Cr-Mn-Mo 低合金鋼中白亮帶對力學(xué)性能的影響

彭 楊，靳博穎，姜根鋒，趙健明

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，陜西 西安 710065）

鋼液在凝固過程中，溶質(zhì)元素在固液相中進行再分配時，鑄坯中的元素分布不均勻，鑄坯中心部位的C、S、P 等元素含量明顯高于其他部位，產(chǎn)生中心偏析，凝固末期，在鑄坯厚度中心的枝晶間產(chǎn)生微小空隙，形成中心疏松［1-2］。中心偏析與中心疏松是連鑄坯中相伴而生的兩種缺陷，是由氣體、低熔點雜質(zhì)、偏析組元在中心部位最后凝固而成，因此對鋼的強度、塑性、韌性和耐蝕性產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重的會引起沖擊試樣斷口剪切面積百分比低，以及分層和內(nèi)折缺陷，導(dǎo)致報廢［3-8］。采取措施促進鑄坯中心凝固組織等軸晶化，減少鋼液中易偏析元素含量，控制鑄坯鼓肚量，就可以減緩中心偏析和中心疏松的產(chǎn)生［2］。在連鑄過程中多采用電磁攪拌來降低連鑄坯的中心疏松和中心偏析等缺陷，能明顯改善產(chǎn)品質(zhì)量，但電磁攪拌后會在連鑄圓管坯上產(chǎn)生白亮帶［9-14］。該白亮帶位于連鑄坯的橫斷面上，經(jīng)酸浸后呈現(xiàn)出一個顏色較淺的圓形亮帶，圓形亮帶的本質(zhì)為致密晶桿組織（具體的組織類型取決于電磁攪拌具體安裝位置），形成機理為外加力場作用導(dǎo)致白亮帶區(qū)域凝固組織致密性明顯高于其附近區(qū)域，致密的低溶質(zhì)濃度晶桿組織經(jīng)過酸洗腐蝕以后即呈現(xiàn)出白亮特征，稱為白亮帶［11］。通常電磁攪拌強度越大，白亮帶越明顯。連鑄圓管坯經(jīng)軋制成鋼管并進行調(diào)質(zhì)處理后，白亮帶仍不能被消除。由于白亮帶區(qū)域內(nèi)的C 呈負偏析，會導(dǎo)致鋼的硬度和強度下降，塑性和沖擊韌性提高［13-14］?，F(xiàn)針對常用的Cr-Mn-Mo 低合金鋼中的白亮帶，采用成分分析、顯微組織觀察和力學(xué)性能檢測等方法，分析與研究白亮帶對力學(xué)性能的影響。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 試驗材料

選用經(jīng)低倍酸浸后存在明顯白亮帶的Cr-Mn-Mo 鋼Φ280 mm 連鑄圓管坯，以及由這些連鑄坯經(jīng)軋制和熱處理制成的Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格P110套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格P110 接箍料管。

1.2 試驗過程

1.2.1 低倍檢驗

在Φ280 mm 連鑄圓管坯上取低倍試樣，酸浸后檢驗面上呈現(xiàn)出兩圈白亮帶（圖1），白亮帶的直徑為90～135 mm，寬度3～10 mm，緊挨白亮帶內(nèi)側(cè)是顏色偏深的圓圈，白亮帶內(nèi)及附近組織致密，無疏松斑點。該圓管坯經(jīng)軋制成鋼管并進行調(diào)質(zhì)處理后，白亮帶只是弱化了許多，但未消除。

圖1 Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯和調(diào)質(zhì)鋼管上的白亮帶

1.2.2 化學(xué)成分分析

選取連鑄圓管坯白亮帶寬度超過10 mm 的區(qū)域及附近區(qū)域，分別在白亮帶內(nèi)和基體上相隔5 mm 的內(nèi)（取2 點）、外（取3 點）位置用直讀光譜進行成分分析，檢驗結(jié)果見表1。從表1 可以看出：①基體上的內(nèi)、外5 點的成分相差不大，白亮帶區(qū)域的C 異常偏低，只有0.213%，與相鄰基體存在明顯差異；②白亮帶區(qū)域其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo 等也存在偏低現(xiàn)象。

表1 Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 %

1.2.3 金相觀察分析

分別檢驗Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管在不同熱處理狀態(tài)下的白亮帶及其相鄰部位的顯微組織。同一狀態(tài)下，兩個規(guī)格的顯微組織無明顯差異。其中，Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管熱軋態(tài)的顯微組織如圖2 所示，為鐵素體+少量珠光體和貝氏體，存在混晶現(xiàn)象，有兩條白亮帶，帶寬分別為0.44 mm和0.49 mm，距內(nèi)壁2.0～2.5 mm（圖2a）；白亮帶內(nèi)組織由相對較多的塊狀鐵素體和板條+針狀鐵素體，以及少量塊狀珠光體組成（圖2b）；白亮帶外圈的塊狀鐵素體呈網(wǎng)狀分布，網(wǎng)狀鐵素體內(nèi)為長短不一、位向各異的針狀鐵素體，同樣還有極少量的塊狀珠光體和條狀貝氏體（圖2c）；白亮帶內(nèi)圈的組織是少量的塊狀黑色珠光體依附著塊狀鐵素體，貝氏體呈相對粗大的條狀分布，而針狀鐵素體相對短而細（圖2d）。接箍料管淬火態(tài)的顯微組織如圖3所示，均為板條狀馬氏體，白亮帶腐蝕顏色相對較淺。接箍料管調(diào)質(zhì)態(tài)的顯微組織如圖4 所示，外壁的組織為保持著原馬氏體位向的回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁的組織則是轉(zhuǎn)化完全的回火索氏體。

圖2 Φ273 mm×30 mm 接箍料管熱軋態(tài)的顯微組織

圖3 Φ273 mm×30 mm 接箍料管淬火態(tài)的顯微組織

圖4 Φ273 mm×30 mm 接箍料管調(diào)質(zhì)態(tài)的顯微組織

1.2.4 硬度檢驗

分別檢測Φ273 mm×21.5 mm 規(guī)格套管和Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管的淬火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)的硬度，沿白亮帶及附近每相隔1.0～1.5 mm 用顯微維氏硬度計進行測試，白亮帶上取兩點，白亮帶外靠內(nèi)壁取3 點，靠外壁取5 點，硬度檢測結(jié)果見表2 和如圖5 所示。從表2 和圖5 可以看出：白亮帶位置的硬度均低于其他區(qū)域，接箍和套管淬火態(tài)的硬度值較其他區(qū)域分別有218 HV10 和201 HV10 的極差，呈現(xiàn)出山谷形分布，白亮帶內(nèi)側(cè)高于其外側(cè)；調(diào)質(zhì)處理后，硬度值的極差下降到43 HV10 和45 HV10，白亮帶與其相鄰區(qū)域的硬度值差值分別為25～29 HV10 和27～35 HV10，硬度變化曲線相對平緩。

表2 Cr-Mn-Mo 鋼管的硬度檢測結(jié)果（由外向內(nèi)） HV10

圖5 Cr-Mn-Mo 鋼管的硬度變化趨勢

1.2.5 力學(xué)性能試驗

在Φ273 mm×30 mm 規(guī)格的接箍料管上分別取全壁厚條形試樣、圓棒試樣，并在該接箍料管白亮帶處取5 mm×5 mm 小試樣進行拉伸試驗，再分別在外表面1/4、中間壁厚、內(nèi)表面白亮帶區(qū)取橫向10 mm×10 mm×55 mm 全尺寸沖擊試樣進行0 ℃沖擊試驗，試驗結(jié)果見表3。從表3 中可以看出，所有類型試樣的力學(xué)性能均符合API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》中的P110 鋼級要求（小試樣強度值低于其他試樣），其中小試樣的抗拉強度Rm和屈服強度Rt0.6比圓棒試樣分別低36 MPa 和52 MPa，但與全壁厚試樣相比未有明顯的差距，分別為7 MPa 和9 MPa；白亮帶區(qū)試樣的沖擊值高于其他位置試樣，外表面1/4、中間壁厚試樣的沖擊功沒有明顯的差距。

表3 Φ273 mm×30 mm 規(guī)格接箍料管的力學(xué)性能檢測結(jié)果

2 分析與討論

白亮帶成因解釋有溶質(zhì)沖刷機理、凝固速率變化機理、區(qū)域溶質(zhì)再分配機理和溶質(zhì)析出-擴散機理。這些假說從不同的方面對白亮帶的形成做了解釋，都認為白亮帶是溶質(zhì)化學(xué)成分偏析所致。在連鑄工藝條件一定的情況下，白亮帶寬度與鑄坯通過電磁攪拌線圈的時間有關(guān)，停留時間越長，白亮帶越寬［13］。

低倍酸浸后，圓管坯低倍樣檢驗面上出現(xiàn)兩圈白亮帶，白亮帶內(nèi)及附近組織致密、無明顯疏松，這是因電磁攪拌沖刷凝固前沿，促進等軸晶粒形成，補縮枝晶間隔，使凝固組織均勻等作用導(dǎo)致的；經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的鋼管上的白亮帶被弱化了許多。

通過對Cr-Mn-Mo 連鑄圓管坯上的白亮帶進行化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，白亮帶內(nèi)的C 元素含量有較大地下降，其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo等下降幅度相對較小。連鑄坯中產(chǎn)生偏析的根本原因是由于溶質(zhì)元素在固相中溶解度較小，而在液相中溶解度較大，連鑄坯中化學(xué)成分的偏析受三方面因素的影響：一是溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)，二是連鑄坯的凝固速度，三是液芯內(nèi)鋼水的流動狀況。鋼中各溶質(zhì)元素的偏析傾向與其在固—液相之間的平衡分配系數(shù)有關(guān)，即平衡分配系數(shù)越小，偏析傾向越大，其中C 元素是容易產(chǎn)生負偏析的元素，Cr、Mn和Mo 等是負偏析傾向相對較小的元素，所以白亮帶內(nèi)的C 元素含量相較其他位置有較大降低［9-14］。文獻［15］認為：電磁攪拌形成的鋼液對流將高溶質(zhì)元素的鋼液帶走后形成了C 元素的偏析負區(qū)，該區(qū)域在隨后的冷卻中形成了尺寸較大的鐵素體晶粒，在低倍酸浸時相對其他區(qū)域更耐腐蝕而顯示為白色。

從硬度檢測結(jié)果來看，白亮帶的淬火態(tài)的硬度與其他區(qū)域相差較大，達到了201～218 HV10，而調(diào)質(zhì)態(tài)的硬度差距會下降較多，只有43～45 HV10，這是因為白亮帶區(qū)的C 含量雖然偏低，但淬火后得到全馬氏體，再經(jīng)回火處理后，白亮帶區(qū)與內(nèi)壁均得到回火索氏體，硬度下降相對較小，因此與基體的硬度差距得以大幅度縮小。

顯微組織觀察結(jié)果表明，熱軋態(tài)Cr-Mn-Mo 鋼管的不同位置的顯微組織存在較大差異，其中基體為鐵素體+少量珠光體和貝氏體，白亮帶內(nèi)則由相對較多的塊狀鐵素體和板條+針狀鐵素體以及少量塊狀珠光體組成，白亮帶外圈是由塊狀鐵素體和少量塊狀珠光體及條狀貝氏體組成，白亮帶內(nèi)圈是少量的塊狀黑色珠光體依附著塊狀鐵素體，貝氏體呈相對粗大的條狀分布，而針狀鐵素體相對短而細。淬火態(tài)鋼管的不同位置的顯微組織差異較小，均為板條狀馬氏體，只是白亮帶腐蝕顏色相對較淺；回火后，外壁為回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁為回火索氏體，顯微組織差距進一步縮小。

調(diào)質(zhì)態(tài)接箍上白亮帶與其相鄰區(qū)域相差分別為25～29 HV10 和27～35 HV10，如果硬度與強度值按1 HV10≈3 MPa 換算，則白亮帶與其相鄰區(qū)有75～105 MPa 強度值差。而從拉伸性能檢驗結(jié)果來看，含白亮帶小試樣的強度值較圓棒試樣小很多，但與全壁厚試樣相比，并未有明顯的差距，Rm和Rt0.6只低了7 MPa 和9 MPa。從沖擊性能檢驗結(jié)果來看，含白亮帶區(qū)試樣的沖擊值高于其他試樣，外表面1/4 試樣與中間壁厚試樣的沖擊值沒有明顯差距。筆者認為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：①白亮帶所占區(qū)域面積較小，且呈圓弧形分布，小型條狀拉伸試樣取樣并不全是白亮帶區(qū)域，也帶有部分強度和硬度高的基體區(qū)域，提高了試樣的強度值；②全壁厚試樣既有白亮帶區(qū)，又有內(nèi)、外表面脫碳層區(qū)，因此強度值相對較低，而圓棒試樣通常取自管壁中間位置，由此測得的強度值最高；③調(diào)質(zhì)處理后，雖然淬火態(tài)硬度差別較大，但回火處理后的硬度差別大大減小，因此白亮帶對材料的整體性能影響不大。

3 結(jié)論

（1）Cr-Mn-Mo 鋼連鑄坯上由電磁攪拌引起的白亮帶是以C 元素為主的宏觀負偏析區(qū)，在白亮帶區(qū)域內(nèi)，Cr、Mn 和Mo 等元素的含量也存在偏低現(xiàn)象。

（2）Cr-Mn-Mo 鋼圓管坯上的白亮帶及附近組織致密、無明顯疏松，鋼管調(diào)質(zhì)后，白亮帶被弱化。

（3）熱軋態(tài)Cr-Mn-Mo 鋼管中的白亮帶與基體的顯微組織存在較大差異，白亮帶中的鐵素體相對較多，無貝氏體；淬火后，兩者的顯微組織差異減小，均為板條狀馬氏體，白亮帶腐蝕顏色相對較淺；回火后，外壁為回火馬氏體+回火索氏體，白亮帶和內(nèi)壁為回火索氏體，顯微組織差距進一步縮小。

（4）Cr-Mn-Mo 鋼管淬火后，白亮帶硬度低于其他區(qū)域，進行全壁厚硬度檢測時，局部會出現(xiàn)硬度偏低現(xiàn)象；回火后，白亮帶與基體的硬度差距大幅度減小。因此認為，白亮帶對Cr-Mn-Mo 鋼調(diào)質(zhì)處理后的整體力學(xué)性能影響不大。