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(nèi)容導(dǎo)讀

分別對(duì)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(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)。并通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)、落錘實(shí)驗(yàn)、金相組織觀察等檢測(cè)分析方法，研究了0.30%鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)X65 管線鋼的組織性能的影響。結(jié)果表明：在高溫卷取時(shí)，0.30%鉻含量對(duì)X65 管線鋼的性能和組織影響不明顯，但在低溫卷取時(shí)，含0.30%鉻的X65 管線鋼的淬硬性加大，強(qiáng)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(rèn)為是經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)輸方式[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)石油天然氣等戰(zhàn)略能源需求也不斷增加，加大油氣管網(wǎng)建設(shè)和提高油氣長(zhǎng)輸管道的輸送效率成為了近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)，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(shè)計(jì)輸送能力，長(zhǎng)輸油氣管道用管線鋼開(kāi)始采用X65 級(jí)別或更高級(jí)管線鋼發(fā)展。

傳統(tǒng)X65 級(jí)別管線鋼大多采用低碳的鈮、釩微合金化復(fù)合強(qiáng)化設(shè)計(jì)，由于我國(guó)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(yīng)用在鋼材的熱處理加工中，本文通過(guò)對(duì)比含鉻與不含鉻X65 管線鋼在不同卷取溫度下的力學(xué)性能和微觀組織，研究了鉻對(duì)X65 級(jí)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(shè)計(jì)方法。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料分別為含鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 為0.30%和不含鉻的X65 管線鋼，具體成分見(jiàn)表1。兩種試驗(yàn)鋼均來(lái)自國(guó)內(nèi)某鋼廠工業(yè)化生產(chǎn)的X65 管線鋼，具體的煉鋼生產(chǎn)流程為：鐵水脫硫預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐脫碳處理→爐外精煉合金化(LF)→板坯保護(hù)澆注。兩種試驗(yàn)鋼軋制方案為：將試驗(yàn)鋼在步進(jìn)式加熱爐中加熱至1200 ℃，保溫3 h，使試驗(yàn)鋼完全奧氏體化，在2300 熱連軋機(jī)組將已加熱的X65 試驗(yàn)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(guò)層流冷卻分別冷卻到550 ℃和450 ℃進(jìn)行卷取。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對(duì)不同卷取溫度下的兩種成分設(shè)計(jì)的X65 試驗(yàn)鋼板按照GB/T 2975—2018 標(biāo)準(zhǔn)沿垂直于軋制方向取寬向樣，編號(hào)分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#。四個(gè)試樣根據(jù)GB/T 228.1 加工成標(biāo)距為50 mm 的拉伸試樣，在Zwick-600 萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。利用JBW-500 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的沖擊韌性，在JL-30000 落錘試驗(yàn)機(jī)根據(jù)SY/T 6476 分別對(duì)試樣進(jìn)行落錘實(shí)驗(yàn)，根據(jù)GB/T 4340.1—2009 的標(biāo)準(zhǔn)采用維氏硬度儀對(duì)四個(gè)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，利用OLYMPUS-GX71 型倒置式光學(xué)金相顯微鏡觀察顯微組織。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1#~4#試驗(yàn)鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

卷取溫度對(duì)X65 鋼力學(xué)性能影響

熱軋卷板在終軋結(jié)束后會(huì)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(jīng)卷取機(jī)卷成鋼卷，這一過(guò)程被稱(chēng)為卷取過(guò)程，鋼卷在卷取過(guò)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(dòng)時(shí)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(guò)表2 和圖1 可以看出，對(duì)于不含Cr 的1#和3#試驗(yàn)鋼，由于3#鋼的卷取溫度更低，3#鋼相比于1#鋼層流冷卻時(shí)冷速更大，3#鋼的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shuō)明由于低溫卷取溫度加快了鋼板的冷卻速度，導(dǎo)致鋼板的組織從鐵素體和珠光體組織開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)楦?xì)小的鐵素體和貝氏體組織，從而使鋼板的強(qiáng)度得到提高，但細(xì)晶強(qiáng)化手段并不會(huì)造成鋼材塑韌性的降低，所以3#鋼的塑性和韌性均沒(méi)有明顯的降低。

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

圖2 試驗(yàn)鋼的金相組織

Cr 對(duì)X65 鋼力學(xué)性能影響

通過(guò)表2 和圖1 可以看出，在550 ℃卷取溫度下，2#鋼(含Cr) 的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(shí)，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(duì)Fe 原子造成的晶格畸變較小，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙也小[5]。所以在其他成分相同時(shí)，含0.30%Cr 的X65 鋼在550 ℃卷取溫度下強(qiáng)度提升并不明顯，并且由于Cr 作為固溶“雜質(zhì)”原子的出現(xiàn)，試驗(yàn)鋼的低溫韌性也出現(xiàn)了一定程度的降低。

但在450 ℃卷取時(shí)，Cr 對(duì)X65 鋼的力學(xué)性能的影響更加明顯。通過(guò)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(yàn)鋼比不含Cr 的3#鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升了68 MPa 和49 MPa，同時(shí)4#鋼的硬度也達(dá)到了212 HV10。4#鋼的塑性略有降低，韌性在常溫時(shí)和0 ℃時(shí)下降不明顯，滿(mǎn)足X65 鋼的基本要求，但在低溫時(shí)韌性卻有明顯的降低，特別在?40 ℃時(shí)，落錘撕裂面積降到了60% 以下。這說(shuō)明含Cr 的X65 鋼在450 ℃卷取時(shí)，鋼板強(qiáng)度在獲得很大程度的提升時(shí)，韌性也在降低。由于Cr 在鐵素體基體中具有較好的擴(kuò)散性，易與C 結(jié)合而形成碳化物，能夠降低馬氏體、奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的淬透性，使鋼在冷卻時(shí)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(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)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(shí)，對(duì)于X65 級(jí)別管線鋼可以通過(guò)添加一定量的Cr 并配合較低的卷取溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼材強(qiáng)度的大幅提升，這樣通過(guò)在鋼中形成馬氏體相變強(qiáng)化來(lái)部分代替通過(guò)添加鈮、釩合金實(shí)現(xiàn)的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀析出強(qiáng)化，從而減少鈮、釩合金的使用量，降低X65 鋼的合金成本。

結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)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(nèi)部逐漸形成貝氏體組織，但鋼板強(qiáng)度的提升和塑韌性的降低均不明顯。

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

(3)采用450 ℃卷取溫度時(shí)，添加一定量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%) 的Cr 可以實(shí)現(xiàn)X65 鋼強(qiáng)度的大幅提升，滿(mǎn)足在常溫環(huán)境下的服役要求，通過(guò)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。