微合金化150V級(jí)高強(qiáng)韌無縫鋼管用鋼研究

楊志強(qiáng)，汪開忠，胡芳忠，王自敏，陳世杰，吳林，潘紅波

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心,安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)工程研究院,安徽 馬鞍山 243032）

引言

無縫鋼管在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，在軌道交通、船舶運(yùn)輸、能源化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。軌道交通領(lǐng)域用無縫鋼管常被用于汽車轉(zhuǎn)向器、汽車油路、汽車支撐桿和汽車油缸等［1］。隨著我國節(jié)能減排、輕量化的要求提高，使我國無縫鋼管向高強(qiáng)度、高韌性方向發(fā)展。如特殊工程車用無縫鋼管的屈服強(qiáng)度須達(dá)890 MPa，頁巖氣井用無縫鋼管的強(qiáng)度級(jí)別須達(dá)140V級(jí)等［2］。由于頁巖氣開采地質(zhì)環(huán)境惡劣，需采用水平井分段多級(jí)壓裂，壓裂的壓強(qiáng)高、作業(yè)時(shí)間長，無縫鋼管的強(qiáng)韌性低在開采中易產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致失效，近年來無縫鋼管失效時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)無縫鋼管的強(qiáng)韌性、抗擠毀性能要求提高［3-4］。

為解決無縫鋼管高強(qiáng)韌性的需求，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)出110V，125V和140V級(jí)高強(qiáng)韌無縫鋼管。如140V級(jí)鋼管，140表示鋼的強(qiáng)度等級(jí)，屈服強(qiáng)度≥140×6.89 MPa；V表示高韌性抗擠毀，0℃沖擊功≥0.1×RP0.2J。針對(duì)更高級(jí)別無縫鋼管研究報(bào)道較少［5-7］。為滿足150V級(jí)高強(qiáng)度及韌性無縫鋼管（屈服強(qiáng)度1034～1241 MPa，0℃沖擊功≥100 J）的需要，馬鋼通過合理成分體系設(shè)計(jì)及制造過程全流程控制，生產(chǎn)出滿足150V級(jí)無縫鋼管的管坯，為深高強(qiáng)韌無縫鋼管開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用Cr-Mo-Ni-Nb-V系設(shè)計(jì)150V級(jí)無縫鋼管用鋼，成分如表1所示。150V級(jí)高強(qiáng)韌無縫鋼管用管坯的生產(chǎn)流程為：電爐→爐外精煉（LF）→真空脫氣（RH）→連鑄（大方坯）→圓鋼軋制。鋼管的工藝流程簡要概況為：圓鋼下料→加熱→穿管→軋管→定徑→冷卻→調(diào)質(zhì)熱處理→檢驗(yàn)→螺紋加工→成品發(fā)貨。

表1 150V級(jí)無縫鋼管用鋼化學(xué)成分

鋼的淬透性采用ASTM A255標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了模擬計(jì)算，鋼的強(qiáng)度變化采用Thermo-Calc進(jìn)行了計(jì)算分析。150V級(jí)無縫鋼管用鋼采用超高功率電弧爐冶煉，電弧爐采用低P低S鐵水，精選廢鋼。爐外精煉采LF+RH工藝。LF精煉時(shí)采用優(yōu)質(zhì)合金，充分造渣，嚴(yán)控白渣時(shí)間。采用RH爐真空脫氣，保證脫氣時(shí)間和低的真空度。連鑄采用恒溫、恒拉速、恒液面，連鑄采用中間包感應(yīng)加熱控制過熱度。連鑄過程采用結(jié)晶器電攪、鑄流電攪、凝固末端電攪，使鑄坯的枝晶偏析等減弱。并利用重壓下工藝對(duì)鑄坯進(jìn)行壓下減小鑄坯的疏松、縮孔等缺陷提高鑄坯中心質(zhì)量。鑄坯經(jīng)充分緩冷后，保證冷坯入爐，控制加熱溫度及升溫速率，提高鑄坯內(nèi)外溫度一致性。軋制采用大軋制比，軋制比＞8，并且采用單次大變形工藝。圓鋼軋制后入坑緩冷。

力學(xué)性能測(cè)試按照GB/T 2975標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣，拉伸和沖擊性能分別按照GB/T 228和GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。拉伸測(cè)試采用德國Zwick制造的Z600電子拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊測(cè)試采用深圳三思制造的ZBC300沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。采用Axio Imager M2m金相顯微鏡、QUANTA450掃描電鏡等分析微觀組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

150V級(jí)無縫鋼管用鋼的淬透性及強(qiáng)度模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，采用設(shè)計(jì)成分的淬透性在距離端部0.75 cm內(nèi)硬度均≥52 HRC，且硬度差＜1.5 HRC，表明淬透性高、淬透均勻性好。在距離端部1 cm后硬度降低約為48HRC，仍具有較高的硬度。隨回火溫度的升高屈服強(qiáng)度降低，200℃低溫回火時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)到1585 MPa；回火溫度600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度為1100 MPa；當(dāng)回火溫度低于700℃時(shí)，屈服強(qiáng)度均≥1050 MPa，滿足150V級(jí)強(qiáng)度需要。

2.2 冶金質(zhì)量分析

對(duì)圓鋼GB/T 1979標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低倍評(píng)級(jí)，低倍組織如圖2所示。由圖2可知直徑150 mm的圓鋼低倍組織中心疏松為1.0級(jí)，無分層、夾雜、翻皮、裂紋、氣泡和白點(diǎn)等缺陷，中心質(zhì)量優(yōu)良。

按GB/T 10561的A法評(píng)級(jí)對(duì)圓鋼進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示。由表可知，圓鋼的A類和C類夾雜物為0級(jí)。B類、D類和DS類夾雜物都小于技術(shù)要求，控制較好。

表2 150V級(jí)無縫鋼管用圓鋼夾雜物評(píng)級(jí)（單位：級(jí)）

2.3 力學(xué)性能分析

由于150V級(jí)無縫鋼管的最終尺寸約為直徑140 mm、壁厚13 mm，因此在圓鋼的外邊緣、1/2半徑及心部3個(gè)位置取縱向毛坯進(jìn)行熱處理及拉伸和沖擊性能檢驗(yàn)。熱處理溫度由150V級(jí)無縫鋼管鋼的平衡相圖（如圖3所示），可以看出150V級(jí)鋼完全奧氏體化溫度為800℃，故選擇880℃×45 min淬火。150V級(jí)鋼在650℃時(shí)M23C6的析出相較高，并且高溫有助于析出相快速析出，故選擇650℃×90 min回火。按照標(biāo)準(zhǔn)拉伸及沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，拉伸和沖擊性能如表3所示。由表3可知，圓鋼不同部位的力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。但是圓鋼心部的力學(xué)性能較低，這是由于圓鋼的中心部位存在疏松不致密導(dǎo)致。由于圓鋼后續(xù)還進(jìn)行軋制，經(jīng)軋制后鋼管壁厚的致密性、均勻性將會(huì)進(jìn)一步提高，會(huì)使性能提升。

表3 150V級(jí)無縫鋼管用圓鋼不同部位力學(xué)性能

3 討論

150V級(jí)無縫鋼管用鋼具有較高的強(qiáng)韌性，成分設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)。目前國內(nèi)無縫鋼管用鋼的成分體系可分為Si-Mn系和Cr-Mo系，Cr-Mo系可使鋼的淬透均勻性、組織均勻性、回火穩(wěn)定性等性能提高，從而保證無縫鋼管的管體性能均勻性穩(wěn)定［8］。本次150V級(jí)無縫鋼管鋼成分優(yōu)化設(shè)計(jì)思路是：Cr是碳化物形成元素，Cr能夠使鋼的淬透性和強(qiáng)度均提高，Cr能夠提高鋼的抗氧化性能，增加耐蝕性，有利于腐蝕環(huán)境頁巖氣開采，但Cr含量過高時(shí)將增加再熱裂紋敏感性。Mo主要是提高鋼的淬透性和耐熱性，固溶于基體的Mo能夠使鋼的組織在回火過程中保持較高的穩(wěn)定性，且能有效降低P，S和As等雜質(zhì)元素在晶界處偏聚，從而提高鋼的韌性，降低回火脆性。Mo降低M7C3的穩(wěn)定性，當(dāng)Mo含量較高時(shí)將形成針狀Mo2C，將導(dǎo)致基體Mo含量減少。Mo能夠通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的共同作用提高鋼的強(qiáng)度，也能通過改變碳化物的析出來改變鋼的韌性。

Cr-Mo系鋼中添加適量的微合金元素Nb，V和Ti有利于強(qiáng)韌性。圖4為經(jīng)熱處理后1/2半徑處的晶粒度，晶粒度為9.5級(jí)。這是由于Nb，V和Ti在鋼中形成細(xì)小彌散的NbC，VC和TiC，通過釘扎晶界阻礙晶粒長大，晶粒細(xì)化后使晶界增多在提高強(qiáng)度的同時(shí)減緩裂紋擴(kuò)展從而提高韌性［9-10］。另一方面Ni能夠細(xì)化馬氏體板條寬度，提高強(qiáng)度。并且能夠提高層錯(cuò)能，層錯(cuò)能的提高可以使鋼有更好的沖擊性能［11］。

圖5為圓鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后的微觀組織，可看到析出相細(xì)小均勻分布。這是由于鋼中添加了足量Cr和Mo等合金元素，使淬透性高，從而使馬氏體細(xì)小，經(jīng)過高溫回火后，形成細(xì)小的回火索氏體。圖6為析出相成分，可知為微合金復(fù)合析出相，細(xì)小的第二相能夠提高鋼的強(qiáng)韌性。另外，采用電爐冶煉結(jié)合真空脫氣使圓鋼的殘存有害元素及氣體含量較低，經(jīng)檢測(cè)鋼中w（P）≤0.008%，w（S）≤0.002%，w（As）+w（Pb）+w（Sn）+w（Sb）+w（Bi）≤0.019%，w（O）≤0.0012%，w（N）≤0.0048%。殘存及有害元素低，能夠減弱元素在晶界的偏聚提高鋼的沖擊性能。w（O）低有助于減少夾雜物，減少裂紋源。

高均勻性是由于圓鋼采用大方坯大軋制比生產(chǎn)，大方坯采用三段電磁攪拌是成分均勻性提高，采用了重壓下，使方坯中心質(zhì)量提升。軋制采用大軋制比又使鑄態(tài)組織充分破碎，枝晶偏析效應(yīng)減弱，從而保證了圓鋼截面的均勻性。

4 結(jié)論

（1）通過添加微合金元素及成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電爐冶煉、爐外精煉及大軋制比軋制開發(fā)出滿足150V級(jí)無縫鋼管性能需要的圓鋼。

（2）采用電爐冶煉、爐外精煉使鋼的殘存元素及氣體含量低，有利于減弱殘存元素晶界偏聚提高鋼的韌性。

（3）采用方坯大軋制生產(chǎn)的直徑150 mm圓鋼低倍質(zhì)量優(yōu)良，圓鋼不同部位試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能均滿足150V級(jí)無縫鋼管性能要求。

（4）150V級(jí)用無縫鋼管鋼由于微合金元素加入使鋼的晶粒度細(xì)小、回火索氏體均勻細(xì)小，使鋼具有了較好強(qiáng)度和韌性。