碳、鉻、鉬元素對(duì)X70管線鋼顯微組織與性能的影響

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(1.南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，南京 210035；2.北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083；3.北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心，北京 100083)

0 引 言

目前，單一的鐵路長(zhǎng)距離運(yùn)輸嚴(yán)重制約了我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展，采用長(zhǎng)距離、大運(yùn)量管道輸送是改善煤炭運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，促進(jìn)煤炭工業(yè)快速發(fā)展的一種有效途徑，該運(yùn)輸方式具有適應(yīng)性強(qiáng)、占地少、受外界干擾小、抗災(zāi)害能力強(qiáng)、全天候運(yùn)輸、運(yùn)輸效率高、可減輕生態(tài)環(huán)境壓力等優(yōu)點(diǎn)[1]。不同于傳統(tǒng)石油天然氣的運(yùn)輸，煤炭的管道運(yùn)輸采用固液兩相的煤漿流體運(yùn)輸方式，輸送壓力較大(10～15 MPa)，這對(duì)輸煤管道材料的要求較高，管道材料除了應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性、低的脆性和較強(qiáng)的抗疲勞強(qiáng)度外，還應(yīng)具有較高的耐磨性[2]。在煤炭運(yùn)輸過程中，磨損一般發(fā)生在管線鋼管與煤炭的接觸表面，因而管線鋼的耐磨性主要取決于其基體的顯微組織[3]。目前，國(guó)內(nèi)已建成的輸煤管道大多采用X系列的高強(qiáng)度管線鋼管。低碳、高錳微合金化的成分體系設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的控軋控冷工藝可使管線鋼獲得以針狀鐵素體為主的顯微組織和優(yōu)良的綜合性能[4]，但目前,我國(guó)煤漿流體運(yùn)輸專用管線鋼的開發(fā)尚處于空白階段[5]。傳統(tǒng)X70管線鋼的強(qiáng)度和韌性基本滿足石油、天然氣運(yùn)輸管線的要求，但其耐磨性能并不能滿足煤炭運(yùn)輸管線的要求。因此，為適應(yīng)煤炭運(yùn)輸管線建設(shè)的需求，作者通過改變傳統(tǒng)X70管線鋼成分中碳、鉻和鉬元素的含量并經(jīng)控軋控冷獲得不同顯微組織的管線鋼，分析了碳、鉻、鉬元素的含量對(duì)X70管線鋼顯微組織、力學(xué)性能和耐磨性能的影響，為強(qiáng)度和可加工性均滿足傳統(tǒng)X70管線鋼要求的新型耐磨管線鋼的開發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料包括工業(yè)純鐵、中碳錳鐵、硅鐵和碳粉等。在傳統(tǒng)X70管線鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上適量改變碳、鉬、鉻等合金元素的含量，設(shè)計(jì)得到試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示。按照表1中的化學(xué)成分稱取原料，采用ZG-0.025型真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉，真空度為10 Pa，得到質(zhì)量為20 kg的鑄坯；鑄坯經(jīng)過1 200 ℃×4 h均勻化處理后在YPD型液壓鐓鍛機(jī)上進(jìn)行鍛造，得到尺寸為80 mm×90 mm×100 mm的方形鋼坯；將鋼坯加熱至1 200 ℃保溫1 h，出爐待溫度降至1 100 ℃后在350型可逆式熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行4道次粗軋，每道次的變形量依次為20，16，13，11 mm，總壓下量為60%，待溫度降至1 000 ℃進(jìn)行5道次精軋，每道次的變形量依次為10，8，6，3，2 mm，終軋溫度為820 ℃，最終板厚為11 mm，隨后水冷至550 ℃后空冷。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of the testedsteels (mass) %

在試驗(yàn)鋼板中心位置截取金相試樣，經(jīng)機(jī)械打磨、拋光和用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用ZEISSULTRA 55型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織。

根據(jù)API SPEC 5L，在試驗(yàn)鋼板上取樣并分別進(jìn)行拉伸性能和低溫沖擊性能測(cè)試。在CMT5605型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣的標(biāo)距為50 mm，寬度為10 mm；在E22.452型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-20 ℃。

在MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為57 mm×25 mm×6 mm，磨損試驗(yàn)前，試樣經(jīng)1000#砂紙打磨后，用超聲波清洗，充分干燥后用精度0.000 1 g的分析天平稱取試樣的質(zhì)量，磨損過程中裝置內(nèi)壓力為12 MPa，試驗(yàn)溫度為(20±2)℃，試樣旋轉(zhuǎn)線速度為2 m·s-1，試驗(yàn)時(shí)間為72 h。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，試樣經(jīng)超聲波清洗，干燥后用相同天平稱取其質(zhì)量，通過磨損前后試樣的質(zhì)量差(磨損質(zhì)量損失)來(lái)評(píng)價(jià)其相對(duì)耐磨性，不同試驗(yàn)鋼均重復(fù)進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳元素對(duì)組織和性能的影響

由圖1可以看出：1#,2#,3#試驗(yàn)鋼的顯微組織均主要為針狀鐵素體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體；隨著碳含量的增加，準(zhǔn)多邊形鐵素體的數(shù)量減少，粒狀貝氏體的數(shù)量增加。

由表2可知,隨著碳含量的增加，試驗(yàn)鋼的低溫沖擊功和抗拉強(qiáng)度增大，而伸長(zhǎng)率與屈強(qiáng)比則降低。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能均滿足API SPEC 5L對(duì)X70耐磨管線鋼的要求。1#，2#，3#試驗(yàn)鋼的磨損質(zhì)量損失分別為0.154 2，0.196 5，0.199 2 g。這表明隨著碳含量的增加，試驗(yàn)鋼的耐磨性提高。由于粒狀貝氏體的硬度與強(qiáng)度均高于鐵素體的，因此試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和耐磨性均隨碳含量的增加而提高。同時(shí)，碳含量的增加還可增加鋼中的固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用。但管線鋼為熱軋態(tài)，碳的固溶度有限，過高的碳含量會(huì)引起馬氏體/奧氏體(M/A)島顆粒排列趨于直線，有利于裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致管線鋼塑性的下降，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其焊接性與耐腐蝕性能的降低[6-7]，因此管線鋼宜采用低碳(或超低碳)的化學(xué)成分設(shè)計(jì)。在低碳(或超低碳)范圍內(nèi)，適量增加碳含量可以提高管線鋼的耐磨性。

表2 不同碳含量試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the tested steel withdifferent C content

圖1 不同碳含量試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of tested steels with different C content: (a) 1# tested steel; (b) 2# tested steel and (c) 3# tested steel

2.2 鉻元素對(duì)組織和性能的影響

由圖2可知：4#,5#試驗(yàn)鋼的顯微組織均主要為針狀鐵素體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體；與圖1(a)對(duì)比分析可知，隨著鉻含量的增加，晶粒尺寸變小，M/A島含量增加，4#試驗(yàn)鋼中M/A島主要為顆粒狀，彌散分布在鐵素體基體上，1#試驗(yàn)鋼中M/A島主要為板條狀，沿鐵素體板條方向排列，5#試驗(yàn)鋼中長(zhǎng)條狀M/A島的含量較多，粒狀M/A島沿著鐵素體板條方向分布，具有明顯的方向性。

圖2 不同鉻含量試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of tested steels with different Cr content: (a) 4#tested steel and (b) 5# tested steel

由表3結(jié)合1#試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能分析可知，隨著鉻含量的增加，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均整體呈升高趨勢(shì)，而低溫沖擊功、伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比降低。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能滿足API SPEC 5L對(duì)X70耐磨管線鋼的要求。4#，5#試驗(yàn)鋼的磨損質(zhì)量損失分別為0.172 0，0.131 6 g，對(duì)比1#試驗(yàn)鋼的可知，隨著鉻含量的增加，試驗(yàn)鋼的耐磨性提高。鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，可以提高奧氏體的穩(wěn)定性，同時(shí)可以降低鋼的臨界冷卻速率，提高淬透性，細(xì)化組織，因此隨著鉻含量的增加，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度提高。沿板條方向分布的條狀M/A島可以提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性，但是這種形貌的M/A島容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂紋萌生，降低沖擊韌性，因此隨著鉻含量的增加，試驗(yàn)鋼的韌性下降。

表3 不同鉻含量試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of tested steels withdifferent Cr content

2.3 鉬元素對(duì)組織和性能的影響

由圖3可知：添加鉬元素后，6#,7#試驗(yàn)鋼的組織主要為少量針狀鐵素體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，這是由于適量的鉬元素可促進(jìn)針狀鐵素體形成，抑制塊狀鐵素體的形成，推遲貝氏體相變；隨著鉬含量的增加，多邊形鐵素體數(shù)量增加，長(zhǎng)條狀M/A島和粒狀貝氏體逐漸消失。

表4 不同鉬含量試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of the tested steels withdifferent Mo content

圖3 不同鉬含量試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of tested steels with different Mo content: (a) 6# tested steel and (b) 7# tested steel

由表4可知：鉬元素的添加對(duì)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度并沒有顯著的影響，隨著鉬含量的增加，屈強(qiáng)比先增后降，低溫沖擊功降低，伸長(zhǎng)率先降后增。試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能滿足API SPEC 5L對(duì)X70耐磨管線鋼的要求。6#，7#試驗(yàn)鋼的質(zhì)量損失分別為0.159 6，0.134 3 g，結(jié)合1#試驗(yàn)鋼的磨損質(zhì)量損失分析可知，少量鉬元素的添加會(huì)略微降低鋼的耐磨性，但鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.22%時(shí)，試驗(yàn)鋼的耐磨性得到提高。鉬是高強(qiáng)度管線鋼中重要的合金元素，可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，促進(jìn)針狀鐵素體形成，同時(shí)也可以與碳形成碳化物，或與奧氏體、鐵素體形成固溶體，起到固溶強(qiáng)化的作用，因此試驗(yàn)鋼在含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.04～0.07%的條件下仍具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。少量鉬元素在促進(jìn)針狀鐵素體形成的同時(shí)，也降低了長(zhǎng)條狀M/A島的數(shù)量，削弱了粒狀貝氏體對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用，降低了鋼的塑性，因此耐磨性降低；當(dāng)鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.22%時(shí)，鐵素體相區(qū)擴(kuò)大，組織由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，多邊形鐵素體的塑性較好，粒狀貝氏體對(duì)裂紋擴(kuò)展有阻礙作用，因此試驗(yàn)鋼的耐磨性提高。但是，過多鉬元素的加入會(huì)造成生產(chǎn)成本的提高，因此需要控制鉬元素的加入量。

3 結(jié) 論

(1) 在X70管線鋼成分基礎(chǔ)上，調(diào)整碳、鉬、鉻含量所制備的試驗(yàn)鋼的顯微組織均主要由針狀鐵素體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體組成，其力學(xué)性能均滿足API SPEC 5L對(duì)X70管線鋼的要求。

(2) 適當(dāng)增加碳元素或鉻元素的含量均可提高試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和耐磨性，但降低其塑性；鉬元素對(duì)試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度沒有顯著的影響，當(dāng)鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至0.22%時(shí)，試驗(yàn)鋼的耐磨性先降后升。