專(zhuān)利名稱(chēng)：一種合金鋼、無(wú)縫鋼管及異型鋼管的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
消防設(shè)備屬于消防安全行業(yè)，是保障建筑物、人民財(cái)產(chǎn)、消防安全和人員生命安全的重要設(shè)施，是現(xiàn)代建筑的重要組成部分和消防救援的有力保障。在復(fù)雜的環(huán)境中，消防設(shè)備需要具有高強(qiáng)度、耐溫差、使用壽命長(zhǎng)以及綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)。但是，目前用于制造消防設(shè)備的材料強(qiáng)度偏低、韌性有限、綜合性能低下，導(dǎo)致消防設(shè)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(jié)構(gòu)件自身重量占據(jù)比例較大。所以消防設(shè)備遠(yuǎn)距離救援能力受限，救援效果不佳。表1、表2、表3為傳統(tǒng)消防設(shè)備用鋼管金屬材料的化學(xué)成分、綜合室溫力學(xué)性能和鋼管結(jié)構(gòu)及公差。 表1、傳統(tǒng)消防設(shè)備用鋼管金屬材料的化學(xué)成分
名稱(chēng)消防設(shè)備用無(wú)_管m 號(hào)2 bi2CSiIftiCrMiCuρS廣量通 %0.17 O· 240.17 0. 371.40 1. 800.30( 0.300.30實(shí) 0.035實(shí) 0.035
表2、傳統(tǒng)消防設(shè)備用鋼管金屬材料的室溫力學(xué)性能
產(chǎn)a標(biāo)準(zhǔn)GB/T30M-2000 ？型鋼管試饞 標(biāo)準(zhǔn)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接愿^490彡50為27實(shí)145
表3、傳統(tǒng)消防設(shè)備用鋼管結(jié)構(gòu)及公差
名μ m外徑偏差 /mΙκ] js^ JQ /mm壁厚偏差 /mm消防設(shè)備用無(wú)縫鋼管圓鋼管Φ87*Φ67±0. 435±0.335土 11. 25%
根據(jù)消防行業(yè)的特性，消防設(shè)備的工作環(huán)境溫差大、工作條件特殊而復(fù)雜，上述消防設(shè)備用金屬材料存在以下缺陷
1、金屬材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度偏低，不能滿(mǎn)足消防設(shè)備需有良好的抗彎強(qiáng)度、抗扭曲能力，以及承載能力大和抗震能力強(qiáng)等特性。2、金屬材料的熱膨脹系數(shù)高、溫差感應(yīng)強(qiáng)、高溫耐蝕抗氧化性差，不能適應(yīng)溫差變化大和復(fù)雜而惡劣的救援環(huán)境。3、金屬材料的焊接性能差，使得消防設(shè)備制造難度大，尤其是安全可靠性不穩(wěn)定。采用上述合金材料制成的無(wú)縫鋼管，自身重量占據(jù)比例較高，增加了消防設(shè)備的整體重量，嚴(yán)重的制約了消防設(shè)備遠(yuǎn)距離救援空間。在無(wú)縫鋼管的熱處理過(guò)程中，通常采用了正火熱處理工藝，即加熱至Ac3以上 3(T50°C，保溫一段時(shí)間后，然后出爐，自然冷卻(通常在靜止的空氣中冷卻)，其目的在于使得晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織。該工藝能使證材料具有一定的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)，對(duì)于消防設(shè)備來(lái)說(shuō)是極大的不利與限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)、硬度高、 熱膨脹系數(shù)低、耐蝕抗氧化性和焊接性好的合金鋼。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種合金鋼，含有以下質(zhì)量百分比的成分0. 12 0. 17的碳、0. 25 0. 40的硅、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，并且，磷和硫的含量均< 0. 025，其余為鐵。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)、硬度高、 熱膨脹系數(shù)低、耐蝕抗氧化性和焊接性好的無(wú)縫鋼管。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為無(wú)縫鋼管，該無(wú)縫鋼管由本發(fā)明所述的合金鋼制成。上述的無(wú)縫鋼管通過(guò)模具，可以壓制成內(nèi)方外圓的異型鋼管。本發(fā)明所要解決的第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種可使由本發(fā)明所述的無(wú)縫鋼管模壓成型的異型鋼管晶粒細(xì)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(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為異型鋼管的熱處理工藝，其步驟為將經(jīng)模壓成型的異型鋼管依次進(jìn)行分級(jí)加熱淬火處理和回火熱處理。所述的分級(jí)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分鐘后，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，然后，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以下中的急速冷卻采用的冷卻介質(zhì)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，然后，自然冷卻。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的合金鋼由于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，并細(xì)化了晶粒，提高沖擊韌性；由于合金鋼中加入了微量的硼，不僅改善了合金鋼的致密性和熱軋性能，而且，還提高了強(qiáng)度；由于添加了微量元素鈮、釩和鈦，使合金鋼晶粒得到細(xì)化，熱膨脹系數(shù)低、過(guò)熱敏感弱，大大減小回火脆性?xún)A向，不僅提高了合金鋼的強(qiáng)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(shè)備所需的耐溫差強(qiáng)和耐腐蝕性?xún)?yōu)良等條件；
通過(guò)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(shí)的晶粒長(zhǎng)大， 降低了合金鋼過(guò)熱敏感性，減小了合金鋼的回火脆性?xún)A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(guān)系很大，尤其是碳含量，當(dāng)碳含量較高時(shí)，焊接區(qū)容易產(chǎn)生裂紋。在實(shí)際生產(chǎn)中，常用“碳當(dāng)量”概念來(lái)衡量金屬材料的焊接性能好壞，實(shí)踐證明當(dāng)碳當(dāng)量CE小于0.4%時(shí)，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式CE(IIW)如下
對(duì)于消防設(shè)備來(lái)說(shuō)，焊接是必不可少而且相當(dāng)頻繁的制造環(huán)節(jié)。因此，材料需要具有良好的焊接性能。由上述碳當(dāng)量公式可計(jì)算出傳統(tǒng)的20Mn2合金鋼和本發(fā)明所述的合金鋼(牌號(hào)定為HCQ550)的碳當(dāng)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(jù)上述計(jì)算結(jié)果得知
20Mn2合金鋼的碳當(dāng)量過(guò)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(xiàn)脆性等缺陷。HCQ550合金鋼碳當(dāng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20Mn2合金鋼的碳當(dāng)量0. 58%，而且也小于優(yōu)良碳當(dāng)量焊接指標(biāo)0. 4%，參照?qǐng)D3所述的碳當(dāng)量、含碳量與冷裂敏感性的關(guān)系圖可知，本發(fā)明所述的合金鋼具有優(yōu)良的焊接性能。本發(fā)明所述的熱處理工藝，通過(guò)分級(jí)加熱淬火處理，即在加熱至材料Ac3溫度之前分兩步進(jìn)行，非采用緩慢持續(xù)直接升溫至Ac3溫度，而是緩慢持續(xù)加熱至珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度Acl，保溫一定時(shí)間，使珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的量化達(dá)到最大，然后才急速升溫至先共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3，使鐵素體逐漸溶于奧氏體內(nèi)，鋼的組織就全部奧氏體化；本發(fā)明材料Ac3為830 850°C，因此，急速加熱至870 880°C時(shí)產(chǎn)生大量的細(xì)小、排列精密奧氏體組織，經(jīng)過(guò)油淬火急速冷卻到Ms點(diǎn)350°C以下，獲得高強(qiáng)度、 高硬度的馬氏體組織；經(jīng)過(guò)分級(jí)加熱淬火處理得到的材料，其組織具有不穩(wěn)定性，尤其是塑性極差，因此，通過(guò)后續(xù)的回火處理，得到回火索氏體，使得材料擁有穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)和足夠強(qiáng)度、屈服、良好塑性，以及足夠韌性、耐溫差性。從而滿(mǎn)足消防設(shè)備使用材料所需要的耐溫差強(qiáng)、強(qiáng)度高、承載能力大、抗震能力強(qiáng)、輕量化以及遠(yuǎn)距離救援顯著等特性。


圖1為傳統(tǒng)圓鋼管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的異型鋼管的結(jié)構(gòu)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(dāng)量、含碳量與冷裂敏感性的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。本發(fā)明所述的一種合金鋼，含有以下質(zhì)量百分比的成分0. 12、. 17的碳、 0. 25 0. 40的硅、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，并且，
磷和硫的含量均< 0. 025，其余為鐵。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)控制銅在合金鋼中的含量在0. 02、. 05 (質(zhì)量百分比)之間，來(lái)提高合金鋼的強(qiáng)度和韌性，并使得合金鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，通過(guò)控制鎳在合金鋼中的含量在0. 02、. 05 (質(zhì)量百分比)之間，來(lái)提高合金鋼的強(qiáng)度，并使得合金鋼具有良好的塑性和韌性，同時(shí)，由于鎳對(duì)酸堿有較高的耐腐蝕能力，使得合金鋼在高溫下有防銹和耐熱能力；通過(guò)控制鉻在合金鋼中的含量在0.05、. 1 (質(zhì)量百分比)之間，來(lái)提高合金鋼的強(qiáng)度、 硬度和耐磨性，同時(shí)還提高了合金鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。采用常規(guī)工藝將由本發(fā)明所述的合金鋼材質(zhì)構(gòu)成的棒材制成無(wú)縫鋼管，并將制成的無(wú)縫鋼管進(jìn)行穩(wěn)定組織熱處理，其具本步驟為將無(wú)縫鋼管加熱至83(T845°C，保持 3(Γ35分鐘，然后，自然冷卻。參見(jiàn)圖1、圖2，圖1所示的圓鋼管1，由于其內(nèi)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(wú)法用于一些特定條件和環(huán)境，而圖2所示的異型鋼管3，由于其內(nèi)孔為方孔4，具有更大的橫截面，可以節(jié)約金屬，提高材料的利用率，簡(jiǎn)化制造工序，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；在滿(mǎn)足同等使用性能的條件下，異型鋼管3可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量，適應(yīng)消防設(shè)備輕量化的需求；圓鋼管1的慣性矩和截面模數(shù)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(qiáng)度和抗扭曲能力大，同樣邊長(zhǎng)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(fā)明采用模具將圓鋼管壓制成異型鋼管3，有效提高了消防設(shè)備的承載能力、抗震能力、抗彎曲和扭曲性。在制得異型鋼管3后，還需要對(duì)其進(jìn)行熱處理，其具體步驟為將經(jīng)模壓成型的異型鋼管依次進(jìn)行分級(jí)加熱淬火處理和回火熱處理；所述的分級(jí)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分鐘后，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，然后，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，然后，自然冷卻。下表為采用本發(fā)明所述的合金鋼材料(HCQ550)及本發(fā)明所述的熱處理工藝得到的異型鋼管與采用背景技術(shù)中所述的傳統(tǒng)的合金鋼材料(20Μη2)及傳統(tǒng)的熱處理工藝得到圓鋼管的性能對(duì)照表
權(quán)利要求
1.一種合金鋼，含有以下質(zhì)量百分比的成分0. 12、. 17的碳、0. 25、. 40的硅、 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，其余為鐵。
2.無(wú)縫鋼管，其特征在于所述的無(wú)縫鋼管由權(quán)利要求1所述的合金鋼制成。
3.基于權(quán)利要求2所述的無(wú)縫鋼管模壓成型的異型鋼管的熱處理工藝，其步驟為將經(jīng)模壓成型的異型鋼管依次進(jìn)行分級(jí)加熱淬火處理和回火熱處理。
4.如權(quán)利要求3所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特征在于所述的分級(jí)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分鐘后，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，然后，自然冷卻。
5.如權(quán)利要求4所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特征在于所述的按照19(T200°C/ s的冷卻速度急速冷卻至350°C以下中的急速冷卻采用的冷卻介質(zhì)為油。
6.如權(quán)利要求3、4或5所述的異型鋼管的熱處理工藝，其特征在于所述的回火熱處理，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，然后，自然冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)、硬度高、熱膨脹系數(shù)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(zhì)量百分比的成分0.12~0.17的碳、0.25~0.40的硅、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，并且，磷和硫的含量均≤0.025，其余為鐵。本發(fā)明還公開(kāi)了一種采用該合金鋼制成的無(wú)縫鋼管以及基于該無(wú)縫鋼管模壓而成的異型鋼管的熱處理工藝，該工藝為將經(jīng)模壓成型的異型鋼管依次進(jìn)行分級(jí)加熱淬火處理和回火熱處理。本發(fā)明所述的合金鋼及采用該合金鋼和本發(fā)明所述的熱處理工藝得到的異型鋼管主要用于消防設(shè)備中。
文檔編號(hào)F16L9/02GK102392181SQ201110354999
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者韓波 申請(qǐng)人:江蘇華程工業(yè)制管股份有限公司