本发明涉及桅杆用合金钢的
技术领域：
，尤其是涉及一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管。
背景技术：
：近年来随着经济的不断发展，我国旋挖钻机行业发展的速度突飞猛进，旋挖钻机被广泛应用于我国的公路、铁路、桥梁等大型建筑的基础桩施工中。在基础桩施工过程中，桅杆是旋挖钻机关键的承力部件、是钻杆和动力头安装的支撑部件、是随行架滑动的导向部件，它对旋挖钻机的安全性和施工性能具有十分重要的意义。现有的授权公告号为cn104805377b的中国专利公开了一种低合金超高强度钢及其制备方法，所述合金按照质量百分比表示为：0.25～0.35％c、1.5～2.5％si、1.5～2.5％mn、0.6～0.8％cr、1.5～2.5％ni、0.5～0.85％mo、0.015～0.035％nb、0.05～0.075％al，其余为铁，制备步骤：采用磁控钨极非自耗真空熔炼炉冶炼母合金锭；通过热锻锻造成铸棒；低合金超高强度钢热处理，制备了超高强的钢板。上述钢材配方虽然制备了高强度合金，但是遇到钻挖硬岩层的场合时，环境温度较低，金属随着温度的降低韧性和塑性均减小，金属的冷脆断裂与常温下的脆性破坏状态基本相同，在无明显的塑性变形时突然发生，端口平滑光亮，裂纹一般起源于金属组织中的缺陷或应力集中处，以很快的速度传播，采用现有技术中的高强度合金做成的导轨则经常会发生损坏，使用寿命较短。技术实现要素：本发明的目的是提供一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，具有高强度、良好低温冲击韧性的优点，延长了使用寿命。本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，按照重量百分比的化学组分为：c0.08～0.11％、si0.35～0.45％、mn0.8～1.5％、p0.015～0.025％、cu0.25～0.4％、al0.012～0.035％、mo0.8～1.2％、b0.03～0.06％、ti0.05～0.15％、cr0.2～0.5％以及余量为fe和杂质组成。通过采用上述技术方案，c(碳)是改善钢的可淬性和提高强度的必要元素，当c含量小于0.08％时，可淬性降低，影响强度；当c含量大于0.11％时，在应用qt的情况下，钢趋向于具有完全淬火的微观结构如贝氏体和/或马氏体等，降低了钢的可淬性和强度；si(硅)是为了钢的脱氧目的而加入到钢中的，有助于提高强度和提高钢在回火期间的抗软化性，加入0.35～0.45％的si，可降低钢的柔韧性；mn(锰)可提高钢的可淬性，加入0.8～1.5％的mn，有效提高钢的强度和热加工性，若mn含量超过2％，会降低钢的柔韧性；p(磷)在钢中作为杂质存在，因为p在晶界上的偏析会降低钢的柔韧性，所以限定p的含量为0.015～0.025％，仅为微量元素；cu(铜)添加至普通低合金的配方体系中，可改善低合金钢的大气腐蚀性能，当cu和p复配使用时，可提高低合金钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响；含铜0.25～0.4％的钢轨钢，除耐磨外，耐腐蚀寿命为碳素钢轨的2～5倍；含量超过0.75％时，经固溶处理和时效后，可产生时效强化作用，在热变形加工时会导致铜脆现象；al(铝)加入钢中可作为脱氧剂，al在钢中起到细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性；同时al还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合时，效果更好；mo(钼)是一种银白色的金属，硬而坚韧，熔点高，热传导率也比较高，常温下不与空气发生氧化反应，作为一种过渡元素，极易改变其氧化状态，钼离子的颜色也会随着氧化状态的改变而改变，钼具有高强度、高熔点、耐腐蚀、耐研磨等优点，可应用在钢铁、石油、化工、电气和电子技术、医药和农业等领域；b(硼)有利于提高合金的淬透性，在奥氏体转化过程中，铁素体最容易在晶界处形核，b可吸附在晶界上，填充缺陷，进而降低了晶界能位，使新相成核困难，奥氏体稳定性增加，从而提高了淬透性；还可提高合金的韧性，适量的b相沿奥氏体晶界析出时，析出相的存在会促进能够有效组织裂纹的针状铁素体形成，并抑制在晶界能引起沿晶断裂的磷、硫的偏析，从而提高了含b钢的韧性；ti(钛)与碳、氮有极强的亲合力，形成的碳化物、氮化物或碳氮化物具有很高的溶解温度，在加热过程中，这些未溶解的碳氮化物小质点增加了奥氏体的形核中心并阻碍了高温时奥氏体晶界的移动或合并，直到这些碳、氮化物小质点完全溶进固溶体时，奥氏体晶粒才开始急剧长大；钛对铁素体晶粒的细化与奥氏体向铁素体转变前的过程有密切关系，在热轧情况下，轧制后变形奥氏体的再结晶过程对获得细小铁素体晶粒具有决定性影响；cr(铬)可提高钢的耐蚀性，添加微量的0.2～0.5％含量的cr，即可达到优异的强度范围水平，若超过0.5％，强度也不再继续升高；本申请是以低碳钢为基础，添加ti、cr和b进行元素合金化处理，显著提高了成型合金的强度，含cu、al面心立方金属以及成型的体心立方合金，在很宽的温度范围内冲击值均很低，具有良好的耐低温冲击韧性。本发明进一步设置为：按照重量百分比的化学组分为：c0.09～0.10％、si0.38～0.42％、mn1.0～1.2％、p0.018～0.022％、cu0.30～0.35％、al0.020～0.025％、mo0.8～1.2％、b0.03～0.06％、ti0.08～0.12％、cr0.3～0.4％以及余量为fe和杂质组成。本发明进一步设置为：按照重量百分比的化学组分为：c0.10％、si0.40％、mn1.2％、p0.020％、cu0.30％、al0.025％、mo1.0％、b0.05％、ti0.10％、cr0.35％以及余量为fe和杂质组成。通过采用上述技术方案，继续优化钢材的配方组分，缩小各组分的含量范围，进一步提高异型管的强度、耐低温冲击韧性。本发明进一步设置为：该异型管采用如下方法制备：(1)正火轧制异型管，温度为1030～1100℃；(2)将轧制后的异型管放入890～910℃的炉中保温30～40min，再快速放入温度为600～630℃的炉中，保温10～12h，再空冷至150℃以下取出；(3)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为400～450℃，利用380～600吨的拉力下进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(4)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到860～930℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，在8～10秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至450～520℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在450～520℃温度范围下进行，得到回火索氏体。通过采用上述技术方案，在1030～1100℃的温度条件下，正火热轧制成异型管，然后在890～910℃温度下以及600～630℃下进行保温，对异型管进行缓慢冷却，使得轧制变形沿横截面均匀分布，有助于提高组织分布的均匀性；异型管内腔温度较高，采用较大的拉力对异型管进行纵向压缩，内外管壁存在温度差，压缩工艺可减小异型管的成型重量，同时是对热处理的前期铺垫，有助于在奥氏体化的过程中，晶粒细化，晶格规整，有助于减小成型异型管的重量，同时提高钢管的强度、抗低温冲击韧性；热处理过程包括两个阶段，匀速加热至860～930℃并进行保温，迅速出炉降温至150℃以下；再次加热至530～680℃，按壁厚每毫米1分钟保温，得到回火索氏体，经上述过程处理得到的异型管细度更小，重量更小，结构强度更高。本发明进一步设置为：在热处理a)中，将异型管浸渍在流动的冷却液中，预先将氯化钠及茶皂素的混合物以重量比为1:1混合并溶解在去离子水中，其中，混合物与去离子水的重量比1:5。通过采用上述技术方案，茶皂素是由茶树种子中提取出来的糖苷化合物，是性能良好的表面活性剂，将茶皂素混合氯化钠溶解在冷却液中，冷却液表面会起沫，起沫后冷却液不容易气化，而且还可进一步提高组分内晶粒细化，晶格规整性；相比于氯化钠单独溶解在冷却液中，成型后的异型管强度、耐低温冲击性提高。本发明进一步设置为：所述冷却液以800l/min的流速冲击在异型管的内外表面。通过采用上述技术方案，由于mo、cr的粒径较大，不容易渗入异型管组分中，在热处理过程中，采用较高流速的冷却液冲击在异型管内外表面，有助于组分内晶粒细化、晶格规整，从而有助于大粒径的金属元素渗入异型管内，还有助于减小成型后异型管的重量。本发明进一步设置为：在热处理b)中，利用钢锤以12～15kn冲击在异型管的管壁上。通过采用上述技术方案，在热处理b)中再次对异型管的表面进行冲击，进一步提高组分内的晶粒细化程度。综上所述，本发明的有益技术效果为：1.在本申请的配方中，添加cu、al元素，有助于提高异型管的耐低温冲击性；2.添加ti、b、cr，有助于提高异型管的高强度；3.在制备过程中，在冷挤压前期，采用石灰石砂填充在异型管的内腔内，使得内外管壁存在温度差，有助于减小成型后异型管的重量；4.在热处理过程中，冷却液中采用茶皂素与氯化钠掺混，有助于提高金属元素与其他组分金属的相渗性，进一步提高异型管的强度与耐低温冲击性。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。茶皂素购买自深圳市思美泉生物科技有限公司出售的cas：no.8047-15-2。冷却水是分别称取氯化钠与茶皂素各1kg进行混合，将混合物溶解在10kg去离子水中，得到冷却水。实施例一：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，采用如下步骤制备：(1)按照重量百分比称料：c0.08％、si0.35％、mn0.8％、p0.015％、cu0.25％、al0.012％、mo0.8％、b0.03％、ti0.05％、cr0.2％以及余量为fe和杂质组成；(2)正火轧制异型管，温度为1030℃；(3)将轧制后的异型管放入890℃的炉中保温30min，再快速放入温度为600℃的炉中，保温10h，再空冷至150℃以下取出；(4)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为400℃，利用液压冷拔机以380吨的拉力进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(5)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到860℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，将异型管浸渍在流动的冷却液中，冷却液的流速为800l/min，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至450℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在450℃温度范围下进行，同时利用钢锤以12～15kn等频率冲击在异型管的管壁上，得到回火索氏体。实施例二：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，采用如下步骤制备：(1)按照重量百分比称料：c0.09％、si0.38％、mn1.0％、p0.018％、cu0.30％、al0.016％、mo0.8％、b0.03％、ti0.08％、cr0.3％以及余量为fe和杂质组成；(2)正火轧制异型管，温度为1050℃；(3)将轧制后的异型管放入900℃的炉中保温35min，再快速放入温度为610℃的炉中，保温10h，再空冷至150℃以下取出；(4)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为400℃，利用液压冷拔机以400吨的拉力进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(5)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到880℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，将异型管浸渍在流动的冷却液中，冷却液的流速为800l/min，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至470℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在470℃温度范围下进行，同时利用钢锤以12～15kn等频率地冲击在异型管的管壁上，得到回火索氏体。实施例三：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，采用如下步骤制备：(1)按照重量百分比称料：c0.095％、si0.40％、mn1.1％、p0.020％、cu0.32％、al0.022％、mo1.0％、b0.045％、ti0.10％、cr0.35％以及余量为fe和杂质组成；(2)正火轧制异型管，温度为1080℃；(3)将轧制后的异型管放入900℃的炉中保温35min，再快速放入温度为620℃的炉中，保温10～12h，再空冷至150℃以下取出；(4)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为420℃，利用液压冷拔机以450吨的拉力进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(5)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到900℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，将异型管浸渍在流动的冷却液中，冷却液的流速为800l/min，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至500℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在500℃温度范围下进行，同时利用钢锤以12～15kn等频率冲击在异型管的管壁上，得到回火索氏体。实施例四：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，采用如下步骤制备：(1)按照重量百分比称料：c0.10％、si0.42％、mn1.2％、p0.022％、cu0.35％、al0.025％、mo1.2％、b0.06％、ti0.12％、cr0.4％以及余量为fe和杂质组成；(2)正火轧制异型管，温度为1100℃；(3)将轧制后的异型管放入910℃的炉中保温40min，再快速放入温度为630℃的炉中，保温12h，再空冷至150℃以下取出；(4)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为450℃，利用液压冷拔机以500吨的拉力进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(5)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到930℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，将异型管浸渍在流动的冷却液中，冷却液的流速为800l/min，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至520℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在520℃温度范围下进行，同时利用钢锤以12～15kn等频率冲击在异型管的管壁上，得到回火索氏体。实施例五：一种减重型旋挖钻机桅杆超高强低合金导轨用异型管，采用如下步骤制备：(1)按照重量百分比称料：c0.11％、si0.45％、mn1.5％、p0.025％、cu0.4％、al0.035％、mo1.2％、b0.06％、ti0.15％、cr0.5％以及余量为fe和杂质组成；(2)正火轧制异型管，温度为1100℃；(3)将轧制后的异型管放入910℃的炉中保温40min，再快速放入温度为630℃的炉中，保温12h，再空冷至150℃以下取出；(4)向冷却后的异型管内注入高温石灰石砂，石灰石砂的温度为450℃，利用液压冷拔机以600吨的拉力进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(5)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到930℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，将异型管浸渍在流动的冷却液中，冷却液的流速为800l/min，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至520℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在520℃温度范围下进行，同时利用钢锤以12～15kn等频率冲击在异型管的管壁上，得到回火索氏体。对比例一：与实施例一相比，缺少金属cu。对比例二：与实施例一相比，缺少金属al。对比例三：与实施例一相比，缺少金属ti。对比例四：与实施例一相比，缺少b。对比例五：与实施例一相比，缺少金属cr。对比例六：与实施例一相比，缺少金属ti和cr。对比例七：与实施例一相比，缺少金属cr和b。对比例八：与实施例一相比，缺少金属ti和b。对比例九：与实施例五相比，制备方法如下：(1)正火轧制异型管，温度为1100℃；(2)将轧制后的异型管放入910℃的炉中保温40min，再空冷至150℃以下取出；(3)利用液压冷拔机以600吨的拉力对冷却后的异型管进行冷挤压压缩变形，纵向变形量为60～150％；(4)热处理：a)淬火：将异型管匀速加热到930℃条件下，按异型管壁管每毫米1.5分钟的时间保温，然后迅速出炉，以使异型管在8秒内迅速降温至150℃以下；b)回火：匀速加热至520℃温度，按壁厚每毫米1分钟保温，在520℃温度范围下进行，得到回火索氏体。对比例十：以授权公告号为cn104805377b的中国专利作为对比例。检测手段：(1)强度：从各实施例和对比例所制备的异型管的壁厚中央部提取了符合jisz2201的拉伸试验片，然后使用拉伸试验片，在常温(25℃)的大气中实施了符合jisz2241的拉伸试验，利用拉伸试验，求得了屈服应力及抗拉强度。(2)耐低温冲击韧性：从各实施例和对比例所制备的异型管的壁厚中央部提取了符合jisz2202的v型切口试验片，然后使用各v型切口试验片，实施符合jisz2242的夏比冲击试验。强度的检测结果如下表所示：通过上表可知，各实施例的抗拉强度可达650mpa左右，而对比例三～对比例八可知，金属ti、b、金属cr产生协同作用，显著提高了异型管的强度；从对比例九、对比例十可知，在制备过程中，向异型管内腔内填充石灰石砂以及冷却液采用茶皂素与氯化钠的工艺步骤极其关键，否则与现有技术制备的异型管性能无差。耐低温冲击韧性的检测结果如下表所示：样品抗拉强度(mpa)延伸率(％)屈服强度(mpa)屈服比实施例一64822.35360.82实施例二65022.85400.82实施例三65322.95420.82实施例四65522.85400.82实施例五64822.45350.82对比例三62117.85180.73对比例四61816.25150.72对比例五61317.05160.75对比例六60217.55000.68对比例七58516.34980.65对比例八58216.54960.67对比例九58919.34860.75对比例十59219.04800.73通过上表可知，各实施例的异型管具有较高的耐低温冲击韧性，耐环境低温性良好，而对比例一、对比例二的冲击功降低，可见金属cu、al产生协同作用，可提高异型管的耐低温冲击韧性，相比于现有技术配方制备的异型管，采用本申请的配方制成的异型管，耐低温冲击性能优良。本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。当前第1页12