·試驗(yàn)研究·

X70含釩管線鋼冷卻工藝對組織和性能的影響

鄭玉申1文小明2

(1. 北京隆盛泰科石油管科技有限公司陜西西安710077;

2. 本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司遼寧本溪117000)

摘要：對于添加Nb-V復(fù)合微合金的X70管線鋼，通過控制軋制冷卻工藝獲得不同的微觀組織和性能，對其進(jìn)行對比研究分析，解釋說明X70含釩管線鋼冷卻工藝、組織和性能關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)冷卻速率減小情況下，管線鋼組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅舞F素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，同時(shí)還有一定數(shù)量的退化珠光體，強(qiáng)度略有降低，而塑性提高。在相同冷卻工藝條件下，隨著卷取溫度的降低，管線鋼組織由粒狀貝氏體為主，轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l形貌特征的貝氏體鐵素體為主，M-A組元也隨著卷取溫度的降低而減少且細(xì)化。此外，卷取溫度較高情況下，管線鋼強(qiáng)度異常增加可能與鋼中V的析出有關(guān)。

關(guān)鍵詞：管線鋼；冷卻工藝；組織；力學(xué)性能

作者簡介：第一鄭玉申，男，1969年生，工程師，1992年畢業(yè)于中國石油大學(xué)礦業(yè)機(jī)械專業(yè)，主要從事油氣輸送鋼管駐廠監(jiān)造工作。E-mail:zhengyushen@cnpc.com.cn

文章編號：中圖法分類號：TG142.1

收稿日期：(2014-04-30編輯：屈憶欣)

Effect of Cooling Process on Microstructure and Mechanical Properties of Vanadium-Bearing X70 Pipeline SteelZHENG Yushen1WEN Xiaoming2

(1.BeijingLongshineOilTubularTechnologyCo.Ltd.,Xi’an,Shaanxi710077,China;

2.BenXiIronandSteel(Group)Co.Ltd，Benxi,Liaoning117000,China)

Abstract：Different microstructure and mechanical properties would be produced by taking control of rolling and cooling process of Nb-V microalloyed X70 pipeline steel.Then explain the relations between the cooling process and microstructure and mechanical properties by comparatively research and analysis. The results show that, when the case of the cooling rate decreases, the pipeline organization turns into polygonal ferrite and quasi-polygonal ferrite-based, as well as the degradation of a certain number of pearlite, strength is slightly decreases, while the plasticity increases. In the same cooling process conditions, with the curl temperature reduces, the main pipeline steel organization turns from granular bainite into bainitic ferrite of lath morphology, MA component is also reduced and refined as the curl temperature decreases. In addition, when the the curl temperature is higher, pipeline steel strength abnormal increases may be related to the precipitation of steel V.

Key word： pipeline steel,cooling process, organization, mechanical properties

0引言

隨著對石油和天熱氣能源需求的不斷增長，越來越多地采用管道輸送這種最經(jīng)濟(jì)快捷的運(yùn)輸方式[1]。為提高輸送效益，管線工程向著大管徑、高壓方向發(fā)展[2]。進(jìn)而對管線鋼的強(qiáng)度、低溫韌性、焊接性等綜合性能的要求也越來越高[3]。目前，X70鋼級管線鋼多采用通過添加鈮、釩、鈦等微合金元素進(jìn)行微合金化，并結(jié)合TMCP工藝生產(chǎn)，以獲得優(yōu)良組織，使其在較低的碳當(dāng)量下具有較高的強(qiáng)度和韌性等綜合力學(xué)性能。

目前，國內(nèi)外油氣輸送管所適用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對X70鋼級管線鋼的強(qiáng)度下限和上限都有明確規(guī)定，為此，在生產(chǎn)過程中，力爭使強(qiáng)度等指標(biāo)保持在一個(gè)穩(wěn)定的合理區(qū)間，以獲得優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量。

國內(nèi)某鋼廠在采用原軋制工藝生產(chǎn)X70管線鋼時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度檢測結(jié)果偏高現(xiàn)象，選擇提高卷取溫度，進(jìn)行工藝調(diào)整，以期降低強(qiáng)度，但強(qiáng)度和硬度不降反升，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而后采取降低冷卻速度，進(jìn)行調(diào)整，所得板材強(qiáng)度和硬度降低，韌性略有降低，力學(xué)性能指標(biāo)良好，達(dá)到預(yù)期產(chǎn)品質(zhì)量控制要求。

本文針對現(xiàn)場生產(chǎn)中不同工藝軋制生產(chǎn)的X70含釩管線鋼在的測試結(jié)果進(jìn)行分析研究，探討了不同冷卻工藝影響下的組織和性能之間的關(guān)系，同時(shí)為軋制工藝的優(yōu)化提供參考。

1試樣制備與測試

1.1X70管線鋼化學(xué)成分

X70管線鋼化學(xué)成分如表1所示。

表1　 X70管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.2軋制工藝

原軋制工藝條件如下：開軋溫度1 180 ℃；出粗軋溫度960 ℃～980 ℃；中間坯厚度60 mm；精軋壓下率F1～F2總壓下40%；F3～F7總壓下60%；精軋入口溫度≤980 ℃；冷卻速率為40 ℃/S；卷取溫度389 ℃(1號試樣)。第一次調(diào)整工藝為：在原工藝基礎(chǔ)上，提高卷取溫度為470 ℃(2號試樣)，第二次調(diào)整工藝為：在原工藝基礎(chǔ)上，降低冷卻速度為30 ℃/S(3號試樣)。

具體工藝參數(shù)如表2所示。

1.3試樣

從原工藝生產(chǎn)的2卷，提高卷取溫度生產(chǎn)的6卷，降低冷速生產(chǎn)的12卷鋼板各截取1組，共選取20組試樣。

表2　軋制工藝參數(shù)

2測試結(jié)果

2.1力學(xué)性能

不同工藝條件下對3組試樣進(jìn)行的常規(guī)力學(xué)性能測定結(jié)果如表3所示。其中1號試樣強(qiáng)度和硬度偏高，保持冷卻速度不變，提高卷取溫度后軋制的2號試樣強(qiáng)度和硬度升高，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而降低冷卻速度后軋制的3號試樣所得強(qiáng)度和硬度降低，韌性適中，符合性能要求。

表3　X70管線鋼力學(xué)性能

卷取溫度與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1　卷取溫度和強(qiáng)度關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2金相組織

1號試樣組織主要是貝氏體鐵素體(板條貝氏體)，伴有少量粒狀貝氏體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和少量的M-A組元。貝氏體鐵素體的特征是由相互平行具有很高位錯(cuò)密度的平行排列的鐵素體板條束構(gòu)成，板條界為小角度晶界，板條束界面為大角度晶界，板條間分布著薄膜狀或針狀M-A組元。貝氏體鐵素體轉(zhuǎn)變溫度比粒狀貝氏體溫度低[4]，為擴(kuò)散和切變控制轉(zhuǎn)變。相對粒狀貝氏體而言，板條界面較清晰，貝氏體鐵素體由于亞晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用，具有較好的強(qiáng)度和韌性，但板條束的大小和板條長寬比的不同對性能差異產(chǎn)生較大的影響。

2號試樣組織以粒狀貝氏體為主，伴有少量的多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和一定數(shù)量M-A組元。粒狀貝氏體的特征是不規(guī)則外形鐵素體中存在粒狀或點(diǎn)狀M-A組元。粒狀貝氏體為中溫區(qū)較高溫度下形成，為切變和擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變。在本測試條件下，2號試樣組織中粒狀貝氏體有效晶粒尺寸粗大，對強(qiáng)度和韌性不利，但M-A組元較多，對提高材料強(qiáng)度有利，對沖擊韌性不利。

3號試樣組織以多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，較多的退化珠光體組織，少量粒狀貝氏體組織和少量的M-A組元。多邊形鐵素體是在較慢的冷卻速度下形成的組織，為擴(kuò)散控制的相變。具有規(guī)則的晶粒外形，位錯(cuò)密度較低。其特點(diǎn)是強(qiáng)度較低，塑性較高。準(zhǔn)多邊形鐵素體與多邊形鐵素體相比，轉(zhuǎn)變溫度較低，為塊狀轉(zhuǎn)變，具有不規(guī)則的晶界，位錯(cuò)密度較高。具有較好的強(qiáng)度和塑性，并且具有較高的應(yīng)變強(qiáng)化能力。

圖2　1#試樣金相組織

圖3　2#試樣金相組織

圖4　3#試樣金相組織

3結(jié)果分析

3.1組織的差異

低碳鋼中關(guān)于相變溫度有如下經(jīng)驗(yàn)公式：

Ac3(℃)=910-203(%C)1/2-15.2(%Ni)+44.7(%Si)+104(%V)+31.5(%Mo)+13.1(%W)

(1)

Ac1(℃)=723-20.7(%Mn)-16.9(%Ni)+29.1Si+16.90(%Cr)+290(%As)+6.38(%W)

(2)

Bs(℃)=830-27(%C)-90(%Mn)-37(%Ni)-70(%Cr)-83(%Mo)

(3)

以本文X70管線鋼成分計(jì)算結(jié)果如下：其中Ac3為870 ℃，Ac1為699 ℃，而Bs為671 ℃，本研究中終軋溫度確定為840 ℃，在冷卻速率為40 ℃/S條件下，1號試樣卷取溫度為390 ℃，獲得貝氏體低溫相區(qū)轉(zhuǎn)變的貝氏體鐵素體(板條貝氏體)組織。2號試樣卷取溫度為470 ℃，試樣獲得貝氏體高溫相區(qū)轉(zhuǎn)變的粒狀貝氏體為主的組織。在冷卻速率為30 ℃/S條件下，3號試樣獲得以多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體為主的組織。

3.2強(qiáng)度的差異

對比3組試樣發(fā)現(xiàn)，較低冷卻速率工藝條件下的3號試樣，組織以多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，強(qiáng)度最低，符合預(yù)期。較高冷卻速率工藝條件下的1號試樣，組織以貝氏體鐵素體為主，強(qiáng)度居中。同為較高冷卻速率，但較高卷取溫度工藝條件下的2號試樣，組織為以粒狀貝氏體為主，強(qiáng)度最高。雖然相對較多的M-A組元，對強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，但這一結(jié)果與傳統(tǒng)觀點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)相悖。

試樣中添加了一定含量的Nb，目的是為了提高再結(jié)晶溫度，抑制變形奧氏體再結(jié)晶，細(xì)化再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸。但一般研究[5]認(rèn)為Nb在900 ℃以上大量析出，粗軋過程已經(jīng)完成析出過程。而添加的V，細(xì)化晶粒作用較弱，但有較高的沉淀強(qiáng)化作用。一般認(rèn)為V在800 ℃以下大量析出，本次測試的冷卻過程中伴有V的析出。

V在較高溫度情況下，主要以固溶形式存在；只有滿足一定的熱力學(xué)條件，才能大量析出。析出相的析出過程與溫度有密切關(guān)系，終軋溫度高時(shí)，V在γ的固溶度高，可以保證更多的V在Y→α相變時(shí)，在α基體上析出，終冷溫度低時(shí)，一部分V已經(jīng)在γ中析出，使得用于在α中析出的總量減少，同時(shí)，因原子擴(kuò)散困難，析出過程將受到抑制，析出不充分，減弱了沉淀強(qiáng)化效果。

1號和2號試樣采用軋后相對較高的冷去速率冷卻，理論上對細(xì)化析出相有利，2號試樣卷取溫度為470℃相對較高，因此有利于V(C,N)的彌散析出，而1號試樣因卷取溫度為380℃相對較低，V(C,N)的析出受到一定的抑制，因此，V析出強(qiáng)化效果相對較小。這應(yīng)該是導(dǎo)致高溫卷取的2號試樣強(qiáng)度反而比低溫卷取的1號試樣強(qiáng)度略高的主要原因之一。而3號試樣終軋后緩冷過程中，將在多邊形鐵素體中析出一定數(shù)量的V(C,N)，這將在一定程度上提高鐵素體強(qiáng)度。

5結(jié)論

(1)本測試條件下，冷卻速率為40 ℃/S，卷取溫度較高時(shí)，管線鋼得到粒狀貝氏體為主的組織，而卷取溫度相對較低時(shí)，獲得板條形貌的貝氏體鐵素體組織；冷卻速率為30 ℃/S，管線鋼獲得多邊形鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體組織，并有一定含量的退化珠光體。加速冷卻得到的相變組織具有較高的強(qiáng)度表現(xiàn)。

(2)對于含V微合金鋼，發(fā)現(xiàn)提高卷取溫度，強(qiáng)度不降反升現(xiàn)象，可能與V析出沉淀強(qiáng)化作用有關(guān)，應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)整軋制工藝和V的含量。

(3)使用緩冷方式生產(chǎn)含V管線鋼，得到強(qiáng)度較低的多邊形鐵素體以及準(zhǔn)多邊形鐵素體組織，保證沖擊韌性，同時(shí)，利用退化的珠光體相變強(qiáng)化及V析出強(qiáng)化的作用，提高強(qiáng)度，滿足X70管線鋼性能的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 潘家華. 中國天然氣工業(yè)的發(fā)展前景[J]. 油氣儲運(yùn), 2005, 24(6): 1-3.

[2] 王義康. 高壓輸氣管線材料和相關(guān)問題[J]. 焊管, 2000, 23(3): 89.

[3] 江海濤, 康永林, 于浩, 等. 國內(nèi)外高鋼級管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用[J], 管道技術(shù)與設(shè)備, 2005, (5):21-24.

[4] 馮耀榮, 高慧臨, 霍春勇，等. 管線鋼顯微組織的分析與鑒別[M]. 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2008: 3

[5] 王春明, 吳杏芳,劉瑜, 等. X70針狀鐵素體管線鋼析出相. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)[J], 2006, 28(3):257-258

[6] 趙明純. 新一代針狀鐵素體管線鋼的組織與性能研究[D]. 中國科學(xué)院金屬研究所, 2003, 43.

[7] 趙明純, 單以銀. 控軋控冷工藝對X60管線鋼組織及力學(xué)性能的影響[J], 金屬學(xué)報(bào), 2001, 37(2)：179-183.