[发明专利]一种用于薄壁管道的低温高锰钢材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种用于薄壁管道的低温高锰钢材料的制备方法，属于高锰钢铸件热处理工艺技术领域。本发明所述方法通过合金元素的设计并结合新的热处理工艺，提高材料的性能，所述热处理过程包括以下步骤：低温等温处理过程，高温等温处理过程，超快冷处理过程：超快冷的冷却速度不小于50℃/s超快冷冷却，终冷温度为480±20℃，并保温一段时间后空冷至室温，最终得到高强高韧低温用合金化高锰钢；在超快冷大冷却作用下，所述合金化高锰钢组织中产生了大量纳米级V的碳氮化物沉淀物，同时晶粒尺寸得到细化，在保证了足够的韧性和较低的韧脆转变温度前提下，获得了较高的屈服强度。

技术领域

本发明涉及一种用于薄壁管道的低温高锰钢材料的制备方法，属于高锰钢铸件热处理工艺技术领域。

背景技术

近年来随着绿色清洁能源液化天然气（LNG）和液化石油气（LPG）的需求量不断增加，对LNG和LPG的存储和运输提出了更高的要求。目前，运输气体多采用传统高压液化技术，虽然可以提高运输效率、节省储存空间，但高压液化储运对材料承压、密封能力有极高的要求。同时由于液化天然气的密度远远大于气态的天然气，采用直径较小的管道输送相同体积的天然气，其成本和能耗相比于高压液化储运低的多。因此采用低温液化长距离管道输送技术进行LNG和LPG的运输，具有广阔的市场应用前景。然而在低温液化长距离输送过程中，管道各点必须承受大于输送温度下液化气的饱和压力，同时管道还需承受从常温到超低温的激烈变化，管道遇深冷会产生剧烈的收缩，并且由于管道壁较薄，这种收缩变形效应会更加明显，为防止LNG和LPG在运输过程中由于管道的低温应力脆断导致泄漏或使用初期由于加工硬化不足导致管道产生剧烈变形，低温管道材料必须具有较高的屈服强度、良好的低温韧性和密封性，因此对输送LPG和LNG的干线管道制造提出了新的要求。传统上，液化天然气管道往往采用9Ni钢、奥氏体不锈钢及铝合金等材料制造。但这些材料由于造价高昂，规模化程度不高，无法进行管道相关配套元件的批量化生产，不利于大规模推广使用。而相对廉价的高锰钢材料由于其优异的韧性和延展性，同时通过提高钢中Mn的含量可以进一步提高高锰钢的低温韧性，具有制造低成本综合性能优异的低温钢材料的潜力。然而传统高锰钢材料仅通过增加Mn和Cr的含量，在使用初期未产生足够加工硬化前，屈服强度仍然无法满足使用要求，容易产生严重变形，并且在较低温度下可能会发生低应力脆断，导致LNG和LPG在运输过程中产生泄漏，从而严重限制了传统高锰钢材料应用于液化天然气（LNG）管道的制造。因此，有必要通过一定的技术手段提高高锰钢的初始屈服强度，降低韧脆转变温度，保证足够的塑韧性，将成本较低的高锰奥氏体钢制作成经济型低温钢材料，用以取代昂贵的9Ni钢具有很高的市场应用前景和较大的市场需求。

提高高锰钢材料塑韧性、降低韧脆转变温度的方法是提高钢中Mn的含量。而在不严重损害高锰钢韧性的同时提高其屈服强度的技术方法是采取细晶强化和沉淀强化相结合，搭配适当的热处理工艺，使钢中产生尺寸极小的纳米级析出相，这些纳米级沉淀相可以通过阻碍位错运动来提升钢材的屈服强度，同时由于纳米级沉淀相尺寸较小，弥散分布于钢材的整个基体当中，可以通过钉扎晶界细化奥氏体晶粒，在提高屈服强度的同时可以提高材料的塑韧性。如果热处理工艺设计不当，可能会导致沉淀相产生粗化或在晶界处呈链状分布，这些都会对高锰钢的低温韧性产生极为不利的影响。因此，沉淀相的尺寸和分布对于低温高锰奥氏体钢性能的影响至关重要。在成分确定以后需要通过设计适当的热处理工艺，调控钢中的组织和沉淀相的析出，从而获得尺寸较小、分布均匀的沉淀相来提高沉淀强化增量并细化奥氏体晶粒组织。在经过高温保温后较大的冷却速度下，钢中组织会产生极大的过冷度，为纳米级沉淀相的析出提供相变驱动力。而在超快速冷却后较低温度下进行保温有利于纳米级沉淀相的弥散析出，同时由于此时温度较低合金元素扩散缓慢，产生的纳米级沉淀相基本不会发生粗化。