無碳化物貝氏體無縫鋼管的研究

李強(qiáng) 張冰 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

無碳化物貝氏體無縫鋼管的研究

李強(qiáng) 張冰 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

研究開發(fā)了一種適用于高強(qiáng)高韌無縫鋼管的無碳化物貝氏體鋼。通過工程試驗(yàn)與分析表明，該鋼經(jīng)軋制和低溫回火后，其微觀組織為無碳化物貝氏體和片狀殘余奧氏體，這種特殊的金相組織使其在具有較高的強(qiáng)度同時，仍然保持了良好的韌性，適合于制造高鋼級甚至超高鋼級的石油專用無縫管材。

貝氏體鋼 鋼管 試驗(yàn) 力學(xué)性能 研究

1 引言

無碳化物貝氏體鋼是利用硅對碳化物析出的強(qiáng)烈抑制作用，得到一種貝氏體鐵素體加殘余奧氏體薄膜的特殊組織，這種組織特征賦予其優(yōu)異的性能，使其具有高強(qiáng)、高韌、抗延遲斷裂和抗硫化氫腐蝕等優(yōu)良特性。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者都對其進(jìn)行了大量的研究，國內(nèi)主要是對高錳系無碳化物貝氏體鋼進(jìn)行研究[1-5]，已將其應(yīng)用到高強(qiáng)及耐磨鋼板、鐵路道岔、重型釬桿、曲軸等高強(qiáng)耐磨類鋼鐵材料;國外則對高鎳系無碳化物貝氏體鋼進(jìn)行了研究[6-10]。盡管這方面的研究很多，但對于無碳化物貝氏體鋼在高強(qiáng)高韌無縫鋼管方面上的研究與應(yīng)用則鮮有報道。本文試圖通過針對性的工程試驗(yàn)及性能測試分析，研究開發(fā)出一種應(yīng)用于石油開采用高強(qiáng)高韌無縫鋼管的新型無碳貝氏體鋼。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)鋼1和試驗(yàn)鋼2的化學(xué)成分如表1所示，兩種試驗(yàn)鋼的成分差別主要在Si和Cr含量。因此試樣鋼2降低Si和Cr的主要目的是在試驗(yàn)鋼中形成更多的殘余奧氏體，從而提高材料的沖擊韌性，以滿足油井管對縱向沖擊性能的最小要求[11]。試驗(yàn)鋼在型號KGPS100KW的50 kg中頻無芯感應(yīng)電爐內(nèi)冶煉后澆筑成鋼錠，鍛造為?75×420 mm的圓坯。試驗(yàn)鋼1采用兩種處理工藝，分別為工藝A：1 250℃穿孔，1 100℃軋制;工藝B：1 150℃穿孔，1 000℃軋制。試驗(yàn)鋼2采用工藝B進(jìn)行軋制處理。兩種試驗(yàn)鋼都通過感應(yīng)加熱爐加熱穿孔成毛管，穿孔后毛管長950 mm，變形比2.26，外徑83 mm，壁厚8.3 mm。采用CTP440VI穿軋復(fù)合軋機(jī)將試樣進(jìn)行軋制成無縫鋼管，軋后尺寸為外徑81 mm，壁厚7.3 mm。兩種試驗(yàn)鋼管軋制后分別進(jìn)行300℃的低溫回火，空冷至室溫并加工成拉伸和沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測量。

使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量材料的常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo);在樣管上切金相試樣并經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后，用蔡司公司的A1m正立智能材料顯微鏡觀察試樣的顯微組織和片狀殘余奧氏體的析出情況;使用日本理學(xué)的D/Max 2500 X射線衍射儀確定殘余奧氏體的存在。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中對試驗(yàn)鋼1進(jìn)行了兩種軋制工藝的試驗(yàn)，分別為工藝A：1 250℃穿孔和1 100℃軋制;工藝B：1 150℃穿孔和1 000℃軋制，軋制后均在300℃進(jìn)行回火。表2為兩種工藝下的性能對比，通過比較可以看出，工藝A與工藝B的常規(guī)力學(xué)拉伸結(jié)果值相差不多，但試驗(yàn)鋼1經(jīng)過工藝B軋制后，韌性較好，與工藝A相比，沖擊功幾乎提高一倍，韌性提高的原因歸功于組織的變化。試驗(yàn)鋼1在兩種不同軋制工藝下的微觀組織并不相同，圖1是兩種軋制工藝及300℃低溫回火后的金相組織圖，從圖 1（c)、（d)中可以看出，試驗(yàn)鋼1經(jīng)過低溫回火后，軋制工藝A下的組織為回火貝氏體和回火馬氏體，軋制工藝B下試驗(yàn)鋼的組織為回火貝氏體、回火馬氏體和少量殘余奧氏體，殘余奧氏體片層可以達(dá)到2 μm厚，這些片狀的殘余奧氏體是提高試驗(yàn)鋼韌性的主要因素。

表2 試驗(yàn)鋼1在兩種不同軋制工藝下的力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)鋼1兩種軋制工藝及低溫回火后的微觀組織

通過對試驗(yàn)鋼1兩種軋制工藝的對比分析，可以看出通過工藝B進(jìn)行軋制可以提高無碳化物貝氏體無縫鋼管的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性。但試驗(yàn)鋼1采用工藝B后，沖擊韌性仍不理想，無法滿足實(shí)際應(yīng)用對此類鋼管的要求，因此我們對試驗(yàn)鋼1的化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整（見表1)，得到試驗(yàn)鋼2。試驗(yàn)鋼2采用工藝B的軋制方法進(jìn)行軋制，同樣采用300℃的低溫回火進(jìn)行處理。

鋼中殘余奧氏體相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算公式為：

式中，Wa為殘余奧氏體相的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ia為殘余奧氏體衍射峰強(qiáng)度;Ib為基體衍射峰強(qiáng)度;Kb/a為殘余奧氏體與基體的衍射最強(qiáng)峰的積分強(qiáng)度比。通過圖3的X射線衍射實(shí)驗(yàn)曲線計算得到Ia、Ib和Kb/a，計算得到試驗(yàn)鋼2的殘余奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wa＝1．31%。

圖2是試驗(yàn)鋼2的金相組織圖，從圖中可以看到，調(diào)整成分后的試驗(yàn)鋼2殘余奧氏體數(shù)量明顯增多，部分殘余奧氏體片層可以達(dá)到4 μm厚，隨著殘余奧氏體數(shù)量的增加，試驗(yàn)鋼2相比試驗(yàn)鋼1具有更高的沖擊韌性，測試結(jié)果見表3。

圖2 試驗(yàn)鋼2的微觀組織

表3 試驗(yàn)鋼1和試驗(yàn)鋼2在軋制工藝B下的力學(xué)性能

為了確定殘余奧氏體含量的增加，我們進(jìn)行了X射線衍射試驗(yàn)，圖3是試驗(yàn)鋼2的X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果，試樣鋼1中的殘余奧氏體量很少，在衍射試驗(yàn)結(jié)果圖上并沒有得到殘余奧氏體的峰，而試驗(yàn)鋼2出現(xiàn)明顯的殘余奧氏體峰。

圖3 試驗(yàn)鋼1和試驗(yàn)鋼2的XRD試驗(yàn)結(jié)果

4 分析討論

通過對試驗(yàn)鋼1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，較低的穿孔溫度和開軋溫度更有利于提高試驗(yàn)無縫鋼管的力學(xué)性能，試驗(yàn)中采用的穿軋復(fù)合軋機(jī)是單道次的變形，因此穿孔過程也可以看作是軋制變形，較低的軋制溫度導(dǎo)致較低的終軋溫度，終軋溫度對試樣組織的影響主要取決于其對形變存儲能的影響。軋制變形后，奧氏體中存在形變存儲能，軋制溫度和時間是形變存儲能釋放的重要因素，相對較低溫度軋制時，奧氏體中的形變存儲能釋放較少，空冷條件下組織相變形核率較高，在存儲能較低的情況下，晶粒形核后沒有足夠能量得到較好的織構(gòu)形態(tài)，造成晶粒間的取向明顯，在不同取向的晶粒間可能產(chǎn)生富碳的殘余奧氏體，在沖擊性能試驗(yàn)中，軟相殘余奧氏體的存在導(dǎo)致試驗(yàn)無縫鋼管韌性提高。

普通調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)度無縫鋼管往往有著較高的屈強(qiáng)比，試樣鋼1的屈強(qiáng)比低于70%，是無碳化物貝氏體無縫鋼管的特點(diǎn)，低的屈強(qiáng)比主要是因?yàn)椴捎玫氖擒垜B(tài)+低溫回火的熱處理方式，得到以回火貝氏體為主的組織，軋制變形過程中合金原子的置換過程使試驗(yàn)鋼中形成密度較高的自由位錯，自由位錯的大量存在是導(dǎo)致試驗(yàn)鋼斷裂韌性較好的原因。同時由于試驗(yàn)鋼中還存在一定比例的馬氏體組織，因此屈服強(qiáng)度較高，接近150 psi鋼級。

試驗(yàn)鋼1的Si含量較高，通過組織分析，殘余奧氏體的含量較低，可能是造成沖擊韌性偏低的原因。因此，試驗(yàn)鋼2采取降低Si含量的方法，同時調(diào)低了Cr當(dāng)量，目的是為了得到更多的殘余奧氏體，提高沖擊韌性。從表3的力學(xué)性能測試結(jié)果可以看出，通過改變化學(xué)成分得到的試驗(yàn)鋼2沖擊韌性較試驗(yàn)鋼1有了較大提高，同時屈服強(qiáng)度接近試驗(yàn)鋼1。這是因?yàn)榻?jīng)過低溫回火后的試驗(yàn)鋼2主要以回火貝氏體組織為主，馬氏體含量降低，同時在晶粒間形成更多的殘余奧氏體組織。通過圖2可以看到，殘余奧氏體含量增加并且片層厚度增大，提高了試樣鋼管的沖擊韌性。試驗(yàn)鋼管2低溫回火后的性能見表4。從表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)鋼管2的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有了較大提高，達(dá)到170 psi鋼級以上，同時沖擊韌性也有所提高，0℃夏比沖擊值超過50 J，這種低溫回火導(dǎo)致的強(qiáng)化主要是因?yàn)榛鼗疬^程中Si元素的存在使碳化物難以從貝氏體中析出，因此C原子在貝氏體的自由位錯形成釘扎效應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度升高[8]。

表4 試驗(yàn)鋼2經(jīng)低溫回火后的力學(xué)性能

5 結(jié)論

無碳化物貝氏體無縫鋼管主要是利用低溫軋制，形成以貝氏體為主、少量馬氏體和殘余奧氏體相的微觀組織，形成高強(qiáng)度鋼的同時，具有較低的屈強(qiáng)比和較高沖擊韌性的特點(diǎn)，可以預(yù)見，無碳化物貝氏體無縫鋼管可以滿足油井管日益增長的高強(qiáng)高韌需求，同時較低的屈強(qiáng)比預(yù)示著較好的抗腐蝕和抗延遲斷裂性能，這個特點(diǎn)在無縫鋼管的井下應(yīng)用同樣至關(guān)重要。

在實(shí)際的油井管需求中，對高強(qiáng)度無縫鋼管的沖擊韌性要求較高，試驗(yàn)鋼在這方面還有提高的空間，此次研究為進(jìn)一步研究和開發(fā)無碳化物貝氏體無縫鋼管奠定了基礎(chǔ)，隨著未來對試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分進(jìn)行更為合理的配比，制定更為完善的軋制工藝，無碳化物貝氏體鋼在無縫鋼管上將有更為廣泛的應(yīng)用。

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Study on Carbide-free Bainite Seamless Steel Pipe

Li Qiang,Zhang Bing

A type of carbide-free bainite steel suitable for high strength and high toughness seamless pipe was developed.As engineering test and analysis showed,when the above steel was rolled and tempered under low temperature,its microstructure consisted of carbide-free bainite and retained lamellar Austenite.This special metallographic structure enables the steel to possess high strength along with good toughness.Thus,this kind of steel is suitable for manufacturing high grade and even extra high grade oil casing.

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（收稿 2011－10－12 編輯 趙實(shí)鳴)

李強(qiáng)，高級工程師，天津大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)博士，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司總經(jīng)理。