。

钙：含量控制在0.003~0.0070，微量的钙使硫化物夹杂球化，提高钢带韧性。同时微量的钙促进C的晶界偏聚，使先共析铁素体在奥氏体晶界较难形核，从而起到抑制先共析铁素体的作用。优选地：Ca的含量为0.0053~0.007%

铝：含量控制在0.015~0.050wt%，是有效的脱氧元素，而且还发挥着通过使钢板的显微组织细化而带来的母材韧性提高效果。铝含量要在0.005%以上，但铝含量过高易于O形成颗粒较大的尖角不规则形状的Al₂O₃，使母材韧性恶化。优选地：Als的含量为0.015~0.026%。

铬：含量控制在：0.60~0.86%，铬能使C曲线右移，铬能加强推迟铁素体，珠光体转变，可部分抑制先共析铁素体。同时铬是碳化物形成元素，增加钢的淬透性，一定量的铬能够抑制中、高碳钢的脱碳。另一方面，铬与碳在钢中形成Cr23C7等合金碳化物，在退火时作为球状珠光体的形核质点，促进珠光体球化。但当铬含量过高时，会增加中高碳钢的冷裂纹敏感性和降低塑韧性，铬选择为0.20~0.45wt%，优选的0.63~0.78%。

本发明中，之所以采用感应热处理工艺，是由于本发明的钢经对热轧态组织的控制，使整个钢卷得到有利于球化退火的准备组织，经退火后整卷钢带各部位均能形成均匀的球状珠光体组织。均匀的球状珠光体具有优良的冷加工性能以及感应热处理性能。采用感应加热具有能流密度大、加热速度快、热效率高、节约能源、成本低等一系列优点。并且采用感应热处理工艺，钢管表面几乎不脱碳，钢管内外受热均匀，钢管内应力分布均匀，调质处理后几乎无变形量。

本发明与现有技术相比，在化学元素简单条件下，保证使用力学性能，并在经退火后整卷钢带各部位均能形成均匀的球状珠光体组织，屈服强度R_eL≤400MPa，抗拉强度R_m≤600MPa，延伸率不低于28%，弯曲方向r90不低于0.85，管内壁硬度达到HRC：63~67，且由于采用在线连续感应热处理，而使钢材从内部加热，升温速度达10~30℃/s（传统升温速度为0.5~2℃/s），每分钟热处理钢管18~20m，升温速度和保温时间可显著减至0.5~1min，较传统热处理保温时间大大减小，奥氏体晶粒长大倾向小，表面无脱碳，降低生产成本提高效率的同时，表面硬度得到显著提高。

附图说明

图1为本发明钢带热轧态金相组织；

图2为本发明钢带退火态金相组织；

图3 为本发明钢管焊缝处金相组织；

图4为本发明感应热处理后钢管内壁金相组织。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行缓冷，缓冷时间不低于72个小时；

3）对铸坯加热，加热温度控制在1200~1280℃，在炉时间在300~400min；

4）进行高压水除鳞；

5）进行热轧：控制粗轧结束轧温度在980~1100℃，压下率不低于80%；控制精轧终轧温度在Ac3+50~100℃, 压下率不低于65%；

6)采用前端冷却，冷却速度控制为20~40℃/s；

7）进行卷取，卷取温度为560~720℃；此时金相组织为：珠光体不低于80%，余量为铁素体；

8）空冷至室温后进行罩式退火：其加热温度为Ac1-10~20℃，保温时间不少于8个小时；并随炉缓冷至600℃以下；

9）空冷至室温后制管；

10）进行感应热处理：感应器频率500HZ，功率100~200KW，钢管运行速度18~20m/min；淬火温度830~860℃；在冷却速度为40~60℃/s下水冷至室温；回火温度在560~590℃；空冷至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的取值列表（wt%）

 

表2     本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表（一）

表2     本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表（二）

需要说明的是表1及表2并非对应关系，仅为举例而已。

表3    本发明各实施例及对比例性能检测情况列表；

按照本申请成分要求，冶炼了10批本发明钢及3例对比钢，化学成分见表1，表2为本发明钢的工艺，表3为发明钢和对比例钢退火态力学性能和感应热处理后钢管表面硬度数据。其中对比例3制管成型后采用传统淬火工艺进行调质热处理。

采用感应热处理时钢管运行速度在18~20m/min，而传统升温速度为0.5~2℃/s；每分钟热处理钢管18~20m，本发明在升温速度和保温时间方面可缩短至0.5~1min，而采用传统热处理工艺每根钢管调质热处理时间至少需2h。

从表3可见，本发明钢具有优良冷成型性，感应淬火后硬度高，而对比例1由于C含量低，Cr含量低，导致感应淬火后硬度达不到要求，耐磨性能下降；对比例2由于C含量高，同时不采取Ca微合金化，热轧后的组织难以球化，退火后得不到球状珠光体，冷成形性能下降，制管时发生开裂。对比例3由于采用传统调质工艺，存在表面脱碳以及热处理时间长导致晶粒粗大，在相同化学成分和前段工艺情况下，表面硬度较低。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (7)

1.一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其组分及重量百分比含量为：C：0.60~0.72%，Si：0.10~0.30%，Mn：0.50～1.20%，Ca：0.0030~0.0070%，Cr：0.60~0.86%，Als：0.015~0.050%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其特征在于：Si的重量百分比含量为0.12~0.17%。

3.如权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其特征在于：Mn的重量百分比含量为0.50~0.57%。

4.如权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其特征在于：Ca的重量百分比含量为0.0053~0.007%。

5.如权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其特征在于：Cr的重量百分比含量为0.63~0.78%。

6.如权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管，其特征在于：Als的重量百分比含量为0.015~0.026%。

7.生产权利要求1所述的一种经济并加工性能优良的高碳耐磨钢管的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯进行缓冷，缓冷时间不低于72个小时；

3）对铸坯加热，加热温度控制在1200~1280℃，在炉时间在300~400min；

4）进行高压水除鳞；

5）进行热轧：控制粗轧结束轧温度在980~1100℃，压下率不低于80%；控制精轧终轧温度在Ac3+50~100℃, 压下率不低于65%；

6)采用前端冷却，冷却速度控制为20~40℃/s；

7）进行卷取，卷取温度为560~720℃；此时金相组织为：珠光体不低于80%，余量为铁素体；

8）空冷至室温后进行罩式退火：其加热温度为Ac1-10~20℃，保温时间不少于8个小时；并随炉缓冷至600℃以下；

9）空冷至室温后制管；

10）进行感应热处理：感应器频率500HZ，功率100~200KW，钢管运行速度18~20m/min；淬火温度830~860℃；在冷却速度为40~60℃/s下水冷至室温；回火温度在560~590℃；空冷至室温。