CN108842111B - 一种耐海水腐蚀的合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐海水腐蚀的合金钢及其制备方法，各组成成分以重量百分比计，碳含量：0.05％～0.14％，硅含量：0.3％～0.6％，锰含量：0.62％～1.37％，铬含量：0.3％～0.8％，钛含量：0.02％～0.04％，钼含量：0.03％～0.07％，铼：0.05％～0.11％，铜含量：0.08％～0.12％，铝含量：0.08％～0.16％，硫含量：0～0.05％，磷含量：0～0.05％，硼含量：0～0.02％，余量为铁。低碳低合金体系能够有效的保证合金钢的优良力学性能及良好的可焊性，同时大大降低了合金钢的制作成本，同时研究合金铬、钛、钼等合金元素的配比，适当地添加铜、铝、铼等元素，研究和分析合金显微组织和晶体结构，对无镍含钼耐蚀铸钢进行微合金化设计使得合金钢具有优良的耐海水腐蚀的性能。本发明应用于冶金领域。

Description

一种耐海水腐蚀的合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，特别是涉及一种耐海水腐蚀的合金钢及其制备方法。
背景技术
占地球表面积约71％的海洋中蕴藏着丰富的资源，随着世界人口的日益增长和陆地资源不断的消耗，未来人类的生存会越来越依赖于海洋，海洋将成为矿产、能源和食品资源的主要供应基地。为此，海洋开发被列为21世纪的重点目标之一。我国享有主权和管辖权的海域面积接近300万Km2，但海洋石油和天然气等资源的平均探明率分别只有12.3％和10.9％，远远低于世界73.0％和60.5％的平均水平。
随着经济的迅速发展和科学技术水平的提高，我国海洋开发事业有了突飞猛进的发展。由于技术越来越复杂，制造成本越来越高，人们希望海洋装备的使用寿命成倍提高，而耐海水腐蚀材料的开发和应用研究是海洋开发的基础和前提，导致耐海水腐蚀钢材越来越受到人们的重视，用量逐年增加。另外火电厂、核电厂、化工厂和海水淡化工程等项目中也是耐海水腐蚀钢另一个主要应用领域。
由于海洋的特定环境对海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蚀问题；其次是深海下密封壳体结构的强度问题。因此研究高强、轻质、耐海水腐蚀、低成本的材料以及合理的结构设计和选材，已成为海洋工程的关键技术之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种耐海水腐蚀的合金钢，能够更好的耐海水腐蚀性能。
本发明所采用的技术方案是：一种耐海水腐蚀的合金钢，各组成成分以重量百分比计，碳含量：0.05％～0.14％，硅含量：0.3％～0.6％，锰含量：0.62％～1.37％，铬含量：0.3％～0.8％，钛含量：0.02％～0.04％，钼含量：0.03％～0.07％，铼：0.05％～0.11％，铜含量：0.08％～0.12％，铝含量：0.08％～0.16％，硫含量：0～0.05％，磷含量：0～0.05％，硼含量：0～0.02％，余量为铁。
作为上述技术方案的进一步改进，耐海水腐蚀的合金钢的硬度≥ 40HRC、屈服强度≥270MPa、抗拉强度≥600MPa。
作为上述技术方案的进一步改进，耐海水腐蚀的合金钢在海洋服役环境中半年的失重比≤0.04％。
本发明还公开了一种耐海水腐蚀的合金钢的制备方法，其采用的技术方案为：
一种上述耐海水腐蚀的合金钢的制备方法，包括以下步骤：
a.材料准备及熔炼：称取各原料，控制碳含量：0.05％～0.14％，硅含量：0.3％～0.6％，锰含量：0.62％～1.37％，铬含量：0.3％～0.8％，钛含量：0.02％～0.04％，钼含量：0.03％～0.07％，铼：0.05％～ 0.11％，铜含量：0.08％～0.12％，铝含量：0.08％～0.16％，硫含量：0～0.05％，磷含量：0～0.05％，硼含量：0～0.02％，余量为铁，熔炼各原料，控制钢水出炉温度为1500～1600℃；
b.球化孕育材料处理：根据钢水总量确定所需球化剂与孕育剂的总量，并对球化剂与孕育剂进行干燥处理；
c.球化孕育处理：将球化剂、部分孕育剂、覆盖剂依次装入包内，将钢水快速倒入包中，球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂，处理完成后扒渣；
d.浇注 成型：将熔融的钢水浇注到铸型中，冷却得到钢铸锭；
e.切割轧制：将钢铸锭线切割成35mm×40mm×(5.5～6)mm的铸板，对铸板进行轧制，轧制温度为1100～1200℃，保温时间10-15 分钟，轧制道次10～20道次，轧制总变形量约为30％-70％。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤a中，采用中频感应电炉对原料进行熔炼。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤c中，部分孕育剂与覆盖剂之间铺设有铁屑层，铁屑层的铁屑粒度为1～3mm。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤c中，先向包内倒入钢水总量三分之二的钢水，球化反应接近尾声时加入剩余钢水。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括步骤f：固溶淬火：将轧制好的铸板910～950℃保温30～60分钟后水淬。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括步骤g：回火：将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为380～450℃，保温1.5～ 2小时，然后以30～80℃/小时冷却。
本发明的有益效果：低碳低合金体系能够有效的保证合金钢的优良力学性能及良好的可焊性，同时大大降低了合金钢的制作成本，同时研究合金铬、钛、钼等合金元素的配比，适当地添加铜、铝、铼等元素，研究和分析合金显微组织和晶体结构，对无镍含钼耐蚀铸钢进行微合金化设计使得合金钢具有优良的耐海水腐蚀的性能。
具体实施方式
一种耐海水腐蚀的合金钢，各组成成分以重量百分比计，碳含量： 0.05％～0.14％，硅含量：0.3％～0.6％，锰含量：0.62％～1.37％，铬含量：0.3％～0.8％，钛含量：0.02％～0.04％，钼含量：0.03％～0.07％，铼：0.05％～0.11％，铜含量：0.08％～0.12％，铝含量：0.08％～0.16％，硫含量：0～0.05％，磷含量：0～0.05％，硼含量：0～0.02％，余量为铁。
本发明成分设定的原理在于：
碳可提高不锈钢的强度，但又显著降低钢的塑性及韧性，碳与钢中铬结合导致铬贫化而引起晶间腐蚀和耐蚀性下降，所以一般控制碳含量为0.05％～0.14％，既能保持一定的强度，同时兼顾优异的塑性及韧性；
硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，硅与铬、钼结合能提高抗腐蚀性和抗氧化性，但是硅量增加会降低的焊接性能，所以一般控制硅含量为0.3％～0.6％；
铬对钢的不锈性和耐腐蚀性有决定意义，随着铬含量的增加，不仅在氧化性酸介质中耐腐蚀提高，而且大大提高氯化物溶液中耐应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀能力，但铬含量的提高也增加了产品的价格，同时需要提高钼元素的配合，耐腐蚀性才有显著的提高，同时钼能显著促进铬在钝化膜中富集，从而提高了钢的耐腐蚀性，但是钼是比较贵重的合金元素，综合衡量价格及性能等方面，确定材料中铬含量为0.3％～0.8％，钼含量为0.03％～0.07％；
铜可以提高合金钢的强度、低温韧性和耐蚀性，但是铜含量过高的连铸坯在加热或者热轧时易于产生裂纹，而且铜的价格也比较高，所以一般控制铝含量为0.08％～0.12％；
铝会细化晶粒，提高冲击韧性，与铬、硅合用可显著提高钢的耐高温腐蚀能力，但是铝会影响钢的热加工性能、焊接性能及切削加工性能，所以一般控制铝含量为0.08％～0.16％；
硫在钢中的溶解度很低，过多的硫将大量形成低熔点的宫颈非金属夹杂物，沿晶界分布，常常导致钢的热塑性下降、耐点蚀性降低，所以一般控制含量在0.05％以下；
锰有利于提高强度和韧性，而且成本低廉，锰与硫能形成高熔点的硫化锰，减少硫化铁的生成导致热脆，抵消硫对耐腐蚀的有害作用。
磷一般情况下是钢中的有害元素，会增加钢的脆性及耐腐蚀性，希望尽量降低，但是目前冶炼方法中去除磷有相当难度，所以一般控制含量在0.05％以下；
硼可以提高淬透性，促进贝氏体的转变，同时硼优先偏聚在奥氏体晶界能够抑制磷的偏聚，从而抵消磷对低温韧性的不理影响。
低碳低合金体系能够有效的保证合金钢的优良力学性能及良好的可焊性，同时大大降低了合金钢的制作成本，同时研究合金铬、钛、钼等合金元素的配比，适当地添加铜、铝、铼等元素，研究和分析合金显微组织和晶体结构，对无镍含钼耐蚀铸钢进行微合金化设计使得合金钢具有优良的耐海水腐蚀的性能。
钛与铼能够有效的增强合金钢的韧性以及机械性能。
进一步优选的，耐海水腐蚀的合金钢硬度≥40HRC、屈服强度≥ 270MPa、抗拉强度≥600MPa、海洋服役环境中半年的失重比≤0.04％。
本发明还公开了一种耐海水腐蚀的合金钢的制备方法，其采用的技术方案为：
一种上述耐海水腐蚀的合金钢的制备方法，包括以下步骤：
f.材料准备及熔炼：称取各原料，控制碳含量：0.05％～0.14％，硅含量：0.3％～0.6％，锰含量：0.62％～1.37％，铬含量：0.3％～0.8％，钛含量：0.02％～0.04％，钼含量：0.03％～0.07％，铼：0.05％～ 0.11％，铜含量：0.08％～0.12％，铝含量：0.08％～0.16％，硫含量：0～0.05％，磷含量：0～0.05％，硼含量：0～0.02％，余量为铁，熔炼各原料，控制钢水出炉温度为1500～1600℃；
g.球化孕育材料处理：根据钢水总量确定所需球化剂与孕育剂的总量，并对球化剂与孕育剂进行干燥处理；
h.球化孕育处理：将球化剂、部分孕育剂、覆盖剂依次装入包内，将钢水快速倒入包中，球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂，处理完成后扒渣；
i.浇注 成型：将熔融的钢水浇注到铸型中，冷却得到钢铸锭；
j.切割轧制：将钢铸锭线切割成35mm×40mm×(5.5～6)mm的铸板，对铸板进行轧制，轧制温度为1100～1200℃，保温时间10-15 分钟，轧制道次10～20道次，轧制总变形量约为30％-70％。
进一步优选的，步骤a中，采用中频感应电炉对原料进行熔炼。采用中频感应电炉熔炼钢水，中频炉易于调整钢水成分，控制钢水温度，可为合金钢的生产提供优质钢水，基本解决了冲天炉熔炼钢水化学成分不均匀和出炉温度低的问题。
进一步优选的，步骤c中，部分孕育剂与覆盖剂之间铺设有铁屑层，铁屑层的铁屑粒度为1～3mm，铁屑层能够有效的防止钢水在倒入包中时球化剂起爆。
进一步优选的，步骤c中，先向包内倒入钢水总量三分之二的钢水，球化反应接近尾声时加入剩余钢水，分两次向钢水中添加孕育剂，从而提升孕育效果。
进一步优选的，还包括步骤f：固溶淬火：将轧制好的铸板910～ 950℃保温30～60分钟后水淬。
进一步优选的，还包括步骤g：回火：将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为380～450℃，保温1.5～2小时，然后以 30～80℃/小时冷却。
实施例一
按以下化学百分比进行配料：
Figure BDA0001695956740000061
Figure BDA0001695956740000071
熔炼设备为中频感应电炉，钢水出炉温度为：1500℃；将部分钢水倒入放有球化剂、部分孕育剂、铁屑层、覆盖剂的包内，其中部分钢水的含量为钢水总量的一半，球化剂采用QRMg8RE3 (JB/T9228-1999)，部分孕育剂的含量为孕育剂总量的三分之二，铁屑层的铁屑粒度为1mm；球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂及余下钢水；球化处理后钢水温度为：1400℃。浇注 成型后切割成铸板后进行轧制，轧制温度为1100℃，保温时间10分钟，轧制道次10道次，轧制总变形量约为30％。随后将轧制好的铸板910℃保温30分钟后水淬；将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为380℃，保温1.5小时，然后以30℃/小时冷却。最终所得合金钢硬度为45HRC、屈服强度为293MPa、抗拉强度为614MPa、海洋服役环境中半年的失重比为0.031％。
实施例二
按以下化学百分比进行配料：
元素 碳 硅 锰 铬 钛 钼 铼
含量％ 0.1 0.45 0.1 0.55 0.03 0.05 0.08
元素 铜 铝 硫 磷 硼 铁
含量％ 0.1 0.12 0.02 0.02 0.01 余量
熔炼设备为中频感应电炉，钢水出炉温度为：1550℃；将部分钢水倒入放有球化剂、部分孕育剂、铁屑层、覆盖剂的包内，其中部分钢水的含量为钢水总量的一半，球化剂采用QRMg8RE3 (JB/T9228-1999)，部分孕育剂的含量为孕育剂总量的三分之二，铁屑层的铁屑粒度为2mm；球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂及余下钢水；球化处理后钢水温度为：1450℃。浇注 成型后切割成铸板后进行轧制，轧制温度为1150℃，保温时间12分钟，轧制道次15道次，轧制总变形量约为50％。随后将轧制好的铸板930℃保温45分钟后水淬；将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为410℃，保温1.8小时，然后以55℃/小时冷却。最终所得合金钢硬度为51HRC、屈服强度为302MPa、抗拉强度为627MPa、海洋服役环境中半年的失重比为0.028％。
实施例三
按以下化学百分比进行配料：
元素 碳 硅 锰 铬 钛 钼 铼
含量％ 0.14 0.6 1.37 0.8 0.04 0.07 0.11
元素 铜 铝 硫 磷 硼 铁
含量％ 0.12 0.16 0.05 0.05 0.02 余量
熔炼设备为中频感应电炉，钢水出炉温度为：1600℃；将部分钢水倒入放有球化剂、部分孕育剂、铁屑层、覆盖剂的包内，其中部分钢水的含量为钢水总量的一半，球化剂采用QRMg8RE3 (JB/T9228-1999)，部分孕育剂的含量为孕育剂总量的三分之二，铁屑层的铁屑粒度为3mm；球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂及余下钢水；球化处理后钢水温度为：1500℃。浇注 成型后切割成铸板后进行轧制，轧制温度为1200℃，保温时间15分钟，轧制道次20道次，轧制总变形量约为70％。随后将轧制好的铸板950℃保温45分钟后水淬；将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为450℃，保温2小时，然后以80℃/小时冷却。最终所得合金钢硬度为42HRC、屈服强度为279MPa、抗拉强度为603MPa、海洋服役环境中半年的失重比为0.036％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：各组成成分以重量百分比计，碳含量：0.05%～0.14%，硅含量：0.3%～0.6%，锰含量：0.62%～1.37%，铬含量：0.3%～0.8%，钛含量：0.02%～0.04%，钼含量：0.03%～0.07%，铼：0.05%～0.11%，铜含量：0.08%～0.12%，铝含量：0.08%～0.16%，硫含量：0～0.05%，磷含量：0～0.05%，硼含量：0～0.02%，余量为铁；
所述耐海水腐蚀的合金钢的制备方法，包括以下步骤：
a.材料准备及熔炼：称取各原料，控制碳含量：0.05%～0.14%，硅含量：0.3%～0.6%，锰含量：0.62%～1.37%，铬含量：0.3%～0.8%，钛含量：0.02%～0.04%，钼含量：0.03%～0.07%，铼：0.05%～0.11%，铜含量：0.08%～0.12%，铝含量：0.08%～0.16%，硫含量：0～0.05%，磷含量：0～0.05%，硼含量：0～0.02%，余量为铁，熔炼各原料，控制钢水出炉温度为1500～1600℃；
b.球化孕育材料处理：根据钢水总量确定所需球化剂与孕育剂的总量，并对球化剂与孕育剂进行干燥处理；
c.球化孕育处理：将球化剂、部分孕育剂、覆盖剂依次装入包内，将钢水快速倒入包中，球化反应接近尾声时加入余下的孕育剂，处理完成后扒渣；
d.浇注成型：将熔融的钢水浇注到铸型中，冷却得到钢铸锭；
e.切割轧制：将钢铸锭线切割成35mm×40mm×（5.5～6）mm的铸板，对铸板进行轧制，轧制温度为1100～1200℃，保温时间10-15分钟，轧制道次10～20道次，轧制总变形量为30%-70%。
2.根据权利要求1所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：硬度≥40HRC、屈服强度≥270MPa、抗拉强度≥600MPa。
3.根据权利要求1所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：海洋服役环境中半年的失重比≤0.04%。
4.根据权利要求1所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：步骤a中，采用中频感应电炉对原料进行熔炼。
5.根据权利要求1所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：步骤c中，部分孕育剂与覆盖剂之间铺设有铁屑层，铁屑层的铁屑粒度为1～3mm。
6.根据权利要求1所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：步骤c中，先向包内倒入钢水总量三分之二的钢水，球化反应接近尾声时加入剩余钢水。
7.根据权利要求1至6任一项所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：还包括步骤f：固溶淬火：将轧制好的铸板910～950℃保温30～60分钟后水淬。
8.根据权利要求7所述耐海水腐蚀的合金钢，其特征在于：还包括步骤g：回火：将固溶淬火后的铸板在热处理炉中回火，回火温度为380～450℃，保温1.5～2小时，然后以30～80℃/小时冷却。
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