Research on Wear-Resistant Steel for Wear Layer of Composite Steel Pipes

Wear-resistant composite steel pipes are widely used in industries such as mining, la production d'énergie, production de ciment, et métallurgie, où le transport de matériaux abrasifs provoque une usure significative sur les pipelines. These pipes typically consist of an outer steel layer for structural strength and an inner wear-resistant layer designed to withstand abrasion, érosion, et corrosion. The wear-resistant layer plays a critical role in extending the service life of the pipe under harsh operating conditions. This research focuses on the study of steel used in the wear layer of composite steel pipes, analyzing material composition, Propriétés mécaniques, and performance parameters.

The primary objective of this study is to identify suitable steel grades for the wear layer, evaluate their performance through key parameters such as hardness, Ténacité, et porter une résistance, et présenter les résultats dans un format structuré. La recherche explore également l'influence des éléments d'alliage et des processus de traitement thermique sur les performances de l'acier résistant à l'usure. Un tableau détaillé des paramètres sera fourni pour résumer les propriétés de diverses notes d'acier, suivi d'une analyse approfondie de leur aptitude aux applications résistantes à l'usure.

1. Introduction aux tuyaux en acier composite résistant à l'usure

Les tuyaux en acier composite conçus pour la résistance à l'usure se composent généralement de deux couches ou plus: une couche structurelle externe et une couche intérieure résistante à l'usure. La couche externe est souvent fabriquée en acier au carbone ou en acier à faible alliage pour fournir une résistance et une flexibilité mécaniques, Alors que la couche intérieure, ou user la couche, est conçu pour résister à l'usure abrasive, érosion, et parfois la corrosion. The wear layer can be made from various materials, including ceramics, Fonte à haut chrome, or specially alloyed steel. In this research, the focus is on steel-based wear layers due to their balance of wear resistance, Ténacité, et la rentabilité.

The wear layer must endure extreme conditions, such as the abrasive impact of coal slurry, mineral ores, or cement clinker. Traditional carbon steel pipes fail quickly under such conditions due to their limited hardness and wear resistance. To address this, wear-resistant steels with high hardness, Bonne ténacité, and resistance to impact and fatigue are developed. These steels often incorporate alloying elements such as chromium (Cr), Molybdène (Mo), Vanadium (V), et nickel (Ni) to enhance their properties.

The selection of wear-resistant steel for the inner layer of composite pipes involves a trade-off between hardness and toughness. High hardness improves resistance to abrasion but may reduce toughness, making the material brittle and prone to cracking under impact. Conversely, high toughness enhances resistance to impact but may compromise wear resistance. This study examines several steel grades to determine their suitability for wear layers, focusing on their chemical composition, Propriétés mécaniques, and wear performance.

2. Material Selection for Wear-Resistant Steel

The choice of steel for the wear layer of composite pipes depends on several factors, including the operating environment, type of abrasive material, and cost considerations. Commonly used wear-resistant steels include high-chromium white cast iron, Acier martensitique, and bainitic steel. Each type has distinct advantages and limitations, which are discussed below.

2.1 High-Chromium White Cast Iron

La fonte blanche à haut chrome est largement utilisée dans les applications résistantes à l'usure en raison de son excellente résistance à la dureté et à l'abrasion. La teneur élevée en chrome (généralement 15 à 30%) favorise la formation de carbures de chrome dur (Type M7C3) dans une matrice martensitique, ce qui améliore considérablement la résistance à l'usure. cependant, sa fragilité limite son utilisation dans des applications impliquant un impact élevé.

2.2 Acier martensitique

Les aciers martensitiques sont traités à la chaleur pour obtenir une microstructure entièrement martensitique, qui offre une forte dureté et une résistance à l'usure. Ces aciers sont souvent alliés avec des éléments comme le chrome, Molybdène, et vanadium pour améliorer les propriétés de durabilité et d'usure. Les aciers martensitiques offrent un meilleur équilibre de dureté et de ténacité par rapport à la fonte de chrome élevé, les rendre adaptés aux applications avec un impact modéré.

2.3 Acier bainitique

Les aciers bainitiques sont caractérisés par une microstructure bainitique, qui offre une combinaison de haute résistance, Ténacité, et porter une résistance. Ces aciers sont souvent utilisés dans les applications nécessitant une résistance à la fois à l'abrasion et à l'impact. L'ajout d'éléments d'alliage tels que le boron (b) et le molybdène améliore la formation de bainite pendant le traitement thermique.

3. Paramètres de l'acier résistant à l'usure pour la couche d'usure

Pour évaluer l'aptitude de différentes grades d'acier pour la couche d'usure des tuyaux en acier composites, Plusieurs paramètres clés sont considérés, y compris la composition chimique, La dureté de l', Résistance aux chocs, et le taux d'usure. Ces paramètres sont résumés dans le tableau ci-dessous.

Notes sur les paramètres de la table:

• la composition chimique: Le pourcentage d'éléments d'alliage affecte la microstructure et les propriétés mécaniques de l'acier.
• La dureté de l': Mesuré en dureté Rockwell (HRC), Des valeurs plus élevées indiquent une meilleure résistance à l'abrasion.
• Résistance aux chocs: Mesuré en joules par centimètre carré (J/cm²), Des valeurs plus élevées indiquent une meilleure résistance à l'impact.
• Taux d'usure: Mesuré en millimètres cubes par Newton-Metter (mm³ / n · m), Des valeurs plus faibles indiquent une meilleure résistance à l'usure.
• traitement thermique: Le processus utilisé pour réaliser la microstructure et les propriétés souhaitées.

4. Analyse des paramètres d'acier pour les applications de couche d'usure

4.1 Fonte à haut chrome (Acier A)

Fonte à haut chrome (Acier A) présente la dureté la plus élevée parmi les matériaux évalués, avec une plage de HRC de 58–62. Ceci est attribué à la présence de carbures M7C3 durs dans une matrice martensitique. Le taux d'usure de 1.2 × 10⁻⁵ mm³ / n · m est le plus bas, indicating excellent wear resistance. cependant, its impact toughness is poor (5–10 J/cm²), making it susceptible to cracking under high-impact conditions. This steel is best suited for applications involving pure abrasion, such as transporting fine coal ash or cement slurry, where impact is minimal.

4.2 Acier martensitique (Steel B)

Acier martensitique (Steel B) offers a balanced combination of hardness (50–55 HRC) and impact toughness (20–30 J/cm²). Its wear rate of 2.5 × 10⁻⁵ mm³/N·m is higher than that of high-chromium cast iron but still acceptable for many applications. The addition of 12% chromium enhances corrosion resistance, while molybdenum and vanadium improve hardenability and wear resistance. This steel is suitable for applications involving moderate impact and abrasion, such as transporting coarse mineral ores.

4.3 Acier bainitique (Steel C)

Acier bainitique (Steel C) offre la force du meilleur impact (40–50 J/cm²) parmi les aciers résistants à l'usure évalués, avec une dureté de 45 à 50 HRC. Its wear rate of 3.0 × 10⁻⁵ mm³ / n · m est supérieur à celui de l'acier martensitique, indiquant une résistance à l'usure légèrement inférieure. La microstructure bainitique, réalisé par austerring, offre une excellente résistance à la fatigue et à l'impact. Cet acier est idéal pour les applications impliquant un impact élevé et une abrasion modérée, comme les pipelines dans les opérations minières avec de grandes tailles de particules.

4.4 acier faiblement allié (Acier D)

acier faiblement allié (Acier D) sert de référence pour la comparaison. Avec une dureté de 40 à 45 HRC et un taux d'usure de 5.0 × 10⁻⁵ mm³ / n · m, il a la plus faible résistance à l'usure parmi les matériaux évalués. cependant, sa ténacité à l'impact (60–80 J/cm²) est le plus élevé, making it suitable for applications where impact resistance is critical, but wear resistance is less of a concern. This steel is not typically used for wear layers but can serve as an outer structural layer in composite pipes.

5. Influence of Alloying Elements and Heat Treatment

The performance of wear-resistant steel is heavily influenced by its chemical composition and heat treatment process. Below is a detailed discussion of these factors.

5.1 Role of Alloying Elements

Alloying elements play a critical role in determining the microstructure and properties of wear-resistant steel. Chromium is the most important element for enhancing hardness and wear resistance by forming carbides. In high-chromium cast iron (Acier A), Le 25% chromium content results in a high volume fraction of M7C3 carbides, contributing to its exceptional wear resistance. Molybdenum improves hardenability and resistance to tempering, while vanadium refines the grain structure and enhances wear resistance by forming fine carbides. In bainitic steel (Steel C), the addition of boron promotes the formation of bainite, improving toughness and fatigue resistance.

5.2 Effect of Heat Treatment

Heat treatment processes such as quenching, Trempe, and austempering are used to achieve the desired microstructure and properties. For martensitic steel (Steel B), quenching followed by tempering produces a fully martensitic microstructure with high hardness and moderate toughness. Température orientale, used for bainitic steel (Steel C), involves isothermal transformation to form bainite, which offers a good balance of hardness and toughness. Fonte à haut chrome (Acier A) is typically used in the as-cast condition with optional tempering to relieve residual stresses.

6. Practical Considerations for Wear Layer Design

When designing the wear layer of composite steel pipes, several practical considerations must be addressed:

• • Operating Environment: The type of abrasive material, particle size, vitesse, and impact conditions dictate the choice of steel. For fine abrasives with low impact, high-chromium cast iron is ideal. For coarse materials with high impact, bainitic steel is preferable.

• Cost vs. Performance: High-chromium cast iron is more expensive than martensitic or bainitic steel but offers superior wear resistance. The choice depends on the required service life and budget constraints.
• Manufacturability: The wear layer must be metallurgically bonded to the outer steel layer, often through centrifugal casting or cladding. The steel’s compatibility with these processes must be considered.
• Maintenance and Replacement: The wear layer should be designed for easy replacement if necessary. Composite pipes with detachable wear layers can reduce downtime and maintenance costs.

7. Conclusion

The wear-resistant layer of composite steel pipes plays a crucial role in extending the service life of pipelines in abrasive environments. This research evaluated four steel grades for their suitability as wear layers: Fonte à haut chrome, Acier martensitique, Acier bainitique, and low-alloy steel. High-chromium cast iron exhibited the best wear resistance but poor toughness, making it suitable for low-impact applications. Martensitic steel offered a balanced combination of hardness and toughness, while bainitic steel provided the best impact resistance. acier faiblement allié, while tough, lacked the necessary wear resistance for most applications.

The choice of steel depends on the specific operating conditions, including the type of abrasive material, impact level, and cost constraints. Alloying elements and heat treatment processes significantly influence the performance of wear-resistant steel, allowing for tailored solutions to meet diverse requirements. The parameters presented in the table provide a comprehensive overview of the properties of each steel grade, serving as a valuable reference for engineers and designers.