高鋼級(jí)管線鋼回火再結(jié)晶現(xiàn)象分析

趙興亮，李 艷，劉江成，侯 強(qiáng)，扈 立，趙春輝，張國柱

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

管道輸送作為一種流體輸送方式，具有經(jīng)濟(jì)、安全、高效、不間斷和無污染等特點(diǎn)。隨著介質(zhì)輸送壓力的增大，基于API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》的高鋼級(jí)管線管需求逐漸增加［1-2］。對(duì)于高鋼級(jí)的無縫鋼管，目前需求較多的為PSL2 X65Q、PSL2 X60Q鋼級(jí)，為了改善焊接性能，一般采用C-Mn-V-Nb系列生產(chǎn)［3-5］，保證較低的冷裂紋敏感指數(shù)Pcm和碳當(dāng)量CEV［6-7］，通過淬火+回火的熱處理工藝，保證了性能達(dá)到要求。在熱處理過程中由于設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致鋼管性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以通過二次熱處理進(jìn)行改善。

1 生產(chǎn)情況

在生產(chǎn)PSL2 X60Q鋼級(jí)Φ323.9 mm×14.30 mm規(guī)格的高鋼級(jí)管線管過程中，由于設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致鋼管在回火爐中長時(shí)間停留（高溫區(qū)保溫2.5 h），后續(xù)進(jìn)行性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼管性能異常，鋼管力學(xué)性能分析結(jié)果見表1，試樣1為悶爐鋼管，試樣2為正常鋼管，悶爐后鋼管的力學(xué)性能顯著降低。因此，對(duì)此鋼管進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、中、外壁組織完全不同，內(nèi)、外壁同時(shí)出現(xiàn)疑似“脫碳”現(xiàn)象。初步測量試樣1的疑似脫碳層深度和晶粒度，內(nèi)壁脫碳層深度5.2 mm，外壁脫碳層深度2.2 mm；脫碳層區(qū)域晶粒度6.5級(jí)，中間基體晶粒度8.0級(jí)。試樣1的疑似脫碳層如圖1所示。

表1 鋼管力學(xué)性能分析結(jié)果

圖1 試樣1的疑似內(nèi)壁脫碳層

由于悶爐發(fā)生在回火爐，回火爐溫度一般在640～660℃，這一溫度區(qū)間一般不會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象，因此針對(duì)脫碳層進(jìn)行了化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表2。從化學(xué)成分看，碳含量并未減少，與熔煉分析是同一個(gè)數(shù)值，由此可見上述脫碳層深度不應(yīng)是真實(shí)的脫碳層深度。

表2 疑似脫碳層的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 %

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

鋼的脫碳是一個(gè)不可逆反應(yīng)，需要通過高溫長時(shí)間滲碳處理才能恢復(fù)［8］。為了進(jìn)一步確定脫碳層的真實(shí)深度。把試樣1重新進(jìn)行930℃淬火，因?yàn)橛衷黾恿艘淮胃邷丶訜?，脫碳層只能在原來的基礎(chǔ)上加深不可能減少，原先脫碳部位經(jīng)過重新淬火后，如果真是脫碳，組織應(yīng)該是以鐵素體為主，但實(shí)際情況重新淬火后在原先脫碳部位存在的大部分是板條馬氏體組織，只在試樣的內(nèi)、外表面附近有鐵素體組織，重新測量的脫碳層內(nèi)壁深度0.25 mm，外壁深度0.30 mm，顯微鏡下觀察試樣內(nèi)、外壁脫碳情況如圖2所示。

圖2 試樣內(nèi)、外壁脫碳情況

顯然這次檢測的脫碳層內(nèi)、外壁深度遠(yuǎn)低于第一次的測量結(jié)果，經(jīng)過了再一次的熱處理后管線管的脫碳層不但沒有增加，反而減少，可以肯定第一次評(píng)定的脫碳層不是鋼真實(shí)的脫碳層，而是發(fā)生了調(diào)質(zhì)后的再結(jié)晶。

3 再結(jié)晶現(xiàn)象分析

3.1 再結(jié)晶現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

回火過程中，隨著馬氏體的分解和特殊碳化物的析出，使過飽和α固溶體中碳含量下降，晶格畸變得到很大程度回復(fù)，α相將進(jìn)行再結(jié)晶，形成多邊形鐵素體晶粒，該晶粒由再結(jié)晶的鐵素體和均勻分布的細(xì)條狀滲碳體組成。在碳鋼中α相高于400℃開始回復(fù)，500℃開始再結(jié)晶［9-10］。由于合金元素阻礙了馬氏體的分解，使α相的馬氏體形態(tài)保持到更高的回火溫度，因此提高了鐵素體的再結(jié)晶溫度。Si和Mn稍微提高α相的再結(jié)晶溫度；Mo、Cr、V等能顯著提高α相的再結(jié)晶溫度，1%～2%Cr、1%～2%Mo可使再結(jié)晶溫度提高到650℃左右。在幾種合金元素的綜合作用下，α相的再結(jié)晶溫度提高更為顯著［11-15］。再結(jié)晶也需要時(shí)間，0.1%C、0.5%V鋼種在600℃回火50 h后才開始再結(jié)晶。

PSL2X60Q鋼級(jí)管線管的成分，C含量為0.09%，較套管低，V的含量只有0.04%，Mn含量較多為1.26%，Si含量為0.24%，但Mn、Si元素提高再結(jié)晶溫度的作用不大。因此，PSL2 X60Q鋼級(jí)管線管在淬火后高溫區(qū)回火2.5 h發(fā)生了α相的再結(jié)晶及晶粒長大，晶粒度由平時(shí)的8～9級(jí)長大到6.5級(jí)。試樣再結(jié)晶處和中間部位晶粒度如圖3～4所示。

圖3 試樣再結(jié)晶處晶粒度6.5級(jí)

圖4 試樣中間部位晶粒度8.0級(jí)

試樣中間部位晶粒度8.0級(jí)，再結(jié)晶處6.5級(jí)，為什么同一塊試樣晶粒有的區(qū)域長大有的區(qū)域沒有長大？天津鋼管制造有限公司水淬能達(dá)到的速度為80℃/s左右，整個(gè)鋼管無法全部獲得馬氏體組織，內(nèi)、外壁附近冷卻速度快，得到M組織，中間冷卻速度慢（小于 80 ℃/s）淬火得到 B+F+M少［9］。從試樣上已經(jīng)證實(shí)，這樣回火后管體內(nèi)、外壁附近的M組織在爐內(nèi)高溫區(qū)保溫2.5 h發(fā)生了α相的回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大，而B+F組織一般情況下沒有這種現(xiàn)象產(chǎn)生，所以造成上述情況出現(xiàn)。

3.2 再結(jié)晶試樣的調(diào)質(zhì)處理分析

將生產(chǎn)的余料切成片狀，開展小試樣的熱處理試驗(yàn)。先進(jìn)行960℃×30 min淬火，再回火，回火后空冷至室溫，兩次回火熱處理制度見表3。

表3 兩次回火熱處理制度

觀察一次回火和二次回火的金相組織，PSL2 X60Q管線管由于合金含量少，淬透性較低，淬火時(shí)馬氏體含量受加熱溫度、水溫、水流量、流速的影響較大，此次熱處理時(shí)加熱到960℃淬火，固溶到鋼中的合金元素含量增加，淬透性增加，淬火后馬氏體含量比通常增多，一次回火組織是S回+B回+F極少，一次回火內(nèi)壁組織形貌如圖5所示。

圖5 一次回火內(nèi)壁組織形貌

二次回火650℃×20 min內(nèi)壁組織形貌如圖6所示，淬火時(shí)得到的板條馬氏體和貝氏體形態(tài)完好，沒有發(fā)生馬氏體回火后的再結(jié)晶。二次回火650℃×40 min內(nèi)壁組織形貌如圖7所示，同樣沒發(fā)生再結(jié)晶。二次回火650℃×60 min內(nèi)壁組織形貌如圖8所示，部分組織發(fā)生再結(jié)晶，在試樣內(nèi)壁2 mm內(nèi)組織形貌已發(fā)生了改變，基體已轉(zhuǎn)化成等軸鐵素體。二次回火溫度650℃保溫40 min以內(nèi)，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。

圖6 二次回火650℃×20 min內(nèi)壁組織形貌

圖7 二次回火650℃×40 min內(nèi)壁組織形貌

圖8 二次回火650℃×60 min內(nèi)壁組織形貌

二次回火670℃×60 min的組織再結(jié)晶形貌如圖9所示，一次回火中還存在著淬火時(shí)得到的板條馬氏體和板條貝氏體。670℃再次回火60 min后，板條馬氏體和板條貝氏體已經(jīng)消失，組織已經(jīng)轉(zhuǎn)化成鐵素體基體和均勻分布的碳化物顆粒。由此可見溫度越高越容易發(fā)生再結(jié)晶，如果選擇670℃回火，保溫時(shí)間應(yīng)該相應(yīng)縮短。

圖9 二次回火670℃×60 min的組織再結(jié)晶形貌

4 再結(jié)晶現(xiàn)象消除

再結(jié)晶現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致鋼管性能的異常，因此要避免鋼管在調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，在出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象的情況下要重新進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。此批悶爐鋼管通過重新熱處理，其組織形貌如圖10所示，為B回+S回+F少，力學(xué)性能滿足API Spec 5L—2012的要求，悶爐鋼管再次熱處理后的力學(xué)性能見表4。

圖10 重新熱處理組織形貌

表4 悶爐鋼管再次熱處理后的力學(xué)性能

5 結(jié) 論

（1）PSL2 X60Q管線管在高溫長時(shí)間回火，發(fā)生了回火再結(jié)晶。發(fā)生回火再結(jié)晶后，板條馬氏體和板條貝氏體已經(jīng)消失，組織已經(jīng)轉(zhuǎn)化成鐵素體基體和均勻分布的碳化物顆粒；同時(shí)，晶粒明顯長大，顯著降低了力學(xué)性能（強(qiáng)度和硬度）。

（2）PSL2 X60Q鋼級(jí)管線管除了Mn含量稍高，采用微合金化，其余合金元素含量都不高，而Mn對(duì)提高再結(jié)晶溫度的作用不大。由于提高再結(jié)晶溫度的合金元素含量少，馬氏體組織高溫回火時(shí)間或溫度控制不當(dāng)時(shí)易發(fā)生再結(jié)晶，造成鋼的強(qiáng)度和硬度大幅下降。因此，生產(chǎn)高鋼級(jí)管線鋼時(shí)要嚴(yán)格控制回火溫度和保溫時(shí)間，如果發(fā)生了再結(jié)晶可以通過重新調(diào)質(zhì)處理來挽救。