鉻在不同卷取溫度下對X65 管線鋼組織性能的影響

供稿|韓宇，文小明，周晏鋒，姜文超 / HAN Yu, WEN Xiao-ming, ZHOU Yan-feng, JIANG Wen-chao

內容導讀

分別對鉻含量為0.30%和不含鉻的X65 管線鋼采用550 ℃和450 ℃的卷取溫度進行軋制實驗。并通過拉伸實驗、硬度實驗、沖擊實驗、落錘實驗、金相組織觀察等檢測分析方法，研究了0.30%鉻含量(質量分數(shù))對X65 管線鋼的組織性能的影響。結果表明：在高溫卷取時，0.30%鉻含量對X65 管線鋼的性能和組織影響不明顯，但在低溫卷取時，含0.30%鉻的X65 管線鋼的淬硬性加大，強度有明顯的提升，而塑韌性有一定程度的降低。

目前，管道輸送石油天然氣被普遍認為是經濟合理的運輸方式[1]。隨著國民經濟的不斷發(fā)展，我國對石油天然氣等戰(zhàn)略能源需求也不斷增加，加大油氣管網建設和提高油氣長輸管道的輸送效率成為了近年來關注的熱點，由于石油天然氣管道輸送能力同管徑和輸送壓力成正比[2-3]，為了提高管道的設計輸送能力，長輸油氣管道用管線鋼開始采用X65 級別或更高級管線鋼發(fā)展。

傳統(tǒng)X65 級別管線鋼大多采用低碳的鈮、釩微合金化復合強化設計，由于我國鈮、釩資源稀少，含鈮、釩的X65 管線鋼合金成本較高[4]。鉻元素由于可以提高鋼材的淬透性被廣泛應用在鋼材的熱處理加工中，本文通過對比含鉻與不含鉻X65 管線鋼在不同卷取溫度下的力學性能和微觀組織，研究了鉻對X65 級別管線鋼的組織性能影響，提出了一種低成本X65 管線鋼的合金設計方法。

實驗材料及方法

實驗材料分別為含鉻含量(質量分數(shù)) 為0.30%和不含鉻的X65 管線鋼，具體成分見表1。兩種試驗鋼均來自國內某鋼廠工業(yè)化生產的X65 管線鋼，具體的煉鋼生產流程為：鐵水脫硫預處理→轉爐脫碳處理→爐外精煉合金化(LF)→板坯保護澆注。兩種試驗鋼軋制方案為：將試驗鋼在步進式加熱爐中加熱至1200 ℃，保溫3 h，使試驗鋼完全奧氏體化，在2300 熱連軋機組將已加熱的X65 試驗鋼坯軋制成14 mm 厚度熱軋鋼板，終軋溫度控制在830 ℃，最后將每一種X65 管線鋼都通過層流冷卻分別冷卻到550 ℃和450 ℃進行卷取。

表1 試驗鋼化學成分(質量分數(shù)，%)

對不同卷取溫度下的兩種成分設計的X65 試驗鋼板按照GB/T 2975—2018 標準沿垂直于軋制方向取寬向樣，編號分別標記為1#、2#、3#、4#。四個試樣根據(jù)GB/T 228.1 加工成標距為50 mm 的拉伸試樣，在Zwick-600 萬能拉伸試驗機進行拉伸實驗。利用JBW-500 型擺錘式沖擊試驗機測定試樣的沖擊韌性，在JL-30000 落錘試驗機根據(jù)SY/T 6476 分別對試樣進行落錘實驗，根據(jù)GB/T 4340.1—2009 的標準采用維氏硬度儀對四個試樣進行顯微硬度測試，試樣經體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，利用OLYMPUS-GX71 型倒置式光學金相顯微鏡觀察顯微組織。

實驗結果與分析

1#~4#試驗鋼的拉伸實驗、硬度實驗結果見表2。

表2 試驗鋼力學性能

卷取溫度對X65 鋼力學性能影響

熱軋卷板在終軋結束后會在冷卻輥道上冷卻(通常是噴水層流冷卻)到指定的溫度，然后經卷取機卷成鋼卷，這一過程被稱為卷取過程，鋼卷在卷取過程的溫度即是卷取溫度。由于同一厚度的鋼板在冷卻輥道的移動時間基本相同，所以如果終軋溫度不變，那么鋼板的卷取溫度越低，鋼板在冷卻輥道的冷速就越快。通過表2 和圖1 可以看出，對于不含Cr 的1#和3#試驗鋼，由于3#鋼的卷取溫度更低，3#鋼相比于1#鋼層流冷卻時冷速更大，3#鋼的強度和硬度比1#鋼均有所升高，低溫下3#鋼的沖擊功降低，但比較落錘實驗結果相差不大。觀察圖2 的金相組織發(fā)現(xiàn)，相比于1#鋼，在3#鋼的組織中發(fā)現(xiàn)了貝氏體組織，這說明由于低溫卷取溫度加快了鋼板的冷卻速度，導致鋼板的組織從鐵素體和珠光體組織開始轉變?yōu)楦毿〉蔫F素體和貝氏體組織，從而使鋼板的強度得到提高，但細晶強化手段并不會造成鋼材塑韌性的降低，所以3#鋼的塑性和韌性均沒有明顯的降低。

圖1 試驗鋼的力學性能：(a)屈服強度與抗拉強度；(b)硬度與延伸率；(c)沖擊功；(d)DWTT

圖2 試驗鋼的金相組織

Cr 對X65 鋼力學性能影響

通過表2 和圖1 可以看出，在550 ℃卷取溫度下，2#鋼(含Cr) 的屈服強度和抗拉強度分別僅比1#鋼(不含Cr) 增加了14 MPa 和6 MPa，硬度和塑韌性也相差不大。Cr 原子與Fe 原子的半徑相近，所以在冷速不大時，Cr 在固溶在鋼中以置換固溶體形式存在，由于置換固溶體對Fe 原子造成的晶格畸變較小，對位錯運動阻礙也小[5]。所以在其他成分相同時，含0.30%Cr 的X65 鋼在550 ℃卷取溫度下強度提升并不明顯，并且由于Cr 作為固溶“雜質”原子的出現(xiàn)，試驗鋼的低溫韌性也出現(xiàn)了一定程度的降低。

但在450 ℃卷取時，Cr 對X65 鋼的力學性能的影響更加明顯。通過表2 和圖1 可以看出，同樣在卷取溫度450 ℃的情況下，含Cr 的4#試驗鋼比不含Cr 的3#鋼的屈服強度和抗拉強度分別提升了68 MPa 和49 MPa，同時4#鋼的硬度也達到了212 HV10。4#鋼的塑性略有降低，韌性在常溫時和0 ℃時下降不明顯，滿足X65 鋼的基本要求，但在低溫時韌性卻有明顯的降低，特別在?40 ℃時，落錘撕裂面積降到了60% 以下。這說明含Cr 的X65 鋼在450 ℃卷取時，鋼板強度在獲得很大程度的提升時，韌性也在降低。由于Cr 在鐵素體基體中具有較好的擴散性，易與C 結合而形成碳化物，能夠降低馬氏體、奧氏體轉變溫度，提高鋼的淬透性，使鋼在冷卻時更易得到馬氏體組織[6]，觀察2#鋼和4#鋼的金相組織發(fā)現(xiàn)(圖2)，4#鋼的組織中出現(xiàn)了馬氏體，馬氏體組織是一種硬而脆的相，它可以顯著提高鋼的強度，同時也會造成鋼材韌性一定程度的降低[6]，這與4#鋼板所得到的性能基本一致。所以在常溫環(huán)境服役時，對于X65 級別管線鋼可以通過添加一定量的Cr 并配合較低的卷取溫度來實現(xiàn)鋼材強度的大幅提升，這樣通過在鋼中形成馬氏體相變強化來部分代替通過添加鈮、釩合金實現(xiàn)的細晶強化和沉淀析出強化，從而減少鈮、釩合金的使用量，降低X65 鋼的合金成本。

結束語

(1)對于Nb、V 微合金化的X65 管線鋼，卷取溫度由550 ℃降低至450 ℃后，鋼板內部逐漸形成貝氏體組織，但鋼板強度的提升和塑韌性的降低均不明顯。

(2)采用550 ℃卷取溫度時，添加的0.30%(質量分數(shù))Cr 主要以固溶體形式存在，對X65 試驗鋼強度提升作用并不明顯，并且對低溫韌性造成了一定程度的降低。

(3)采用450 ℃卷取溫度時，添加一定量(質量分數(shù)0.30%) 的Cr 可以實現(xiàn)X65 鋼強度的大幅提升，滿足在常溫環(huán)境下的服役要求，通過加入一定量的Cr 可以部分代替鈮、釩微合金化作用，減少鈮、釩合金的使用量。