CN108930001A - 一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢钢及其生产方法，其成分重量百分比为：C：0.18‑0.24％，Si≤0.01，Mn：1.3‑1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.2‑1.0％，Cr：0.3‑1.2％，B：0.001‑0.002％，N≤0.005％；另外，含有Nb：0.01‑0.03％或Ti：0.01‑0.025％中的一种或两种，并满足6.65N＜Nb+Ti≤0.045，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明耐磨蚀钢的成分设计兼顾了耐腐蚀和耐磨损性能，主要用于围海造陆、航道疏浚等领域的疏浚管道制作，其耐磨蚀性能达到目前普通管的2倍，从而大幅度提高了疏浚效率、降低作业成本。

Description

一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及低合金钢制造领域，特别涉及一种浆体疏浚用耐磨蚀钢板及其生产方法。

背景技术

在围海造陆、航道疏浚、岸堤维护等作业中大量泥沙、沙砾等固体颗粒以浆体的形式通过疏浚管道进行长距离输送，管体同时承受浆体介质的电化学腐蚀和固体颗粒的磨损及二者的交互作用，特别是海水浆体中含有风化岩、珊瑚礁、中粗砂时对管体造成的磨蚀更为严重，普通Q235B、Q345B材质管线在苛刻工况条件下的使用寿命较短，甚至不满1年即报废。

耐磨钢如中国专利公开号CN103397272A公开的“具有低裂纹敏感指数和高强度的耐磨钢板及其制备方法”，中国专利公开号CN103103448A公开的“一种低合金高强韧性耐磨钢板”，上述专利涉及钢种及钢种在硬度上达到450HBW级别，主要用于工程机械、矿山设备等领域，具有较好的耐磨损性能。在成分设计上均为C-Mn基础上添加了较高的Mo合金元素，合金成本较高。同时钢中含有较高的耐蚀元素Si，Si促进表面保护性锈层的形成，增加了磨蚀失重，同时上述专利钢种未采取措施控制腐蚀，在腐蚀+磨损的工况条件下无法满足使用要求。

还有如美国专利号US5284529A公开的“abrasion-resistant steel”，该专利涉及钢种含有高达0.05-1.5％的Ti，同时含有0.1-3.0％的Mo，合金成本较高；日本专利号JP2007231321A、JP2008169443A公开的专利“wear resistant steel sheet”和“wear-resistant steel sheet superior in workability and manufacturing methodtherefor”介绍了通过Ti和W的碳化物析出颗粒提高耐磨性能的方法，钢板硬度可达到450HBW以上。但基体中大量的碳化物颗粒在磨蚀环境下充当阴极角色，促进电化学腐蚀的发生，增加了材料的磨蚀失重，所以钢板虽然具有良好的耐磨损性能，但耐磨蚀性能不佳。

中国专利公开号CN101886225A(对比专利2)公开的“一种耐蚀耐磨钢及其制备方法”，该专利涉及钢种洛氏硬度52以上，基体中加入了高达0.4-0.9％C、14-16％Mn，且Mo、Cr含量均在5-10％，此外还含有一定量的Pr、Nd和Gd等稀有元素，属于高合金钢种，成本很高；而2012和2013年中国专利公开号CN102776445A(对比专利1)公开的“一种浆体输送用下贝氏体耐磨钢管及其制造方法”和中国专利公开号CN103436790A(对比专利3)公开的“一种矿浆输送焊管管线用耐磨钢及其制造方法”，这两个专利涉及钢种均为贝氏体或贝氏体+针状铁素体组织，基体硬度不高，抗拉强度仅600-800MPa，主要应用于颗粒细小(几十μm)的矿浆或原油输送，不适用于大颗粒、高密度的海水浆体输送领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢及其生产方法，钢的成分设计兼顾了耐腐蚀和耐磨损性能，主要用于围海造陆、航道疏浚等领域的疏浚管道制作，其耐磨蚀性能达到目前普通管的2倍，从而大幅度提高了疏浚效率、降低作业成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢钢，其成分重量百分比为：C：0.18-0.24％，Si≤0.01，Mn：1.3-1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.2-1.0％，Cr：0.3-1.2％，B：0.001-0.002％，N≤0.005％；另外，含有Nb：0.01-0.03％或Ti：0.01-0.025％中的一种或两种，并满足6.65N＜Nb+Ti≤0.045，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明所述耐磨蚀钢的屈服强度1100MPa以上，抗拉强度超过1300MPa，延伸率≥10％，硬度450±30HBW，-40℃冲击功值超过20J。

在本发明钢的设计中：

C是钢中最廉价的强化元素，适当C的加入在热处理后有利于获得马氏体组织，能够显著提高钢板的强度和硬度，但较多的C对钢板焊接、韧性及塑性不利。在满足性能要求的条件下限定其范围为0.18-0.24％；

Si为脱氧元素，也是固溶强化元素，同时也是耐大气腐蚀钢中常用的耐蚀元素。耐大气腐蚀钢主要依靠表面保护性锈层的形成抑制腐蚀的发生，达到改善耐大气腐蚀的目标。一般用耐候指数I定义耐大气腐蚀钢的耐腐蚀性能，通常要求I≥6.0。其中

I＝26.01*Cu+3.88*Ni+1.49*Si+1.2*Cr+17.28*P-7.29*Cu*Ni-9.1*Ni*P-33.39*Cu*Cu。

从耐候指数的组成可以看出，Si含量较高时促进钢表面保护性锈层的形成，在磨蚀环境下这些锈层迅速从表面脱离，促进了材料的磨蚀失效。所以本发明将Si作为有害元素加以控制，尽量降低Si的添加量，限定其含量在0.01％以下。所以本发明钢种中也不加入Cu和Ni。

Mn也是钢中常见的强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低，同时显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但是Mn含量过多使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化所以控制在1.3-1.6％之间。

P是传统耐大气腐蚀钢中主要的耐蚀元素，促进表面保护性锈层的形成，有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但在磨蚀过程中表面锈层的形成将加速材料的磨蚀失重，降低耐磨蚀性能，同时P的存在易产生偏析，降低钢的韧性及塑性，并使得钢板变脆、影响韧性，所以应尽量降低钢中P的含量，本发明中要求其含量控制在0.015％以下。

S能够提高钢的屈服强度，但S的存在将恶化钢的耐大气腐蚀性能并使得钢板变脆，降低钢的低温韧性，要求控制其含量在0.005以下。

Al通常在炼钢过程中作为脱氧剂在钢中添加，微量的Al同时有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中Al一方面作为脱氧剂添加，此外添加适当Al后，钢的腐蚀电位提高，有利于抑制磨蚀过程中腐蚀的发生，提高耐磨蚀性能。但过高的Al将使钢中铁素体脆性增加而导致钢韧性的降低，所以控制其含量0.2-1.0％。

B具有良好的淬透性，从而提高钢板硬度，但B含量过高对焊接不利，所以分别控制其范围为0.001-0.002％；

Cr具有固溶强化效果，也是对耐候指数I中贡献系数最小的耐蚀元素，同时Cr对基体的电位提高有显著作用。适量Cr的加入能有效提高钢的自腐蚀电位，抑制腐蚀的发生，从而有效降低磨蚀过程中腐蚀对材料失效的促进作用，提高耐磨蚀性能。但Cr为贵重合金元素，所以限定其含量为0.3-1.2％。

Nb是强的氮碳化物形成元素，能够与钢中的碳、氮结合形成NbC、Nb(CN)和NbN等中间相，所形成的微细碳化物颗粒能细化组织，并产生析出强化作用，显著提高钢板的强度，但较多的Nb对焊接不利，可以选择添加，建议不超过0.03％。

选择添加不超过0.025％Ti一方面是抑制板坯再热过程中的奥氏体晶粒长大，同时在再结晶控轧过程中抑制铁素体晶粒长大，提高钢的韧性。含Al钢中同时加入微量Ti可以明显降低腐蚀速率，并且Ti能够优先有钢中的N结合，减少钢中AlN的数量。

钢中Al元素与N结合易形成AIN，从而使钢中的氮化物数量显著增多。AIN作为一种非金属夹杂物独立存在于钢中时，破坏了钢基体的连续性，尤其是AIN数量较多、呈聚集分布时，其危害程度更甚。本发明钢种加入了较多的Al，所以必须控制N含量在0.0050％以下。

采用上述成分设计的钢种具有较高的自腐蚀电位，抑制磨蚀过程中腐蚀的发生，耐腐蚀性能得以提高；同时经恰当的热处理后基体获得高强度的马氏体组织，屈服强度≥1100MPa，抗拉强度≥1300MPa，延伸率≥10％，硬度450±30HB，耐磨损性能优异，加上腐蚀的抑制，钢种具有良好的耐磨蚀性能，适用于大颗粒、高密度的浆体输送领域。

本发明所述的浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢的生产方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按照上述成分冶炼、铸造成坯；

2)板坯再加热

加热温度1200℃以上，保温时间2h以上，其中均热保温时间不小于40min；

3)控制轧制

轧制分为粗轧和精轧两个阶段，铸坯在粗轧阶段采用大压下量轧制，控制道次压下率在18％以上或道次压下量40mm以上，同时要求中间坯与成品的厚度比≥3，并控制精轧最后一道次压下率不低于16％；精轧终轧温度不低于880℃；

4)卷取

卷取温度控制在650-700℃；

5)开卷、矫直、切板

6)热处理，淬火+回火

淬火，加热温度控制在钢种Ac3点以上50℃-80℃，控制淬火加热温度870℃-900℃；保温时间T1从钢板心部到温开始计算，T1＝钢板厚度t×(2.5-3.5)，T1，单位min，t，单位mm；钢板出炉后直接水淬至室温，要求冷速≥50℃/s；

回火，在210-260℃区间进行回火处理，保温时间T2从钢板心部到温开始计时，T2＝钢板厚度t×(2.5-3.5)，T2，单位min，t，单位mm；T2最低不得少于8min；最后对钢板进行精整处理。

在本发明钢的生产方法中：

轧制前将铸坯进行加热保温，加热温度1200℃以上，保温时间2h，其中均热保温时间不小于40min。此外，铸坯可以在浇铸完成后热装入炉，即确认铸坯表面无质量问题后从浇铸区通过辊道直接运到加热炉进行加热保温，从而能够降低能源消耗；如不能热装，则浇铸后的铸坯必须放到保温坑进行缓冷，待温度降低到200℃以下后方可移除保温坑空冷。

轧制分为粗轧和精轧两个阶段。为获得细的原始奥氏体晶粒度，铸坯在粗轧阶段采用大压下量轧制，控制道次压下率在18％以上或道次压下量40mm以上。为获得细的晶粒度及良好的板形，同时要求中间坯与成品的厚度比≥3，并控制精轧最后一道次压下率在不低于16％。

由于本发明涉及钢种在轧后采用离线热处理，对铸坯的轧制温度无特别要求。但为了降低轧制载荷，所以采用尽量高的终轧和卷取温度。从图1的连续转变曲线看，钢种的ɑ→γ转变点约为864℃，所以推荐采用900℃以上的终轧温度，从而保证实现完全奥氏体区轧制，进而实现低的轧制载荷及轧制载荷的稳定，有利于后续获得高质量的板形；钢板较厚时可适当降低终轧温度，但不得低于880℃。卷取温度控制在650-700℃之间，过高则对卷取机不利，较低则卷取载荷增加。

将冷至室温的钢卷经开卷矫直后进行切板，对钢板进行淬火、回火处理。淬火加热温度直接影响后续马氏体组织的粒度，进而影响钢板的韧性。加热温度过高容易使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体组织粗大，韧性恶化；而加热温度偏低则导致奥氏体化不充分，淬火后无法获得完全马氏体组织。保温时间对淬火性能也有类似的规律，时间过长容易使得晶粒粗大，同时增加能耗，提高成本，时间过短则奥氏体化不充分，淬火后硬度、强度达不到要求。本发明中要求加热温度控制在钢种Ac3点以上50℃-80℃(870℃-900℃)，保温时间从钢板心部到温开始计算，为钢板厚度(mm)的2.5-3.5倍(min)。钢板出炉后直接水淬至室温，要求冷速≥50℃/s。

回火处理主要是减缓、消除淬火应力，改善韧性和韧性。较高的回火温度容易使得钢板的强度、硬度降低过多，无法满足设计要求，同时成本增加。所以应对钢板的回火工艺参数加以限定。本发明中对钢板在210-260℃区间进行回火处理，回火保温时间从钢板心部到温开始计时，时间为板厚(mm)的2.5-3.5倍(min)，但最低不得少于8min。最后对淬火、回火的钢板进行精整处理(矫直、切边)，性能合格后出厂放行。

采用本发明工艺可以实现8-20mm厚度高硬度耐磨蚀钢板的生产。

本发明钢板屈服强度在1100MPa以上，抗拉强度超过1300MPa，延伸率≥10％，硬度450±30HBW，同时-40℃冲击功值超过20J。结合钢种的耐腐蚀设计，钢板具有良好的耐磨蚀性能。在大颗粒、高密度的海水浆体输送环境耐磨蚀性能可达到普通Q235B管的2倍以上。

与现有专利相比，本发明钢在成分和性能上与对比专利有显著的差异。在成分上，对比专利1需要添加0.01-1.0％的Mo、Ca和RE，同时还要求N含量0.01-0.1％，通过N实现强度的提高，同时Mn含量的上限达到5％，接近中锰钢的成分；对比专利2中的C、Mn、Cr含量分别高达0.4-0.9％、14-16％和5-10％，并要求添加Pr、Dy、Gd和Nd等多种稀少元素；对比专利3采用较低的C设计，通过V析出强化，同时Al含量维持在较低水平，而本发明钢种通过Cr、Al改善耐腐蚀性能，Al含量明显高于对比专利3。

此外，本发明钢的力学性能要求也与对比钢不同。本发明钢要求屈服强度1100MPa以上，延伸率≥10％。而对比专利1的屈服强度范围则较为宽泛，从300MPa直至2500MPa，虽然可以实现很高的强度，但牺牲了塑性，延伸率无法保证，限制了其冷加工应用范围；对比专利2通过高含量的强化元素虽然可以实现硬度超过50HRC，但同样存在延伸率无法保证的问题；对比专利3的强度明显偏低，仅相当于普通管线钢X70强度级别。

本发明具有如下优点：

从与现有专利的对比可发现，本发明在适当含量C、Mn基础上，采用抑制腐蚀+提高硬度的方式研制了一种硬度达450HBW的浆体输送管用耐磨蚀钢，其高硬度通过C及少量的Nb、Ti微合金元素经恰当的离线热处理工艺实现；在腐蚀控制方面，摒弃了传统耐大气腐蚀钢中通过添加Cu、Si、P等耐蚀元素方式改善耐蚀性能，而是通过Cr、Al等元素的加入提高基体电位，以电位的提高抑制磨蚀过程中腐蚀的发生，从而改善了钢板的耐腐蚀性能。在抑制腐蚀的基础上提高硬度，使得钢种在腐蚀磨损环境下具有良好的耐磨蚀性能，特别是在大颗粒、高密度的海水浆体输送条件下耐磨蚀性能达到普通管的2倍以上。

本发明涉及钢种具有良好的低温冲击韧性和冷弯加工性能，满足后续疏浚管道的制管加工要求，可以在现有设备的基础上实现高硬度钢板的轻松制管。

本发明涉及钢种的生产工艺简单，贵重合金元素含量低，降低了生产难度和生产成本，有利于钢种的大范围推广。

附图说明

图1为本发明钢的CCT曲线(计算)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

按照本发明涉及的耐磨蚀钢板化学成分要求，制备不同厚度规格的钢板。本发明实施例耐磨蚀钢板化学成分见表1，生产工艺参数参见表2.

本发明实施例耐磨蚀钢板生产方法为：

铁水深脱S(保证钢中低的S含量)→转炉顶底复合吹炼(控制C含量)→炉外精炼→连铸(机清)→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取→开卷→矫直→切板→热处理(淬火+回火)→精整→交货。

其中，钢坯加热温度为1200℃，终轧温度900℃，轧后水冷至650℃卷取；钢卷经矫直后切板，对钢板进行淬火、回火处理；加热温度超过钢种Ac3温度点50℃-80℃，回火温度210-260℃。实施例耐磨蚀钢板规格及性能见表3。

表1

编号	C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti	Cr	Nb	B
												A	0.18	0.01	1.60	0.011	0.004	0.28	0.0044	0.015	1.20	0.012	0.0015
B	0.20	0.005	1.31	0.012	0.0045	0.8	0.0031	0.022	0.51	-	0.0017
												C	0.24	0.003	1.33	0.014	0.006	1.12	0.0038	-	0.33	0.028	0.0018
D	0.23	0.004	1.40	0.009	0.003	0.64	0.0033	0.018	0.85	0.0021	0.0014
												E	0.22	0.004	1.55	0.009	0.003	0.56	0.0045	0.022	0.85	0.023	0.0012
F	0.24	0.004	1.50	0.009	0.003	0.48	0.0038	0.012	0.78	0.015	0.0019

表2

表3

从上表可见，本发明涉及的钢板硬度均超过450HBW，拉伸性能也满足设计要求，从而具备优良的耐磨蚀性能。

综上所述，本发明采用简单、经济的C-Mn成分设计，辅以少量的Nb、Ti微合金元素，实现了钢种的高硬度；同时通过Cr、Al等耐蚀性元素提高基体电位，抑制腐蚀的发生，改善了钢板的耐腐蚀性能。从而使得钢种在腐蚀磨损环境下具有良好的耐磨蚀性能，特别是在大颗粒、高密度的海水浆体输送条件下耐磨蚀性能达到普通管的2倍以上。

本发明涉及的耐磨蚀钢板可用于浆体疏浚管的制作，广泛应用于围海造陆、航道疏浚、内河清淤和矿浆输送等领域，取代目前的Q235、Q345级别普通疏浚管线，从而提高生产效率、降低作业成本。

Claims (5)

1.一种浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢钢，其成分重量百分比为：C：0.18-0.24％，Si≤0.01，Mn：1.3-1.6％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.2-1.0％，Cr：0.3-1.2％，B：0.001-0.002％，N≤0.005％；另外，含有Nb：0.01-0.03％或Ti：0.01-0.025％中的一种或两种，并满足6.65N＜Nb+Ti≤0.045，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢，其特征在于，所述耐磨蚀钢的屈服强度1100MPa以上，抗拉强度超过1300MPa，延伸率≥10％，硬度450±30HBW，-40℃冲击功值超过20J。

3.如权利要求1或2所述的浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢的生产方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按照权利要求1所述的成分冶炼、铸造成坯；

2)板坯再加热

加热温度1200℃以上，保温时间2h以上，其中均热保温时间不小于40min；

3)控制轧制

轧制分为粗轧和精轧两个阶段，铸坯在粗轧阶段采用大压下量轧制，控制道次压下率在18％以上或道次压下量40mm以上，同时要求中间坯与成品的厚度比≥3，并控制精轧最后一道次压下率不低于16％；精轧终轧温度不低于880℃；

4)卷取

卷取温度控制在650-700℃；

5)开卷、矫直、切板

6)热处理，淬火+回火

淬火，加热温度控制在钢种Ac3点以上50℃-80℃，控制淬火加热温度870℃-900℃；保温时间T1从钢板心部到温开始计算，T1＝钢板厚度t×(2.5-3.5)，T1，单位min，t，单位mm；钢板出炉后直接水淬至室温，形成完全马氏体组织，要求冷速≥50℃/s；

回火，在210-260℃区间进行回火处理，保温时间T2从钢板心部到温开始计时，T2＝钢板厚度t×(2.5-3.5)，T2，单位min，t，单位mm；T2最低不少于8min；回火后形成回火马氏体组织，钢板的韧性、冷弯性能得到改善；最后对钢板进行精整处理。

4.如权利要求3所述的浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢的生产方法，其特征是，所述耐磨蚀钢板厚度8-20mm。

5.如权利要求3或4所述的浆体疏浚用高硬度耐磨蚀钢的生产方法，其特征是，所述耐磨蚀钢的屈服强度1100MPa以上，抗拉强度超过1300MPa，延伸率≥10％，硬度450±30HBW，-40℃冲击功值超过20J。