軋后冷卻工藝對大輸量X80M管線鋼顯微組織的影響

劉干　孔祥磊　黃明浩　王楊　張英慧

關(guān)鍵詞：大輸量X80M管線鋼；CCT曲線；冷卻速度；軋后冷卻工藝；針狀鐵素體

0 引言

當(dāng)前，中國中部和沿海地區(qū)對以天然氣為代表的清潔能源的需求依然強(qiáng)勁。為大幅提高天然氣長輸管道輸送能力及輸送效率，降低其建設(shè)和運(yùn)營成本，超大輸量/大輸量X80M管線鋼已成為管道運(yùn)輸常用主流鋼級。近年來，隨著中俄東線及西氣東輸三線、四線等國內(nèi)外重大管道項(xiàng)目的建設(shè)，大輸量X80M管線鋼及鋼管得到了大規(guī)模應(yīng)用。隨著管道輸送能力、輸送壓力的增加，大輸量X80M管線鋼向著更大直徑、更大壁厚的方向發(fā)展。但隨著直徑、壁厚的增加，加之服役環(huán)境惡劣，不僅對其成分要求更加嚴(yán)格，其低溫韌性的控制難度也大幅提升，如何在保證高強(qiáng)度同時提高其低溫韌性尤其是低溫DWTT（落錘撕裂試驗(yàn)）性能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性的良好匹配，已成為大輸量X80M管線鋼能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。

為了使大輸量X80M管線鋼獲得較高的強(qiáng)韌性和止裂性能，一般要求其組織以針狀鐵素體（AF）為主。組織是影響性能的重要因素，采用不同控軋控冷TMCP生產(chǎn)工藝得到的管線鋼顯微組織不同，導(dǎo)致其性能存在較大差異。為了獲得所要求的組織和性能，需要通過動態(tài)CCT曲線分析其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和相變規(guī)律，選擇最合適的工藝規(guī)范，以便獲得最佳顯微組織，從而實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性匹配。因此，本文以大輸量X80M管線鋼為研究對象，通過熱模擬試驗(yàn)、顯微組織和硬度分析，建立其動態(tài)CCT曲線，進(jìn)而確定能夠顯著改善其強(qiáng)韌性的最佳冷速范圍。同時，通過熱模擬冷卻工藝研究了終冷溫度對顯微組織的影響，并采用最佳冷速和終冷溫度進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)檢驗(yàn)，獲得的產(chǎn)品具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的低溫韌性，滿足大輸量X80M管線鋼的工程技術(shù)要求，并成功應(yīng)用于西氣東輸四線重大管道工程。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 合金成分設(shè)計

大壁厚大輸量X80M管線鋼成分設(shè)計上采用低C-Mn-Mo-Nb合金系，同時添加適量Cr、Ni、Cu等元素，充分利用固溶、細(xì)晶、析出等強(qiáng)化機(jī)制來實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)韌性匹配，以便獲得AF混合組織（針狀鐵素體AF+少量馬氏體-奧氏體M/A島），其主要目標(biāo)化學(xué)成分見表1。具體來看，采用低C成分設(shè)計關(guān)鍵在于其能夠保證鋼的低溫韌性；添加高含量Mn可通過固溶強(qiáng)化提高鋼強(qiáng)度的同時降低γ-α相變的溫度，有助于AF組織的形成，改善其低溫韌性，但Mn含量過高鑄坯易產(chǎn)生偏析；高Nb設(shè)計是為了擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，同時Nb（C，N）等析出相為相變提供更多形核位置，從而通過析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)韌性；添加Mo元素能夠提高其淬透性、細(xì)化芯部組織，從而改善低溫韌性；Cr、Ni、Cu等元素的添加進(jìn)一步改善了其低溫韌性和耐腐蝕性。

1.2 熱模擬試驗(yàn)

根據(jù)Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)對熱壓縮試樣的要求，利用線切割方法在X80M管線鋼連鑄坯上取樣，取樣方向垂直于拉坯方向，并加工成尺寸為?6 mm×15 mm的圓柱體試樣進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，取樣位置及試樣如圖1所示。

為了最大程度上指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)，參照實(shí)際管線鋼工業(yè)化軋制生產(chǎn)工藝進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計選擇，同時結(jié)合試樣尺寸以及試驗(yàn)設(shè)備壓縮能力，設(shè)計進(jìn)行多道次熱壓縮試驗(yàn)，具體熱模擬試驗(yàn)工藝如圖2所示。前2個道次模擬工業(yè)化軋制變形中的粗軋變形工藝，后3個道次模擬精軋變形工藝，壓縮完成后分別以0.2、1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、50 ℃/s的冷速將試樣冷卻到室溫（圖2（a）），記錄每個冷速下的溫度、時間、膨脹量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)和冷卻曲線。為明確終冷溫度對大輸量X80M管線鋼組織的影響規(guī)律，優(yōu)化生產(chǎn)時的冷卻工藝，在明確其相變規(guī)律和最佳冷速的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展冷卻工藝的模擬研究。在優(yōu)化冷卻工藝中，主要是控制冷速和終冷溫度，其中終冷溫度是影響冷卻和控制組織構(gòu)成的關(guān)鍵工藝參數(shù)。模擬試驗(yàn)終軋溫度的選擇同樣參照實(shí)際生產(chǎn)工藝，同時考慮大輸量X80M管線鋼的Ar3溫度（冷卻過程中奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始溫度）和進(jìn)入冷卻區(qū)的溫降，將終軋溫度設(shè)定為780 ℃左右，終冷溫度設(shè)計為450、420、390、360、330、300、270 ℃，然后以15 ℃/s冷速冷卻至室溫，具體試驗(yàn)工藝如圖2（b）所示。

壓縮試驗(yàn)完成后，利用線切割將壓縮后的試樣沿軸向1/2位置切開，經(jīng)鑲嵌、研磨拋光后，使用4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，通過徠卡DMI5000M型光學(xué)金相顯微鏡（OM）和SEM觀察其顯微組織，在組織觀察的相應(yīng)位置采用70 D5維氏硬度計進(jìn)行維氏顯微硬度檢測。結(jié)合相變點(diǎn)、金相顯微組織和硬度分析，建立其動態(tài)CCT曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻速率對顯微組織的影響

圖3所示為不同冷速下大輸量X80M管線鋼的顯微組織。由觀察結(jié)果可知：當(dāng)冷速為0.2 ℃/s時，顯微組織主要由多邊形鐵素體（PF）和少量珠光體（P）組成，其中PF呈等軸或規(guī)則多邊形，晶界較清晰；冷速為1 ℃/s時，P組織基本消失，但是仍可見一定比例的珠光體鐵素體存在，同時鐵素體組織得到細(xì)化，鐵素體邊界變得模糊和不規(guī)則，準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）含量大大增加，少量鐵素體內(nèi)可以觀察到細(xì)小馬氏體-奧氏體（M/A）島狀物，M/A島呈粒狀，同時觀察到有極少量粒狀貝氏體（GB）組織；冷速為2 ℃/s時，鐵素體晶粒內(nèi)和晶界上的M/A島含量大大增加，且分布趨于規(guī)則化，GB組織增多，晶粒得到明顯的細(xì)化；冷速為5 ℃/s時，顯微組織主要由GB和M/A島組成，M/A 島彌散分布在GB基體中，M/A 島尺寸細(xì)小均勻；冷速為10 ℃/s時，部分組織呈現(xiàn)針狀鐵素體（AF）特征，晶界較模糊，在GB內(nèi)和邊界間分布著細(xì)小的M/A島；當(dāng)冷速為15～25 ℃/s時，主要顯微組織為AF，且晶粒細(xì)小、尺寸均勻，此時組織具有良好的強(qiáng)韌性；冷速達(dá)到30 ℃/s以上時，AF變得細(xì)小、含量減少，貝氏體和 M/A 島含量增加，開始出現(xiàn)貝氏體鐵素體（BF）組織；冷速達(dá)到50 ℃/s時，開始出現(xiàn)模糊的原始奧氏體晶界，BF含量增多，板條束變得更加明顯。

2.2 動態(tài)CCT曲線及冷速的確定

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了使X80M管線鋼獲得較高的強(qiáng)韌性和止裂性能，一般要求其組織以AF為主。根據(jù)熱模擬試驗(yàn)獲得的熱膨脹曲線，利用切線法獲得不同冷速下的相變溫度，同時結(jié)合顯微組織分析繪制了大輸量X80M管線鋼的動態(tài)CCT曲線，如圖4所示。從CCT曲線中可知，在10～30 ℃/s冷速范圍內(nèi)，均能得到不同比例的AF組織。但是，只有在15～25 ℃/s冷速范圍內(nèi)，才能獲得滿足工程需要的典型AF組織，此時AF具有晶粒細(xì)小均勻、方向不一和晶界相互交錯的組織特征，具有高的位錯密度。當(dāng)受到載荷沖擊時，位錯相互纏結(jié)，并與碳化物形成釘扎作用，能夠有效阻礙裂紋的擴(kuò)展；同時彌散分布在基體內(nèi)或晶界上的細(xì)小M/A島可以降低應(yīng)力集中，有效減少裂紋源的產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展，這種組織結(jié)構(gòu)有利于獲得高的強(qiáng)韌性。因此，軋后采用15～25 ℃/s的冷速是最為合理的，此時，大輸量X80M管線鋼可以獲得AF+少量M/A島的理想顯微組織。

2.3 不同冷速下的硬度變化

圖5所示為不同冷速下的X80M管線鋼顯微硬度變化情況。由圖5可見，隨著冷速的提高，試樣的硬度逐漸增加。當(dāng)冷速從0.2 ℃/s增至2 ℃/s時，硬度值從182HV10增至214HV10，上升較快，此時硬度上升的主要原因是晶粒細(xì)化，同時與組織構(gòu)成、位錯密度有關(guān)，組織由PF-P轉(zhuǎn)變?yōu)镚B，相變機(jī)制由擴(kuò)散逐漸向切變轉(zhuǎn)變，第二相析出更加細(xì)小彌散，位錯密度增大；當(dāng)冷速為10～25 ℃/s時，硬度上升緩慢，硬度值從219HV10增至224HV10，硬度值變化不大，說明在此冷速范圍內(nèi)大輸量X80M鋼的顯微組織未發(fā)生明顯變化，顯微組織主要以AF+M/A島為主，此時組織細(xì)小均勻，具有較好的強(qiáng)韌性；當(dāng)冷速大于25 ℃/s時，硬度再次明顯上升，此時組織構(gòu)成由AF逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽F，BF組織比 AF+M/A組織有更高的硬度和強(qiáng)度，但是對韌性貢獻(xiàn)較低。綜合顯微組織和硬度分析，生產(chǎn)上選取20 ℃/s左右的冷速可以保證大輸量X80M管線鋼具有良好的強(qiáng)韌性匹配。

2.4 終冷溫度對顯微組織的影響

不同終冷溫度下X80M管線鋼顯微組織的SEM形貌如圖6所示。由圖可知，不同終冷溫度下，相組織構(gòu)成發(fā)生明顯的變化，這些變化主要包括QF的含量、貝氏體類和M/A島的含量和形態(tài)等。終冷溫度為450 ℃時，組織由少量的QF+GB+M/A島組成；當(dāng)終冷溫度降至360 ℃時，QF含量基本消失，GB的含量略微減少但是其板條束變得細(xì)小，M/A島尺寸無明顯變化但是數(shù)量增多，組織逐漸細(xì)化；當(dāng)終冷溫度降至300 ℃時，GB含量大大減少，BF含量逐漸增多，M/A島尺寸變小、數(shù)量增多；當(dāng)終冷溫度為270 ℃時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嘈园鍡l狀馬氏體（M）。

不同終冷溫度下的性能與其顯微組織密切相關(guān)，由顯微組織分析結(jié)果可知，為了獲得良好的強(qiáng)韌性，最佳終冷溫度范圍為330～390 ℃，此時在能夠保證X80M管線鋼具有足夠數(shù)量AF組織的同時實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性的良好匹配。

3 討論與分析

目前，大輸量X80M管線鋼的生產(chǎn)一般采用兩階段軋制工藝，為了獲得細(xì)小的原始奧氏體晶粒，第一階段在奧氏體再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，此階段終軋溫度須在980 ℃以上。為了達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化組織的目的，第二階段在奧氏體非再結(jié)晶區(qū)軋制，須確保奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶。此階段奧氏體產(chǎn)生形變，由于形變未再結(jié)晶的奧氏體保留了大量的晶體缺陷，為隨后鐵素體相變提供了形核位置，從而有效提高了鐵素體形核率，同時有利于形變誘導(dǎo)第二相析出，所以組織得到進(jìn)一步細(xì)化。軋后冷卻工藝決定了鐵素體的類型與轉(zhuǎn)變程度，在實(shí)際工程應(yīng)用中，X80M管線鋼具有高強(qiáng)度和良好韌性匹配的要素是獲得細(xì)小的AF組織，而AF組織需要在一定的冷速下才能形成。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮變形和冷卻工藝。

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，為避免X80M板卷軋制過程中有大量的先共析鐵素體產(chǎn)生，同時考慮到X80M管線鋼的Ar3溫度和進(jìn)入冷卻區(qū)的溫降，第二階段終軋溫度不能太低，應(yīng)控制在780 ℃左右。從動態(tài)CCT曲線可以確定，在15～25 ℃/s冷速范圍內(nèi)，可以獲得比較理想的AF組織，根據(jù)熱模擬冷卻工藝試驗(yàn)結(jié)果，確定了最佳終冷溫度范圍為330～390 ℃。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)研究與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，在現(xiàn)場進(jìn)行了軋制，終軋溫度控制在780 ℃左右，冷速控制在20 ℃/s左右，終冷溫度控制在360 ℃左右，獲得的X80M管線鋼組織結(jié)構(gòu)和DWTT斷口形貌如圖7所示。由圖7（a）和（b）可知，現(xiàn)場實(shí)際得到的X80M板卷顯微組織與冷速約為20 ℃/s時的熱模擬組織一致，此時X80M組織以典型的AF類型為主，AF晶粒細(xì)小、尺寸均勻，形狀各異的M/A島細(xì)小彌散分布于鐵素體晶界上或晶粒內(nèi)部，如圖7（c）所示，這種組織結(jié)構(gòu)不僅有利于提高強(qiáng)度，同時有利于改善低溫DWTT韌性。圖7（d）和（e）所示為 X80M 卷板在-20 ℃條件下的 DWTT 斷口形貌，宏觀斷口具有完整剪切唇，微觀斷口具有微孔聚集斷裂特征，斷口為韌性斷裂，表明其具有良好的低溫韌性。對軋制的X80M管線鋼板卷生產(chǎn)檢驗(yàn)性能進(jìn)行統(tǒng)計，共統(tǒng)計了330批，結(jié)果見表2。產(chǎn)品符合X80M管線鋼板卷的技術(shù)要求，并成功應(yīng)用于西氣東輸西線重大管道工程。

4 結(jié)論

1）隨冷速的增大，大輸量X80M管線鋼組織由PF+P逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類組織。由CCT曲線可知，形成AF組織的冷速范圍較寬，當(dāng)冷速在15～25 ℃/s時可獲得以細(xì)小均勻AF為主和彌散分布的M/A島組成的理想顯微組織。

2）隨冷速的增大，大輸量X80M管線鋼的維氏顯微硬度逐漸增加。當(dāng)冷速在0.2～2.0 ℃/s內(nèi)，硬度快速增加；在10～25 ℃/s冷速范圍內(nèi)，硬度變化不大，顯微組織無明顯變化；當(dāng)冷速大于25 ℃/s時，硬度又明顯上升。

3）熱模擬冷卻工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，終冷溫度對大輸量X80M相組成有明顯的影響。最佳終冷溫度范圍為330～390 ℃，此時在能夠保證其具有足夠數(shù)量AF組織的同時實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性的良好匹配。

4）將試驗(yàn)研究與工業(yè)實(shí)踐相結(jié)合，在工業(yè)化TMCP參數(shù)為780 ℃終軋+360 ℃終冷+20 ℃/s冷速下，獲得的X80M管線鋼板卷組織以典型的AF類型為主，M/A島細(xì)小彌散分布于鐵素體晶界或晶粒內(nèi)部，具有高強(qiáng)度和高韌性，產(chǎn)品滿足工程技術(shù)要求，并成功應(yīng)用于西氣東輸西線重大管道工程，有力支撐了國家重大管道工程的建設(shè)。

本文摘自《中國冶金》2023年第11期