低屈強(qiáng)比X65M管線鋼的研制

袁婷婷

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照276800）

1 前 言

管線運(yùn)輸是長(zhǎng)距離輸送石油、天然氣最經(jīng)濟(jì)合理的方式，隨著石油、天然氣需求量增加，管線鋼發(fā)展迅猛。為了提高輸送效益、降低能耗、減少投資，長(zhǎng)輸管線向高壓、大口徑輸送方向發(fā)展。同時(shí)對(duì)管線鋼提出了高強(qiáng)度、高韌性、高純凈度、良好焊接性、低屈強(qiáng)比的目標(biāo)要求。由于管線鋼運(yùn)行的地理環(huán)境復(fù)雜、氣候條件苛刻，其運(yùn)輸過(guò)程中的安全要求較高，而屈強(qiáng)比的大小代表材料從變形到斷裂的形變?cè)６?，通常將它作為衡量管道安全的重要參?shù)。近幾年國(guó)內(nèi)外眾多管道建設(shè)項(xiàng)目，如沙特等國(guó)家的管道建設(shè)項(xiàng)目紛紛提出了調(diào)質(zhì)型管線鋼的生產(chǎn)需求。因此，研究開(kāi)發(fā)調(diào)質(zhì)型低屈強(qiáng)比、高強(qiáng)度、高韌性的X65M管線產(chǎn)品來(lái)滿足工程需要有著重要意義。

2 管線鋼研制過(guò)程

2.1 性能要求

X65M管線鋼主要力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能要求

2.2 成分設(shè)計(jì)

當(dāng)碳含量控制在0.07%，Nb控制在0.042%時(shí)，試驗(yàn)鋼屈強(qiáng)比最低可到0.86，但強(qiáng)度較低。從強(qiáng)度機(jī)制方面考慮，各強(qiáng)化機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的作用程度不同。如位錯(cuò)強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度增幅大于抗拉強(qiáng)度增幅，因此位錯(cuò)密度的增加會(huì)導(dǎo)致屈強(qiáng)比增加；晶界強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度的增幅大于抗拉強(qiáng)度的增幅，因此晶粒的細(xì)化會(huì)導(dǎo)致屈強(qiáng)比增加。沉淀強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度的增幅略大于抗拉強(qiáng)度的增幅，沉淀析出使材料屈強(qiáng)比略增加。而固溶強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度的增幅略小于抗拉強(qiáng)度的增幅，因此固溶合金元素含量的增加使材料的屈強(qiáng)比減小。提高試驗(yàn)鋼中的C，增加了V的固溶強(qiáng)化作用，降低Nb的細(xì)晶強(qiáng)化作用。具體成分C 0.09%～0.12%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.45%～1.70%，P 0～0.02%，S 0～0.01%；Nb 0.030%～0.040%，Ti 0.015%～0.035%，V 0.040%～0.075%。

2.3 試制工藝

2.3.1 冶煉工藝

精煉過(guò)程根據(jù)目標(biāo)成分加入微調(diào)合金，LF鈣處理后，軟吹時(shí)間大于10 min，VD/RH保真空不低于15 min。連鑄控制要求：連鑄機(jī)應(yīng)處于良好的工況，全程惰性氣體保護(hù)澆鑄，全程軟吹氬，防止二次氧化。保持中包、結(jié)晶器液面穩(wěn)定，中包溫度目標(biāo)過(guò)熱度10～25℃。確保鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量，確保鑄坯C類偏析2.0以下，中心疏松0.5以下，不得有明顯夾雜及其他內(nèi)裂紋等缺陷的存在，無(wú)表面缺陷。

2.3.2 熱處理工藝

在常規(guī)管線鋼熱軋態(tài)TMCP生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，按照調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)18 cm厚的X65M管線鋼，淬火溫度選擇（870℃，900℃，910℃）。圖1為不同淬火溫度和不同回火溫度的熱處理試驗(yàn)后X65M管線鋼的力學(xué)性能變化。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，淬火工藝相同，隨著回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度依次降低，伸長(zhǎng)率逐漸提高，由于屈服強(qiáng)度降低的幅度較抗拉強(qiáng)度大，從而導(dǎo)致屈強(qiáng)比隨回火溫度的升高而降低。

當(dāng)回火溫度為640℃，鋼板屈強(qiáng)比達(dá)到0.89%～0.90%，當(dāng)回火溫度700℃時(shí)，900℃淬火鋼板屈強(qiáng)比較低為0.79%～0.81%，屈服和抗拉強(qiáng)度分別為400～404 MPa和496～508 MPa。后經(jīng)多次重復(fù)性試驗(yàn)可知，當(dāng)回火溫度選擇在660～680℃，不同回火溫度強(qiáng)度指標(biāo)差異非常大，660℃回火得到的組織為索氏體組織，屈服和抗拉強(qiáng)度分別為547 MPA、644 MPa。670℃回火，屈服和抗拉強(qiáng)度分別為520 MPa、608 MPa。660～670℃回火屈強(qiáng)比為0.79～0.85。

圖1 淬火溫度和回火溫度對(duì)X65M力學(xué)性能的影響

2.4 性能結(jié)果及組織分析

用濃度4%的硝酸酒精對(duì)金相試樣進(jìn)行浸蝕，并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，金相檢測(cè)組織如圖2所示。顯微組織為回火索氏體，從試樣邊部至厚度中心部位顯微組織較為均勻。

圖2 18 cm調(diào)制型X65M厚度方向金相組織形貌

試樣鋼淬火組織主要為板條馬氏體，淬火溫度以影響奧氏體晶粒尺寸和合金元素的固溶度，從而影響淬火組織。當(dāng)淬火溫度在870℃時(shí)，屈服強(qiáng)度較低，根據(jù)文獻(xiàn)可知，鋼板中有未溶解的鐵素體含量較高，鋼板未完全奧氏體化，淬火后強(qiáng)度會(huì)偏低。當(dāng)淬火溫度越高時(shí)，奧氏體晶粒尺寸就越大，淬火后得到的板條馬氏體的板條束尺寸也就越大，對(duì)強(qiáng)度不利；另一方面，由于試驗(yàn)鋼中含有Ti、V、Cu和Nb等合金元素，淬火加熱溫度越高，合金元素的固溶量就越多，在回火過(guò)程中會(huì)有更多的合金元素及其碳氮化物析出，較有利于提高屈服強(qiáng)度，提高屈強(qiáng)比。對(duì)試驗(yàn)鋼而言，最終的力學(xué)性能受這二方面共同作用。可知當(dāng)淬火溫度為900℃時(shí)，能達(dá)到較好的力學(xué)性能匹配。

淬火后得到組織以板條組織為主，淬火態(tài)具有較高的硬度。試樣鋼的回火是一種回復(fù)過(guò)程，回火過(guò)程中析出相不斷增多，析出強(qiáng)化作用不斷增強(qiáng)。固溶強(qiáng)化效果與組織中固溶元素的濃度成正比，與之相對(duì)應(yīng)的是由于析出相增加，合金元素的固溶比例不斷減少，固溶強(qiáng)化效果減弱。回火溫度660℃時(shí)，回火組織為均勻的回火索氏體，回火溫度繼續(xù)升高到670℃以上時(shí)晶粒長(zhǎng)大，板條束寬度增加，發(fā)生多邊形化，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼強(qiáng)度下降。淬火溫度900℃，回火溫度660～670℃時(shí)，多次試驗(yàn)落錘＞80%，屈強(qiáng)比小于0.85。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼板900℃淬火回火后，低于660℃回火后組織均為均勻的回火索氏體組織，屈服和抗拉強(qiáng)度比較高，屈強(qiáng)比達(dá)到了0.89；680℃以上回火組織由準(zhǔn)多邊形鐵素體+針狀鐵素體+邊部塊狀的鐵素體組織構(gòu)成，組織和強(qiáng)度變化的拐點(diǎn)在670℃。900℃淬火+660～670℃回火能達(dá)到最佳性能匹配。