一種合金鋼、無縫鋼管及異型鋼管的熱處理工藝的製作方法

2023-04-23 23:27:26

專利名稱：一種合金鋼、無縫鋼管及異型鋼管的熱處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及到金屬延壓加工及金屬材料熱處理工藝，尤其涉及到一種合金鋼、合金鋼管及其熱處理工藝。
背景技術：
消防設備屬於消防安全行業，是保障建築物、人民財產、消防安全和人員生命安全的重要設施，是現代建築的重要組成部分和消防救援的有力保障。在複雜的環境中，消防設備需要具有高強度、耐溫差、使用壽命長以及綜合性能優良等特點。但是，目前用於製造消防設備的材料強度偏低、韌性有限、綜合性能低下，導致消防設備的承載能力較小、抗震能力差、抗彎曲和扭曲性能低下，尤其是結構件自身重量佔據比例較大。所以消防設備遠距離救援能力受限，救援效果不佳。表1、表2、表3為傳統消防設備用鋼管金屬材料的化學成分、綜合室溫力學性能和鋼管結構及公差。 表1、傳統消防設備用鋼管金屬材料的化學成分
名稱消防設備用無_管m 號2 bi2CSiIftiCrMiCuρS廣量通 %0.17 O· 240.17 0. 371.40 1. 800.30( 0.300.30實 0.035實 0.035
表2、傳統消防設備用鋼管金屬材料的室溫力學性能
產a標準GB/T30M-2000 ？型鋼管試饞 標準GB/T 229~2007全屬材料夏比擺睡？ GB/T 228-2002全屬材料室溫拉啦ι擊"6 ;方法方法目KeH/恥A5/*Akv/JHBS接願^490彡50為27實145
表3、傳統消防設備用鋼管結構及公差
名μ m外徑偏差 /mΙκ] js^ JQ /mm壁厚偏差 /mm消防設備用無縫鋼管圓鋼管Φ87*Φ67±0. 435±0.335土 11. 25%
根據消防行業的特性，消防設備的工作環境溫差大、工作條件特殊而複雜，上述消防設備用金屬材料存在以下缺陷
1、金屬材料的抗拉強度、屈服強度和硬度偏低，不能滿足消防設備需有良好的抗彎強度、抗扭曲能力，以及承載能力大和抗震能力強等特性。2、金屬材料的熱膨脹係數高、溫差感應強、高溫耐蝕抗氧化性差，不能適應溫差變化大和複雜而惡劣的救援環境。3、金屬材料的焊接性能差，使得消防設備製造難度大，尤其是安全可靠性不穩定。採用上述合金材料製成的無縫鋼管，自身重量佔據比例較高，增加了消防設備的整體重量，嚴重的制約了消防設備遠距離救援空間。在無縫鋼管的熱處理過程中，通常採用了正火熱處理工藝，即加熱至Ac3以上 3(T50°C，保溫一段時間後，然後出爐，自然冷卻(通常在靜止的空氣中冷卻)，其目的在於使得晶粒細化和碳化物分布均勻化，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態的組織。該工藝能使證材料具有一定的抗拉強度、屈服強度，但材料的韌性不足、抗彎曲和扭曲性能力低下，尤其是溫差感應強，對於消防設備來說是極大的不利與限制。

發明內容
本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種抗拉強度和屈服強度強、硬度高、 熱膨脹係數低、耐蝕抗氧化性和焊接性好的合金鋼。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為一種合金鋼，含有以下質量百分比的成分0. 12 0. 17的碳、0. 25 0. 40的矽、1. 2 1. 39的錳、0. 02 0. 04的鈮、0. 04 0. 06 的釩、0. 02 0. 04的鈦、0. 02 0. 04的鋁、0. 0005 0. 0035的硼以及< 0. 1的鉻、< 0. 05的鎳和< 0. 05的銅，並且，磷和硫的含量均< 0. 025，其餘為鐵。本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種抗拉強度和屈服強度強、硬度高、 熱膨脹係數低、耐蝕抗氧化性和焊接性好的無縫鋼管。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為無縫鋼管，該無縫鋼管由本發明所述的合金鋼製成。上述的無縫鋼管通過模具，可以壓製成內方外圓的異型鋼管。本發明所要解決的第三個技術問題是提供一種可使由本發明所述的無縫鋼管模壓成型的異型鋼管晶粒細化和碳化物分布均勻化、從而提高異型鋼管的韌性、抗彎曲和扭曲性能力的異型鋼管的熱處理工藝。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為異型鋼管的熱處理工藝，其步驟為將經模壓成型的異型鋼管依次進行分級加熱淬火處理和回火熱處理。所述的分級加熱淬火熱處理，其步驟為先按照15 20°C /s的加熱速度加升溫至 75(T770°C，保溫15 20分鐘後，按照20 25°C /s的加熱速度升溫至87(T88(TC，保溫；35 40 分鐘，接著，按照19(T200°C /s的冷卻速度急速冷卻至350°C以下，然後，自然冷卻。所述的按照19(T200°C /s的冷卻速度急速冷卻至350°C以下中的急速冷卻採用的冷卻介質為油。所述的回火熱處理，其步驟為先按照1(T15°C /s的加熱速度升溫至35(T400°C， 保溫6(Γ80分鐘，然後，自然冷卻。本發明的有益效果是本發明所述的合金鋼由於添加了適量的鋁元素，既使得合金鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能得到了保障，又提高了合金鋼的抗氧化性和抗腐蝕性能，並細化了晶粒，提高衝擊韌性；由於合金鋼中加入了微量的硼，不僅改善了合金鋼的緻密性和熱軋性能，而且，還提高了強度；由於添加了微量元素鈮、釩和鈦，使合金鋼晶粒得到細化，熱膨脹係數低、過熱敏感弱，大大減小回火脆性傾向，不僅提高了合金鋼的強度、韌性，而且提高了合金鋼的高溫耐蝕抗氧化性，以及合金鋼的焊接性能。充分保障了消防設備所需的耐溫差強和耐腐蝕性優良等條件；
通過降低錳的含量和添加的微量元素鈮、釩和鈦，有效地防止了熱處理時的晶粒長大， 降低了合金鋼過熱敏感性，減小了合金鋼的回火脆性傾向，提高了合金鋼的焊接性。具體地講，合金鋼的焊接性能與其成分關係很大，尤其是碳含量，當碳含量較高時，焊接區容易產生裂紋。在實際生產中，常用「碳當量」概念來衡量金屬材料的焊接性能好壞，實踐證明當碳當量CE小於0.4%時，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好。根據國際焊接學會推薦的碳當量公式CE(IIW)如下
對於消防設備來說，焊接是必不可少而且相當頻繁的製造環節。因此，材料需要具有良好的焊接性能。由上述碳當量公式可計算出傳統的20Mn2合金鋼和本發明所述的合金鋼(牌號定為HCQ550)的碳當量
20Mn2 合金鋼(CE) =0. 21+1. 6/6+0. 30/5+0. 60/15=0. 58% ； HCQ550 合金鋼(CE) =0. 145+1. 3/6+0. 15/5+0. 10/15=0. 398% ； 根據上述計算結果得知
20Mn2合金鋼的碳當量過高，材料焊接性能差，焊接容易形成裂紋以及焊接接頭容易出現脆性等缺陷。HCQ550合金鋼碳當量遠遠小於20Mn2合金鋼的碳當量0. 58%，而且也小於優良碳當量焊接指標0. 4%，參照圖3所述的碳當量、含碳量與冷裂敏感性的關係圖可知，本發明所述的合金鋼具有優良的焊接性能。本發明所述的熱處理工藝，通過分級加熱淬火處理，即在加熱至材料Ac3溫度之前分兩步進行，非採用緩慢持續直接升溫至Ac3溫度，而是緩慢持續加熱至珠光體向奧氏體轉變的溫度Acl，保溫一定時間，使珠光體轉變成奧氏體的量化達到最大，然後才急速升溫至先共析鐵素體全部轉變為奧氏體的終了溫度Ac3，使鐵素體逐漸溶於奧氏體內，鋼的組織就全部奧氏體化；本發明材料Ac3為830 850°C，因此，急速加熱至870 880°C時產生大量的細小、排列精密奧氏體組織，經過油淬火急速冷卻到Ms點350°C以下，獲得高強度、 高硬度的馬氏體組織；經過分級加熱淬火處理得到的材料，其組織具有不穩定性，尤其是塑性極差，因此，通過後續的回火處理，得到回火索氏體，使得材料擁有穩定的組織結構和足夠強度、屈服、良好塑性，以及足夠韌性、耐溫差性。從而滿足消防設備使用材料所需要的耐溫差強、強度高、承載能力大、抗震能力強、輕量化以及遠距離救援顯著等特性。


圖1為傳統圓鋼管的結構示意圖。圖2為本發明所述的異型鋼管的結構示意圖。
圖1至圖2中1、圓鋼管，2、圓孔，3、異型鋼管，4、方孔。圖3為碳當量、含碳量與冷裂敏感性的關係圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的具體實施方案。本發明所述的一種合金鋼，含有以下質量百分比的成分0. 12、. 17的碳、 0. 25 0. 40的矽、1. 2 1. 39的錳、0. 02 0. 04的鈮、0. 04 0. 06的釩、0. 02 0. 04 的鈦、 0. 02 0. 04的鋁、0. 0005 0. 0035的硼以及< 0. 1的鉻、彡0. 05的鎳和< 0. 05的銅，並且，
磷和硫的含量均< 0. 025，其餘為鐵。實際應用時，通過控制銅在合金鋼中的含量在0. 02、. 05 (質量百分比)之間，來提高合金鋼的強度和韌性，並使得合金鋼具有優良的抗腐蝕性能，通過控制鎳在合金鋼中的含量在0. 02、. 05 (質量百分比)之間，來提高合金鋼的強度，並使得合金鋼具有良好的塑性和韌性，同時，由於鎳對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，使得合金鋼在高溫下有防鏽和耐熱能力；通過控制鉻在合金鋼中的含量在0.05、. 1 (質量百分比)之間，來提高合金鋼的強度、 硬度和耐磨性，同時還提高了合金鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。採用常規工藝將由本發明所述的合金鋼材質構成的棒材製成無縫鋼管，並將製成的無縫鋼管進行穩定組織熱處理，其具本步驟為將無縫鋼管加熱至83(T845°C，保持 3(Γ35分鐘，然後，自然冷卻。參見圖1、圖2，圖1所示的圓鋼管1，由於其內孔為圓孔2，使得其橫截面的形狀受限，具有一定的局限性，無法用於一些特定條件和環境，而圖2所示的異型鋼管3，由於其內孔為方孔4，具有更大的橫截面，可以節約金屬，提高材料的利用率，簡化製造工序，提高勞動生產率；在滿足同等使用性能的條件下，異型鋼管3可以大大減輕結構重量，適應消防設備輕量化的需求；圓鋼管1的慣性矩和截面模數較小，在受平面彎曲和扭曲的條件下，不如異型鋼管3抗彎強度和抗扭曲能力大，同樣邊長和直徑的圓鋼管1和異型鋼管3，異型鋼管 3承載能力和抗震能力更佳。因此，本發明採用模具將圓鋼管壓製成異型鋼管3，有效提高了消防設備的承載能力、抗震能力、抗彎曲和扭曲性。在製得異型鋼管3後，還需要對其進行熱處理，其具體步驟為將經模壓成型的異型鋼管依次進行分級加熱淬火處理和回火熱處理；所述的分級加熱淬火熱處理，其具體步驟為先按照15 20°C /s的加熱速度升溫至75(T770°C，保溫15 20分鐘後，按照20 25°C / s的加熱速度升溫至87(T880°C，保溫35 40分鐘，接著按照19(T200°C /s的冷卻速度油淬火急速冷卻至350°C以下，然後，自然冷卻；所述的回火熱處理，其步驟為先按照1(T15°C/ s的加熱速度升溫至35(T40(TC，保持6(Γ80分鐘，然後，自然冷卻。下表為採用本發明所述的合金鋼材料(HCQ550)及本發明所述的熱處理工藝得到的異型鋼管與採用背景技術中所述的傳統的合金鋼材料(20Μη2)及傳統的熱處理工藝得到圓鋼管的性能對照表
權利要求
1.一種合金鋼，含有以下質量百分比的成分0. 12、. 17的碳、0. 25、. 40的矽、 1. 2 1. 39的錳、0. 02 0. 04的鈮、0. 04 0. 06的釩、0. 02 0. 04 的鈦、0. 02 0. 04 的鋁、 0. 0005、. 0035的硼以及< 0. 1的鉻、^ 0. 05的鎳和< 0. 05的銅，磷和硫的含量均 (0. 025，其餘為鐵。
2.無縫鋼管，其特徵在於所述的無縫鋼管由權利要求1所述的合金鋼製成。
3.基於權利要求2所述的無縫鋼管模壓成型的異型鋼管的熱處理工藝，其步驟為將經模壓成型的異型鋼管依次進行分級加熱淬火處理和回火熱處理。
4.如權利要求3所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特徵在於所述的分級加熱淬火熱處理，其步驟為先按照15 20°C/s的加熱速度加升溫至75(T770°C，保溫15 20分鐘後，按照20 25°C /s的加熱速度升溫至87(T880°C，保溫35 40分鐘，接著，按照19(T200°C /s的冷卻速度急速冷卻至350°C以下，然後，自然冷卻。
5.如權利要求4所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特徵在於所述的按照19(T200°C/ s的冷卻速度急速冷卻至350°C以下中的急速冷卻採用的冷卻介質為油。
6.如權利要求3、4或5所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特徵在於所述的回火熱處理，其步驟為先按照1(T15°C /s的加熱速度升溫至35(T40(TC，保溫6(Γ80分鐘，然後，自然冷卻。
全文摘要
本發明公開了一種抗拉強度和屈服強度強、硬度高、熱膨脹係數低、耐蝕抗氧化性和焊接性好的合金鋼，該合金鋼含有以下質量百分比的成分0.12~0.17的碳、0.25~0.40的矽、1.2~1.39的錳、0.02~0.04的鈮、0.04~0.06的釩、0.02~0.04的鈦、0.02~0.04的鋁、0.0005~0.0035的硼以及≤0.1的鉻、≤0.05的鎳和≤0.05的銅，並且，磷和硫的含量均≤0.025，其餘為鐵。本發明還公開了一種採用該合金鋼製成的無縫鋼管以及基於該無縫鋼管模壓而成的異型鋼管的熱處理工藝，該工藝為將經模壓成型的異型鋼管依次進行分級加熱淬火處理和回火熱處理。本發明所述的合金鋼及採用該合金鋼和本發明所述的熱處理工藝得到的異型鋼管主要用於消防設備中。
文檔編號F16L9/02GK102392181SQ201110354999
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者韓波 申請人:江蘇華程工業制管股份有限公司