CN110205541B - 一种x65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法 - Google Patents

一种x65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于管线钢材料领域，特别是一种X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法。按重量百分比计，该钢的化学成分如下：C：0.02～0.035％；Si≤0.2％；Mn≤0.1％；Cu：1.0～2.0％；Mo：0.10～0.20％；Nb：0.04～0.045％；Ti：0.01～0.02％；S≤0.0015％；P≤0.0050％；余量为Fe。该管线钢通过热轧后缓慢冷却的制备方法，使钢中固溶的Cu发生自然时效析出，达到较好强韧性及耐微生物腐蚀性能的同时，还可实现降本增效的目的，获得低成本、适用于工业化大规模生产的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，以使材料满足不断发展的综合性能指标的更高要求。

Description

一种X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法
技术领域
本发明属于管线钢材料领域，特别是一种X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢及其制备方法。
背景技术
含铜(Cu)耐微生物腐蚀管线钢是针对微生物腐蚀导致的管线失效问题发展的一类钢铁新材料，其利用钢中持续溶出的微量Cu离子，而表现出强烈、广谱和持久的耐微生物腐蚀功能。这种含Cu管线钢随着Cu含量的增加，其耐微生物腐蚀性能增强，然而，伴随高含量Cu的加入，管线钢的冲击韧性将会降低，导致强韧性及耐微生物腐蚀性能匹配不佳，这给含Cu耐微生物腐蚀管线钢的综合性能提升带来挑战。如：中国发明专利(申请公布号：CN106337104 A)公开一种具有耐微生物腐蚀性能的管线钢，其最高冲击韧性仅有114J；中国发明专利(申请公布号：CN 106636958 A)公开一种含Cu管线钢及其强化热处理工艺，其最高冲击韧性为128J；中国发明专利(申请公布号：CN 108342651 A)公开的一种耐微生物腐蚀管线钢钢板及其制备方法虽然获得较高的冲击韧性，但其实施例中Cu含量较低(<1.0％，重量百分比)，很难获得优异的耐微生物腐蚀性能。这些含Cu管线钢的强韧性能均不能满足管线服役所要求的高强韧性指标。
不仅如此，新型含Cu管线钢若获得工程实际应用，同时应具有科学合理和适用于大规模工业化的生产制备工艺。对于上述中国发明专利所公开的含Cu耐微生物腐蚀管线钢，为了达到较好的耐微生物腐蚀性能，需要在轧制相变结束后进行额外的时效热处理工艺，使管线钢的基体中析出足量的纳米尺寸富Cu抗菌相，以达到优异的耐微生物腐蚀性能。这使得含Cu耐微生物腐蚀管线钢在工业化生产中增加生产工序，降低生产效率，而且生产成本提高。因此，建立经济型的适用于大规模工业化生产的Cu析出方法对于含Cu耐微生物腐蚀管线钢的应用同样具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种X65级高强韧性，并且具有优异耐微生物腐蚀性能的含Cu管线钢；同时，提供一种适用于含Cu耐微生物腐蚀管线钢工业化大规模生产的制备方法。采用含Cu管线钢在热轧后缓慢冷却的方法，使钢中固溶的Cu发生自然时效析出，在达到较好强韧性及耐微生物腐蚀性能的同时，实现降本增效的目的。
本发明的技术方案是：
一种X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，按重量百分比计，该管线钢的化学成分如下：
C：0.015～0.040％；Si≤0.2％；Mn≤0.1％；Cu：0.5～3.0％；Mo：0.10～0.30％；Nb：0.04～0.06％；Ti：0.01～0.03％；S≤0.0030％；P≤0.0050％；余量为Fe。
优选的，该钢的化学成分如下：
C：0.020～0.035％；Si≤0.2％；Mn≤0.1％；Cu：1.0～2.0％；Mo：0.10～0.20％；Nb：0.04～0.05％；Ti：0.01～0.02％；S≤0.0015％；P≤0.0050％；余量为Fe。
所述管线钢的微观组织为铁素体和珠光体。
所述管线钢的屈服强度>500MPa，抗拉强度>580MPa，延伸率>15.0％，冲击韧性>180J。
优选的，管线钢的屈服强度>540MPa，抗拉强度>600MPa，延伸率>19.0％，冲击韧性>270J。
上述X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，在传统的热机械控制轧制中，管线钢热轧累积压下量>80％；粗轧开轧温度1000～1200℃，粗轧终轧温度900～1100℃；精轧开轧温度750～950℃，精轧终轧温度700～900℃，终轧后的管线钢进行缓慢冷却，冷速控制在大于0至10℃/s，冷却结束温度为室温。
本发明所述的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢的制备方法，管线钢生产过程不需额外的时效热处理。
本发明的设计思想是：
在商用X65管线钢的基础上，通过设计与优化成分，调整C和Mn含量，加入适量的Cu，同时利用一定的控制轧制和轧后缓冷工艺，获得纳米尺寸富Cu相均匀分布在基体中的铁素体-珠光体组织。
通过添加适量的Cu，并在管线钢生产过程中利用控制轧制及轧后缓冷工艺，在钢的基体中弥散析出纳米尺寸富Cu相，以保证管线钢的耐微生物腐蚀性能。
该管线钢微观组织为铁素体-珠光体组织，该组织具有良好的强度与韧性匹配。
本发明中元素含量说明如下：
本发明中C含量为0.015～0.040％，这可以保证管线钢在高Cu含量下管线钢的高韧性和良好的焊接性及成形性。
本发明中通过加入适量的微合金元素Nb、Ti，从而在基体中析出细小弥散的碳氮化物，起到细化晶粒，进一步提高强韧性的作用。然而随着含量的增加，对管线钢的性能改善效果并不明显。因此，本发明中Nb、Ti的含量分别控制在0.04～0.06％、0.01～0.03％。
本发明中Mo可以提高NbC在奥氏体中的固溶度，降低NbC的析出温度，使更多的NbC在低温铁素体中析出，从而提高NbC的沉淀强化效果。同时，Mo还能降低管线钢的韧脆转变温度。因此，本发明中Mo的含量控制在0.10～0.30％。
本发明中Cu元素是关键性合金化元素，是保证该管线钢具有耐微生物腐蚀性能的必要条件，其含量为0.5～3.0％，一方面保证管线钢具有耐微生物腐蚀作用；另一方面，Cu在钢中可以在控制轧制后的缓冷过程中均匀弥散析出纳米级的富Cu相，从而起到沉淀强化的作用，但Cu含量较低时，基体中析出的富Cu相较少，钢的耐微生物腐蚀性能不佳，而当Cu含量过高会降低钢的冲击韧性及热加工性能。因此，本发明中Cu的优选含量为1.0～2.0％。
S、P分别为钢中的主要夹杂物形成元素和有害元素。S对钢的冲击韧度的裂纹形成和扩展有着极为不利的影响；P使钢的韧脆转变温度急剧升高，增大钢的冷脆性。故本发明钢中，S、P控制极为严格，优选控制S≤0.0015％，P≤0.0050％。
本发明的优点及有益成果是：
利用本发明化学成分和制备方法获得的含Cu耐微生物腐蚀管线钢可以最大程度的发挥耐微生物腐蚀功能，同时具有高强度、高韧性，且不需在轧制相变结束后进行额外的Cu析出热处理，在达到较好耐微生物腐蚀性能的同时，还可实现含铜耐微生物腐蚀管线钢工业化生产的降本增效目的。
附图说明
图1为实施例2中发生硫酸盐还原菌腐蚀后的点蚀形貌。
图2为对比例1中发生硫酸盐还原菌腐蚀后的点蚀形貌。
图3为实施例2管线钢金相组织示意图。
具体实施方式
下面，将通过不同实施例和对比例的比较来描述本发明，这些实施例仅用于解释目的，本发明并不局限于这些实施例中。
表1为实施例和对比例所用管线钢的化学成分。各实施例钢按照表2参数经过热机械轧制控制和轧后缓冷制成钢板，对比例钢的轧制及冷却按照传统管线钢生产工艺进行。表3列出各实施例和对比例钢的力学性能。
表1实施例和对比例管线钢的化学成分，(重量百分含量％，Fe余量)
编号 C Mn Si Cu Nb Ti Mo Ni V Al Cr S P
实施例1 0.036 0.02 0.18 0.80 0.046 0.012 0.10 -- -- -- -- 0.0010 0.0022
实施例2 0.022 0.07 0.07 1.34 0.045 0.017 0.10 -- -- -- -- 0.0015 0.0050
实施例3 0.030 -- 0.10 1.50 0.040 0.012 0.10 -- -- -- --- 0.0030 0.0040
实施例4 0.025 0.01 0.09 1.72 0.042 0.015 0.11 -- -- -- -- 0.0018 0.0041
实施例5 0.033 0.04 0.14 2.00 0.040 0.010 0.10 -- -- -- -- 0.0020 0.0032
实施例6 0.027 -- 0.111 2.50 0.041 0.012 0.12 -- -- -- -- 0.0014 0.0020
实施例7 0.025 0.04 0.03 3.00 0.040 0.010 0.10 -- -- -- -- 0.0010 0.0044
对比例1 0.060 1.64 0.21 0.01 0.04 0.013 0.10 0.009 0.0061 0.028 0.023 0.0010 0.0100
对比例2 0.048 1.57 0.18 0.02 0.04 0.010 0.21 -- 0.005 0.052 0.087 0.0010 0.0060
对比例3 0.053 1.60 0.34 -- 0.04 0.013 0.17 0.003 0.003 0.044 0.052 0.0010 0.0071
表2热机械控制轧制参数和控制冷却参数
Figure BDA0002067487310000041
Figure BDA0002067487310000051
表3实施例和对比例力学性能测试结果
Figure BDA0002067487310000052
将实施例和对比例管线钢浸入含有从土壤中分离出来的硫酸盐还原菌的土壤浸出液中，进行全浸实验以评估其耐微生物腐蚀性能。微生物腐蚀导致的点蚀是目前世界上公认的微生物腐蚀对材料的最大危害，而点蚀深度被认为是定量评价材料耐微生物腐蚀性能的重要指标，因此通过激光共聚焦显微镜检测浸泡65天后样品表面由硫酸盐还原菌腐蚀导致的最大点蚀深度，测试结果见表4。
表4实施例和对比例管线钢浸泡65天后的最大点蚀深度
Figure BDA0002067487310000053
浸泡65天后，实施例2和对比例1管线钢的腐蚀形貌分别见图1和图2。本发明的管线钢在含有硫酸盐还原菌的土壤浸出液中浸泡65天后，出现浅而少的点蚀坑；而现有商用管线钢出现密而深的点蚀坑。可见，本发明的管线钢表现出优异的耐硫酸盐还原菌腐蚀性能。
如图3所示的实施例2管线钢金相组织，可以看出，经过热机械控制轧制及轧后缓慢冷却后，获得铁素体-珠光体微观组织。在钢的基体中弥散析出纳米尺寸富Cu相，可以保证管线钢的耐微生物腐蚀性能。
实施例结果表明，本发明管线钢通过热轧后缓慢冷却的制备方法，使钢中固溶的Cu发生自然时效析出，达到较好强韧性及耐微生物腐蚀性能的同时，还可实现降本增效的目的，获得低成本、适用于工业化大规模生产的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，以使材料满足不断发展的综合性能指标的更高要求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，按重量百分比计，该管线钢的化学成分如下：
C：0.020~0.035%；Si≤0.2%；Mn≤0.1%；Cu：1.72~2.0%；Mo：0.10~0.20%；Nb：0.04~0.05%；Ti：0.01~0.02%；S≤0.0015%；P≤0.0050%；余量为Fe；
在传统的热机械控制轧制中，管线钢热轧累积压下量>80%；粗轧开轧温度1000~1200℃，粗轧终轧温度900~1100℃，精轧开轧温度750~950℃，精轧终轧温度700~900℃，终轧后的含铜耐微生物腐蚀管线钢进行缓慢冷却，在钢的基体中弥散析出纳米尺寸富Cu相，以保证管线钢的耐微生物腐蚀性能；
缓慢冷却冷速控制在大于0至10℃/s，冷却结束温度为室温。
2.按照权利要求1所述的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，管线钢微观组织为铁素体和珠光体。
3.按照权利要求1所述的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，管线钢屈服强度>500MPa，抗拉强度>580MPa，延伸率>15.0%，冲击韧性>180J。
4.按照权利要求1所述的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，管线钢屈服强度>540MPa，抗拉强度>600MPa，延伸率>19.0%，冲击韧性>270J。
5.按照权利要求1所述的X65级高强韧耐微生物腐蚀管线钢，其特征在于，含Cu耐微生物腐蚀管线钢生产过程不需额外的时效热处理。
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