Nb 對(duì)承荷探測(cè)電纜鎧裝鋼珠光體組織的影響

喬文瑋，馮路路，2，楊恒勇，夏迪星

（1.江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇 高郵225613；2. 武漢科技大學(xué)高性能鋼鐵材料及其應(yīng)用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430081；3. 揚(yáng)州廣電網(wǎng)絡(luò)有限公司，江蘇 揚(yáng)州225009）

1 引言

承荷探測(cè)電纜又稱(chēng)石油測(cè)井電纜，主要應(yīng)用在井下油礦探測(cè)的工程中，屬于石油工人的眼睛。井下到底是油氣混合還是單純的石油完全靠電纜傳回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，其重要性可想而知[1]。此外，電纜的工況環(huán)境極其惡劣，不僅需要在黑暗的環(huán)境中使用，而且需要承受一定的載荷。隨著石油開(kāi)采的深度不斷增加，電纜常常要在10 000m 甚至更深的地下工作，其工作的溫度和壓力也在不斷增加，因此，需要可靠性非常高的鋼絲鎧裝來(lái)進(jìn)行防護(hù)[2]。通常，電纜外護(hù)層的材料為橡膠或塑料，但橡膠或塑料的制備工藝非常復(fù)雜，而且機(jī)械強(qiáng)度較低，不能滿(mǎn)足海洋工程與油氣勘探用承荷探測(cè)電纜的工藝要求。

我國(guó)在1977 年開(kāi)始使用鎧裝鋼絲進(jìn)行承荷探測(cè)電纜的制造，逐漸發(fā)展為抗拉強(qiáng)度為1 860～1 960MPa 的鎧裝鋼絲[3]。近年來(lái)，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，逐漸開(kāi)始研發(fā)抗拉強(qiáng)度為2 260MPa的鎧裝鋼絲，所采用的成分設(shè)計(jì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.92%的C，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99%的Si 和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%的Mn，并添加一定量的Cr 和V，軋制為盤(pán)條進(jìn)行斯太爾莫控制冷卻后，重新加熱升溫進(jìn)行等溫淬火處理索氏體化處理，獲得全片層的珠光體組織，其珠光體組織的微觀結(jié)構(gòu)決定了其綜合的力學(xué)性能，例如，機(jī)械強(qiáng)度。因此，鎧裝鋼珠光體組織的細(xì)化以及均勻化程度極其重要。微合金化Nb 元素具有細(xì)化晶粒的作用，經(jīng)常使用在調(diào)控鋼材的組織性能上，但是Nb 元素對(duì)承荷電纜用鎧裝鋼珠光體組織的影響需要進(jìn)一步明確。本文設(shè)計(jì)了2 種不同的試驗(yàn)鋼，1 種添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的Nb，1 種不添加Nb 元素，對(duì)比分析Nb 元素添加對(duì)承荷電纜鎧裝鋼珠光體組織的影響。

2 化學(xué)成分

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1 所示，1#試驗(yàn)鋼為添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%的Nb，2#（Free-Nb）試驗(yàn)鋼為未添加Nb。在軋鋼廠將試驗(yàn)鋼軋制為φ6.5mm 的盤(pán)條，空冷至室溫。在盤(pán)條上截取長(zhǎng)度為10mm 的試樣若干。將式樣在箱式電阻爐中以1℃/s的速度升溫至950℃，保溫5min 后取出放置在650℃的真空退火爐中進(jìn)行等溫處理，處理時(shí)間10min，然后取出空冷至室溫。采用掃描電子顯微鏡（SEM，Sirion 400）和透射電鏡觀察（TEM,JEM 2010HT）觀察試驗(yàn)鋼微觀組織形貌。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Nb 對(duì)試驗(yàn)鋼珠光體團(tuán)簇的影響

1#、2#試驗(yàn)鋼在掃描電子顯微鏡下的微觀組織形貌如圖1所示。從圖1 中可以看出，1#試驗(yàn)鋼的珠光體團(tuán)簇比2#試驗(yàn)鋼要細(xì)小，采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，1#試驗(yàn)鋼珠光體團(tuán)簇的大小約為（7.9±3.1）μm，2#試驗(yàn)鋼的珠光體團(tuán)簇的大小約為（10.0±3.6）μm。Nb 元素的添加使試驗(yàn)鋼的珠光體團(tuán)簇得到了細(xì)化，可能的原因是Nb 的固溶作用，在試驗(yàn)鋼加熱奧氏體化的過(guò)程中，對(duì)奧氏體晶界的遷移起到了拖拽作用，首先細(xì)化了奧氏體晶粒，在隨后的等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中細(xì)化了珠光體團(tuán)簇。

圖1 試驗(yàn)鋼的珠光體團(tuán)簇大小

圖2 試驗(yàn)鋼珠光體片層間距的大小

3.2 Nb 對(duì)試驗(yàn)鋼珠光體片層間距的影響

1#、2#試驗(yàn)鋼的片層間距如圖2 所示，1#試驗(yàn)鋼的片層間距大小約為（100±5）nm，2#試驗(yàn)鋼的片層間距大小約為（120±5）nm。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加Nb 元素后，試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距減小，大約20nm。主要是因?yàn)镹b 元素的添加推遲了珠光體相變的溫度，使過(guò)冷奧氏體分解的過(guò)冷度加大，片層間距變小。

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)鋼添加Nb 元素后，珠光體的團(tuán)簇的大小由（10.0±3.6）μm 減小至（7.9±3.1）μm，Nb 元素的添加可以細(xì)化承荷探測(cè)電纜用鎧裝鋼的珠光體團(tuán)簇。

2）試驗(yàn)鋼添加Nb 元素后，珠光體片層間距由（120±5）nm減小至（100±5）nm，Nb 元素的添加可以增大承荷探測(cè)電纜用鎧裝鋼的過(guò)冷度，細(xì)化珠光體的片層間距。