CN115305469A - 一种焊接接头处激光熔覆用合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金钢制备技术领域，本发明公开了一种焊接接头处激光熔覆用合金钢及其制备方法。本发明提供了所述焊接接头处激光熔覆用合金钢，通过加入低含量的锰解决了合金中锰含量升高会降低材料的强度，同时通过纳米晶与低含量的锰的协同作用解决了锰含量降低不利于晶粒细化的问题，进一步提高了合金钢的强度；且本发明所得合金钢为Fe基纳米晶材料有效避免了腐蚀介质从晶界、成分偏析等组织薄弱点造成的晶界腐蚀、电偶腐蚀，具有优异的耐腐蚀性能。本发明还提供了所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，制备工艺简单，无需采用大型设备，适于大范围的推广应用。

Description

一种焊接接头处激光熔覆用合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢制备技术领域，尤其涉及一种焊接接头处激光熔覆用合金钢及其制备方法。
背景技术
现有的高强度X80管线钢焊接连接，焊接方法主要采用焊条电弧焊、药芯焊丝半自动焊和熔化极气体保护自动焊等，设计寿命30年。目前有些管道投入使用约10年，局部管道焊接接头已经出现失效现象，产生服役寿命远低于设计要求的问题。解决焊接接头失效的现行方法是采用B型套筒包裹失效焊接接头，利用电弧焊将套筒焊接到管道外表面形成新的焊接接头。但是由于焊接方法和焊接接头材质未得到改进，仍无法从本质上解决焊接接头过早失效问题。
现有的对输气管道焊接接头使役行为的研究表明，焊接接头微观结构与组织成分，及其在土壤环境下的耐腐蚀性能是影响服役寿命的主要因素。尤其西部土壤环境下，焊接接头经受酸性、碱性、周期性盐碱化等复杂土壤腐蚀，至此以后焊接接头失效将更加频繁，给管道系统和沿途用户带来极大安全隐患。因此，发展一种耐腐蚀长寿命的焊接接头用钢材成为本领域亟需。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种焊接接头处激光熔覆用合金钢及其制备方法，以克服现有的解决输气管道焊接接头失效的方法会形成新的焊接接头，无法从根源上解决焊接接头过早失效的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种焊接接头处激光熔覆用合金钢，所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
本发明还提供了所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳、锰、铌、硅进行第一次熔炼，之后加入铁、钴、锆、硼、铜进行第二次熔炼，得到钢水；
(2)将钢水依次经过浇注、锻造，得到合金钢坯料；
(3)将合金钢坯料顺次进行正火处理、淬火处理和回火处理，得到合金钢。
作为优选，所述步骤(1)中，第一次熔炼的温度为500～600℃，第一次熔炼的时间为5～10min；第二次熔炼的温度为800～900℃，第二次熔炼的时间为10～15min。
作为优选，所述步骤(1)中，得到钢水前，对第二次熔炼所得产物进行升温出炉处理，升温出炉处理的具体步骤为：将第二次熔炼所得产物以50～60℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，之后出炉得到钢水。
作为优选，所述步骤(2)中，浇注的温度为150～200℃；浇注前，将钢水在室温下静置冷却5～10min。
作为优选，所述步骤(2)中，锻造前，将浇注所得产物在常温下冷凝至低于60℃；锻造的初锻温度为920～1000℃，锻造的终锻温度为800～900℃；得到合金钢坯料前，对锻造所得产物冷却至室温，冷却的速率为10～15℃/min。
作为优选，所述步骤(3)中，正火处理的温度为800～900℃，正火处理的升温速率为30～40℃/min，正火处理的保温时间为2～3h；淬火处理的温度为600～700℃，淬火处理的保温时间为1～2h。
作为优选，所述步骤(3)中，当淬火处理结束后，对淬火处理所得产物进行油冷。
作为优选，所述步骤(3)中，回火处理的温度为500～600℃，回火处理的升温速率为20～25℃/min，回火处理的时间为2～2.5h。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
(1)本发明将铁、钴、锆、硼、铜在高温下形成纳米晶，相比于现有的输气管道所用X80钢，本发明进一步细化了晶粒，提高了所得合金钢的强度。本发明通过加入低含量的锰解决了合金中锰含量升高会降低材料的强度，同时通过纳米晶与低含量的锰的协同作用解决了锰含量降低不利于晶粒细化的问题，进一步提高了合金钢的强度；
(2)本发明所得合金钢中的碳化物晶粒细小，具有较低的硬度，满足了焊接接头处激光熔覆用合金钢高强度与低硬度之间的矛盾，提高了焊接接头处激光熔覆用合金钢的耐用性和可加工性；
(3)本发明所得合金钢为Fe基纳米晶材料因其物相组织无明显晶界，微观结构和化学成分均匀分布，有效避免了腐蚀介质从晶界、成分偏析等组织薄弱点造成的晶界腐蚀、电偶腐蚀，具有优异的耐腐蚀性能；
(4)本发明所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备工艺简单，无需采用大型设备，适于大范围的推广应用。
具体实施方式
本发明提供了一种焊接接头处激光熔覆用合金钢，所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
在本发明中，所述合金钢优选为包括如下质量份数的组分：碳1.2～1.8份、铁125～145份、锰3.5～5份、钴2.5～3.5份、铜6～7份、铌1.3～1.4份、硅0.9～0.95份、硼1.8～2.4份、锆0.6～0.7份，进一步优选为包括如下质量份数的组分：碳1.3～1.5份、铁130～140份、锰4～4.5份、钴2.8～3.2份、铜6.5份、铌1.32～1.38份、硅0.9～0.95份、硼1.8～2.4份、锆0.6～0.7份。
本发明还提供了所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳、锰、铌、硅进行第一次熔炼，之后加入铁、钴、锆、硼、铜进行第二次熔炼，得到钢水；
(2)将钢水依次经过浇注、锻造，得到合金钢坯料；
(3)将合金钢坯料顺次进行正火处理、淬火处理和回火处理，得到合金钢。
在本发明中，所述步骤(1)中，第一次熔炼的温度优选为500～600℃，进一步优选为520～580℃；第一次熔炼的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min；第二次熔炼的温度优选为800～900℃，进一步优选为850～880℃；第二次熔炼的时间优选为10～15min，进一步优选为11～14min。
在本发明中，所述步骤(1)中，得到钢水前，对第二次熔炼所得产物进行升温出炉处理，升温出炉处理的具体步骤为：将第二次熔炼所得产物以50～60℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，之后出炉得到钢水；
所述升温速率优选为51～57℃/min，进一步优选为52～55℃/min，所述出炉的温度优选为1430～1470℃，进一步优选为1450～1460℃。
在本发明中，所述步骤(2)中，浇注在模具中进行，浇注的温度优选为150～200℃，进一步优选为160～180℃；浇注前，优选为将钢水在室温下静置冷却5～10min，进一步优选为将钢水在室温下静置冷却6～8min。
在本发明中，所述步骤(2)中，锻造前，优选为将浇注所得产物在常温下冷凝至低于60℃，进一步优选为将浇注所得产物在常温下冷凝至低于55℃；锻造的初锻温度优选为920～1000℃，进一步优选为950～980℃；锻造的终锻温度优选为800～900℃，进一步优选为820～880℃；
所述锻造过程中采用压力机进行锻打，当温度为900～1000℃时，进行重锻打，压力机的压力优选为18～20MPa，进一步优选为19～19.5MPa；当温度＜900℃且≥800℃时，进行轻锻打，压力机的压力优选为10～15MPa，进一步优选为11～14MPa。
在本发明中，所述步骤(2)中，得到合金钢坯料前，对锻造所得产物冷却至室温，冷却的速率优选为10～15℃/min，进一步优选为11～14℃/min；
所述冷却的方式为炉冷。
在本发明中，所述步骤(3)中，正火处理的温度优选为800～900℃，进一步优选为850～880℃；正火处理的升温速率优选为30～40℃/min，进一步优选为32～35℃/min；正火处理的保温时间优选为2～3h，进一步优选为140～150min。
在本发明中，所述步骤(3)中，淬火处理前，优选为将正火处理所得产物在常温下静置50～90min，进一步优选为将正火处理所得产物在常温下静置60～80min；淬火处理的温度优选为600～700℃，进一步优选为650～690℃；淬火处理的保温时间优选为1～2h，进一步优选为70～100min。
在本发明中，所述步骤(3)中，当淬火处理结束后，对淬火处理所得产物进行油冷；所述油冷后所得产物的温度优选为20～50℃，进一步优选为25～30℃。
在本发明中，所述步骤(3)中，回火处理的温度优选为500～600℃，进一步优选为510～580℃；回火处理的升温速率优选为20～25℃/min，进一步优选为21～24℃/min；回火处理的时间优选为2～2.5h，进一步优选为130～140min。
在本发明中，所述步骤(3)中，得到合金钢前，对回火处理所得产物在室温下降温至20～30℃。
在本发明中，所述步骤(3)中，所述合金钢为线材；
所述线材获得的具体步骤为：得到合金钢后，对合金钢进行拉丝加工得到合金钢线材。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1份、铁120份、锰3份、钴2份、铜5份、铌1.2份、硅0.8份、硼1.5份、锆0.5份；
制备方法如下：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在500℃下进行5min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至800℃进行10min的第二次熔炼，然后将炉温以50℃/min的速率升至1400℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却5min，后以150℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至60℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至920℃，在压力机的压力为18MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到890℃时，在压力机的压力为10MPa的条件性进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到800℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为10℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以30℃/min的升温速率升温至800℃进行2h的正火处理，之后在常温下降温50min；然后再放入箱式炉中升温至600℃进行1h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为20℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以20℃/min的升温速率升温至500℃进行2h的回火处理，后空冷至室温，最后进行拉丝加工得到合金钢线材。
实施例2
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1.1份、铁125份、锰3份、钴3份、铜6份、铌1.2份、硅0.9份、硼1.5份、锆0.6份；
制备方法如下：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在510℃下进行7min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至820℃进行12min的第二次熔炼，然后将炉温以50℃/min的速率升至1450℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却5min，后以160℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至58℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至950℃，在压力机的压力为19MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到880℃时，在压力机的压力为11MPa的条件性进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到820℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为11℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以32℃/min的升温速率升温至820℃进行2h的正火处理，之后在常温下降温60min；然后再放入箱式炉中升温至610℃进行1.5h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为25℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以21℃/min的升温速率升温至510℃进行2h的回火处理，后空冷至室温，最后进行拉丝加工得到合金钢线材。
实施例3
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1.3份、铁130份、锰4份、钴3份、铜7份、铌1.4份、硅1份、硼2份、锆0.7份；
制备方法如下：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在520℃下进行8min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至850℃进行13min的第二次熔炼，然后将炉温以52℃/min的速率升至1460℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却6min，后以180℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至55℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至970℃，在压力机的压力为20MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到860℃时，在压力机的压力为13MPa的条件性进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到820℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为14℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以34℃/min的升温速率升温至850℃进行3h的正火处理，之后在常温下降温70min；然后再放入箱式炉中升温至650℃进行1.5h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为35℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以23℃/min的升温速率升温至550℃进行2h的回火处理，后空冷至室温，最后进行拉丝加工得到合金钢线材。
实施例4
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1.2份、铁135份、锰5份、钴4份、铜8份、铌1.5份、硅1份、硼2.5份、锆0.8份；
制备方法如下：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在570℃下进行8min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至880℃进行14min的第二次熔炼，然后将炉温以55℃/min的速率升至1500℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却8min，后以180℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至55℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至980℃，在压力机的压力为20MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到850℃时，在压力机的压力为14MPa的条件性进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到800℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为15℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以35℃/min的升温速率升温至880℃进行3h的正火处理，之后在常温下降温80min；然后再放入箱式炉中升温至680℃进行2h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为30℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以24℃/min的升温速率升温至570℃进行2.5h的回火处理，后空冷至室温，最后进行拉丝加工得到合金钢线材。
实施例5
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1.5份、铁140份、锰6份、钴4份、铜8份、铌1.5份、硅1份、硼2.5份、锆0.8份；
制备方法如下：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在590℃下进行10min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至900℃进行15min的第二次熔炼，然后将炉温以60℃/min的速率升至1500℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却10min，后以180℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至55℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至1000℃，在压力机的压力为20MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到900℃时，在压力机的压力为14MPa的条件性进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到820℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为15℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以40℃/min的升温速率升温至880℃进行3h的正火处理，之后在常温下降温90min；然后再放入箱式炉中升温至690℃进行2h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为40℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以25℃/min的升温速率升温至600℃进行2.5h的回火处理，后空冷至室温，最后进行拉丝加工得到合金钢线材。
1、对实施例1～5所得合金钢线材进行力学性能测试，所得测试结果如表1所示。
表1实施例1～5所得合金钢线材的力学性能测试结果
合金钢 屈服强度(MPa) 硬度HV
实施例1 750 280
实施例2 780 300
实施例3 760 283
实施例4 800 294
实施例5 785 310
2、对实施例1～5所得合金钢线材进行耐腐蚀性能测试，所得测试结果如表2和3所示。
试样准备：将同样的12块X80钢样片两两组合进行焊接处理得到6块X80钢样片，然后利用激光熔覆将实施例1～5所得合金钢线材分别熔覆于5块X80钢样片表面，记为样片1、样片2、样片3、样片4和样片5；然后将第6块X80钢样片记为对比样片。测试对比样片和样片1～5的质量记为m。
(1)盐雾测试：
测试方法：将对比样片和样片1～5进行盐雾试验，后取出再次测试对比样片和样片1～5的质量记为m1。所得结果如表2所示。
表2对比样片和样片1～5盐雾测试前后质量的对比结果
样片 m(g) m<sub>1</sub>(g) m-m<sub>1</sub>(g)
样片1 515 510 5
样片2 530 528 2
样片3 513 513 0
样片4 556 554 2
样片5 548 544 4
对比样片 452 400 52
(2)土壤提取液测试：
土壤提取液的制备：采集西气东输塔里木段的土壤经风干，过1～2mm筛网，将筛网下的土壤用无菌蒸馏水提取土壤溶液，得到土壤提取液，备用。
测试方法：将对比样片和样片1～5逐一单独的放置于容器中，将土壤提取液分别加入上述容器中至浸没样片，经过14d的浸泡，取出对比样片和样片1～5，在50～60℃的条件下烘干，然后分别测定烘干后的对比样片和样片1～5的质量记为m2。所得结果如表3所示。
表3对比样片和样片1～5土壤提取液测试前后质量的对比结果
样片 m(g) m<sub>2</sub>(g) m-m<sub>2</sub>(g)
样片1 515 513.2 2.8
样片2 530 527.9 2.1
样片3 513 512 1
样片4 556 556 0
样片5 548 547.2 0.8
对比样片 452 419.8 32.2
测定烘干后的对比样片和样片1～5的中10个最深孔的长度，并计算其平均值。所得结果如表4所示。
表4对比样片和样片1～5土壤提取液测试后的点蚀情况
样片1 样片2 样片3 样片4 样片5 对比样片
孔深(μm) 0.4 0.45 0.42 0.41 0.43 1.2
由表1可知，本发明所得合金钢属于高强度低硬度合金钢，可以满足输气管道所用合金钢的要求。
由表2和3可知，本发明所得合金钢经过激光熔覆于X80钢焊接处，焊接处的耐腐蚀性能得到了大范围的提高，增加了输气管道的耐用性，适宜大范围推广应用。
由表4可知，本发明所得合金钢经过激光熔覆于X80钢焊接处，焊接处的点蚀不明显，极大的提高了管道的寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种焊接接头处激光熔覆用合金钢，其特征在于，所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
2.权利要求1所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳、锰、铌、硅进行第一次熔炼，之后加入铁、钴、锆、硼、铜进行第二次熔炼，得到钢水；
(2)将钢水依次经过浇注、锻造，得到合金钢坯料；
(3)将合金钢坯料顺次进行正火处理、淬火处理和回火处理，得到合金钢。
3.根据权利要求2所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一次熔炼的温度为500～600℃，第一次熔炼的时间为5～10min；第二次熔炼的温度为800～900℃，第二次熔炼的时间为10～15min。
4.根据权利要求2或3所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，得到钢水前，对第二次熔炼所得产物进行升温出炉处理，升温出炉处理的具体步骤为：将第二次熔炼所得产物以50～60℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，之后出炉得到钢水。
5.根据权利要求4所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，浇注的温度为150～200℃；浇注前，将钢水在室温下静置冷却5～10min。
6.根据权利要求5所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，锻造前，将浇注所得产物在常温下冷凝至低于60℃；锻造的初锻温度为920～1000℃，锻造的终锻温度为800～900℃；得到合金钢坯料前，对锻造所得产物冷却至室温，冷却的速率为10～15℃/min。
7.根据权利要求2、5或6所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，正火处理的温度为800～900℃，正火处理的升温速率为30～40℃/min，正火处理的保温时间为2～3h；淬火处理的温度为600～700℃，淬火处理的保温时间为1～2h。
8.根据权利要求7所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当淬火处理结束后，对淬火处理所得产物进行油冷。
9.根据权利要求8所述焊接接头处激光熔覆用合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，回火处理的温度为500～600℃，回火处理的升温速率为20～25℃/min，回火处理的时间为2～2.5h。
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