鉻對厚規(guī)格管線鋼組織和性能的影響

供稿|吳國璽，劉艷超 /

作者單位：1. 東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2. 遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004

內(nèi)容導(dǎo)讀

厚規(guī)格管線鋼的韌性穩(wěn)定控制是研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題。為了提高心部淬透性，通常采用增加Mo合金的方法，但研究發(fā)現(xiàn)，隨著Mo含量的增加，貝氏體組織中MA組元增加，管線鋼韌性明顯降低。為了提高淬透性同時減少MA組元形成。文章借助JMatPro軟件對不同合金進行理論計算，最終發(fā)現(xiàn)Cr具有部分替代Mo的可能；借助金相顯微鏡、掃描電鏡以及力學(xué)性能測試等分析手段進行研究分析，結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo，管線鋼依然可以獲得鐵素體+貝氏體為主的組織，同時，可有效避免MA組元形成，最終因Cr部分替代Mo使組織中MA組元總量明顯減少，進而提高了管線鋼韌性，特別是DWTT性能，工業(yè)試制后達到了預(yù)期目的。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，社會對能源的依賴程度也與日俱增，石油和天然氣是目前使用的最主要的能源介質(zhì)，其運輸成本所占比例較高[1，2]。眾所周知，采用管道運輸是最為經(jīng)濟、快捷的方法，而提高管徑、增加輸送壓力則是提高管道運輸效率的最有效途徑。此前，相關(guān)研究多集中于如何提高管線鋼鋼級，采用提高管線鋼強度的方法實現(xiàn)高壓輸送[3]。然而，隨著強度的提高，韌性降低問題無法有效解決。X90以上鋼級管線鋼尚不具備批量使用的條件[4]。如今，管線鋼的研究熱點轉(zhuǎn)為寬幅厚規(guī)格產(chǎn)品的研發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)方面。

國內(nèi)大多數(shù)具備卷板生產(chǎn)能力的企業(yè)均可穩(wěn)定生產(chǎn)X80及以下鋼級管線鋼，但能夠穩(wěn)定生產(chǎn)厚規(guī)格X70和X80管線鋼的企業(yè)卻寥寥無幾。即使部分企業(yè)能夠供貨，其成材率和穩(wěn)定性也存在很大問題。究其原因在于厚規(guī)格產(chǎn)品的韌性、尤其是DWTT性能無法穩(wěn)定控制，這已經(jīng)成為厚規(guī)格管線鋼產(chǎn)品生產(chǎn)的主要瓶頸[5]。厚規(guī)格管線鋼的韌性穩(wěn)定控制是一個很復(fù)雜的問題，本文針對這一問題在合金設(shè)計方面進行研究和探討，并提出合理的合金設(shè)計理念，現(xiàn)場應(yīng)用獲得較理想的效果。

研究方法及測試技術(shù)

試樣制備

首先使用JMatPro軟件，通過理論計算研究Cr和Mo合金對相變的影響。然后，利用100 kg真空感應(yīng)爐分別冶煉不添加Cr和以及采用Cr部分替代Mo合金的試驗鋼，經(jīng)實驗室鍛造，采用控軋控冷技術(shù)制備成18 mm厚板材，終軋溫度控制在880℃，冷卻到450℃后，移入馬弗爐中緩冷處理，以模擬卷取工藝。兩種成分的試驗鋼均采用相同工藝生產(chǎn)，試驗鋼成分如表1所示。

表1 試制鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

測試技術(shù)

拉伸實驗采用CMT30微機控制電子萬能實驗機，實驗溫度為室溫(25℃)，結(jié)果按照GB/T 228—2002“金屬材料室溫拉伸實驗方法”直接通過測試軟件得出。沖擊試驗按照國標GB/T 229—1994測試，試驗設(shè)備為JBW-500沖擊試驗機，沖擊能量為500 J·cm–2，測試溫度為–40℃。為了考察沖擊韌性的穩(wěn)定性，對兩樣品分別進行30組沖擊試驗，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。金相組織和斷口組織分析使用金相顯微鏡(OLYMPUS-BX51)和掃描電鏡(SSX-550)。

實驗結(jié)果與討論

組織與沖擊韌性

管線鋼沖擊韌性是最重要的指標之一，厚規(guī)格管線鋼研發(fā)難度主要在韌性的穩(wěn)定控制方面。管線鋼組織對沖擊韌性影響非常明顯，這方面研究也相對較多[6]。一般認為管線鋼以粒狀貝氏體為主，同時含有少量準多邊形鐵素體和貝氏體鐵素體的混合組織對提高韌性有利，混合組織因大角度晶界較多，對裂紋擴展阻礙作用顯著。

截取DWTT沖擊斷口下部組織進行分析，如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)，厚規(guī)格管線鋼因淬透性較差，靠近心部組織以粒狀貝氏體為主，且組織中MA組元較多，尺寸較大，呈獨立分布形貌特征。經(jīng)掃描電鏡檢驗發(fā)現(xiàn)，二次裂紋大部分在MA組元位置萌生和擴展。而且，靠近斷口位置MA組元萌生的裂紋已經(jīng)擴展并連接到一起。進而可以推斷，該樣品沖擊斷裂與MA組元有直接關(guān)系。

為了進一步研究MA組元對沖擊韌性的影響，分別選取實際生產(chǎn)的不同沖擊韌性實驗殘樣進行金相組織分析，統(tǒng)計宏觀MA組元含量與沖擊韌性之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。隨著MA組元含量增加，沖擊韌性呈明顯降低趨勢。統(tǒng)計結(jié)果與金相分析結(jié)果一致，即管線鋼組織以粒狀貝氏體為主時，MA組元含量減少有利于提高沖擊韌性。

成分與組織

Mo是提高淬透性較理想的合金元素，特別是高級管線鋼，添加一定含量的Mo可以顯著推遲鐵素體轉(zhuǎn)變，獲得針狀鐵素體組織，有利于提高管線鋼韌性。但在研發(fā)厚規(guī)格管線鋼時發(fā)現(xiàn)，Mo含量添加過多韌性反而降低。對一批次23爐X80管線鋼現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計回歸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mo含量0.2%～0.3%時，隨著Mo含量增加，X80管線鋼沖擊韌性呈現(xiàn)降低趨勢。

圖1 管線鋼沖擊斷口組織形貌特征

圖2 MA組元含量對沖擊韌性的影響

對比同批次生產(chǎn)不同Mo含量管線鋼金相組織中MA組元情況，如圖3所示，當(dāng)Mo質(zhì)量分數(shù)由0.21%增加至0.26%時，MA組元由6.1%增加至11.8%，沖擊韌性則由385 J降低至285 J。進一步說明，Mo含量增加導(dǎo)致管線鋼中MA組元增加，引起沖擊韌性降低。因此，對于厚規(guī)格管線鋼，應(yīng)限制Mo合金的添加量，但為了保障心部組織淬透性，需要采用其他合金部分替代Mo合金。

因此，采用JMatPro軟件對多種合金進行計算和分析，最終提出Cr合金可以部分替代管線鋼中Mo合金的方案，理論計算不同合金設(shè)計條件下管線鋼的CCT曲線如圖4所示，成分如表1所示。

圖3 不同Mo含量管線鋼中的MA組元含量

圖4 Cr部分替代Mo合金條件下管線鋼的CCT曲線

厚規(guī)格管線鋼實際生產(chǎn)采用的冷卻速率通常為25～40℃/s，理論計算結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金的成分設(shè)計，同樣可以獲得鐵素體、貝氏體混合組織，同時可以有效避免組織中形成馬氏體，即減少MA組元的形成。因此，采用該成分設(shè)計進行了實驗室冶煉和軋制工作，制備18 mm厚度板材，進行相關(guān)測試工作。

力學(xué)性能

對比兩種合金設(shè)計方案力學(xué)性能測試結(jié)果表明，添加Cr部分替代Mo合金，管線鋼的強度變化不明顯，但沖擊韌性發(fā)生顯著變化。–40℃沖擊試驗統(tǒng)計結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金，管線鋼沖擊韌性明顯提升。此外，沖擊韌性數(shù)據(jù)波動范圍也明顯變窄，即減少Mo合金，添加少量Cr合金后沖擊韌性穩(wěn)定提高。

對比不同成分設(shè)計試驗鋼金相組織發(fā)現(xiàn)，Mo含量降低后，斷口組織中MA組元明顯減少，準多邊形鐵素體略有提高，如圖5所示。實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，減少管線鋼中Mo合金含量，采用添加Cr合金的方式提高管線鋼淬透性，使得管線鋼組織中MA組元減少，進而起到提高沖擊韌性的目的。

圖5 不同成分管線鋼沖擊斷口組織形貌特征

依據(jù)上述研究結(jié)果，現(xiàn)場進行試制，對比前后兩批次不同成分設(shè)計管線鋼力學(xué)性能，采用Cr部分替代Mo合金化方法后，管線鋼沖擊韌性穩(wěn)定提高35 J，落錘撕裂性能DWTT數(shù)據(jù)穩(wěn)定，現(xiàn)場試驗結(jié)果與實驗研究結(jié)果相吻合。此后，在21.4 mm厚規(guī)格管線鋼的研發(fā)生產(chǎn)過程中，也采用了這項技術(shù)，所生產(chǎn)的厚規(guī)格管線鋼性能穩(wěn)定，DWTT性能提升顯著。

結(jié)束語

(1) 厚規(guī)格管線鋼DWTT性能不穩(wěn)定與組織中MA組元較多有關(guān)，斷口金相分析以及統(tǒng)計結(jié)果均表明，MA組元易萌生微裂紋并有利于裂紋擴展，而隨著MA組元含量的增加，管線鋼韌性降低明顯。為了提高管線鋼韌性，尤其是DWTT性能，需要嚴格控制組織中MA組元的含量。

(2) 為了提高淬透性，管線鋼中需添加較多的Mo合金，有利于獲得準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體混合組織，對提高管線鋼強度和韌性有利，但Mo導(dǎo)致MA組元形成數(shù)量增加，對提高韌性不利。因此，厚規(guī)格管線鋼應(yīng)適當(dāng)控制Mo合金的添加量。

(3) 理論計算表明，Cr可以部分替代Mo合金，保障獲得足夠的準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，同時有利于減少MA組元形成。–40℃沖擊試驗統(tǒng)計結(jié)果表明，采用Cr部分替代Mo合金后，管線鋼沖擊韌性明顯提升。此外，沖擊韌性數(shù)據(jù)波動范圍也明顯變窄，即減少Mo合金，添加少量Cr合金以后沖擊韌性穩(wěn)定提高。

(4) 采用Cr部分替代Mo合金的成分設(shè)計，工業(yè)生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的厚規(guī)格(21.4 mm)X80管線鋼。