楊志強，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)濟中占有重要地位，在軌道交通、船舶運輸、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度、高韌性方向發(fā)展。如特殊工程車用無縫鋼管的屈服強度須達890 MPa，頁巖氣井用無縫鋼管的強度級別須達140V級等［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壓裂，壓裂的壓強高、作業(yè)時間長，無縫鋼管的強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有發(fā)生，因此對無縫鋼管的強韌性、抗擠毀性能要求提高［3-4］。

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

1 實驗材料與方法

采用Cr-Mo-Ni-Nb-V系設(shè)計150V級無縫鋼管用鋼，成分如表1所示。150V級高強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→螺紋加工→成品發(fā)貨。

表1 150V級無縫鋼管用鋼化學(xué)成分

鋼的淬透性采用ASTM A255標準進行了模擬計算，鋼的強度變化采用Thermo-Calc進行了計算分析。150V級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精煉時采用優(yōu)質(zhì)合金，充分造渣，嚴控白渣時間。采用RH爐真空脫氣，保證脫氣時間和低的真空度。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鑄坯進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)性能測試按照GB/T 2975標準進行取樣，拉伸和沖擊性能分別按照GB/T 228和GB/T 229標準進行測試。拉伸測試采用德國Zwick制造的Z600電子拉伸試驗機、沖擊測試采用深圳三思制造的ZBC300沖擊試驗機進行。采用Axio Imager M2m金相顯微鏡、QUANTA450掃描電鏡等分析微觀組織。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 成分優(yōu)化設(shè)計

150V級無縫鋼管用鋼的淬透性及強度模擬結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，采用設(shè)計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度降低，200℃低溫回火時，屈服強度達到1585 MPa；回火溫度600℃時，屈服強度為1100 MPa；當回火溫度低于700℃時，屈服強度均≥1050 MPa，滿足150V級強度需要。

2.2 冶金質(zhì)量分析

對圓鋼GB/T 1979標準進行低倍評級，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，無分層、夾雜、翻皮、裂紋、氣泡和白點等缺陷，中心質(zhì)量優(yōu)良。

按GB/T 10561的A法評級對圓鋼進行評級，評級結(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。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級無縫鋼管用圓鋼夾雜物評級（單位：級）

2.3 力學(xué)性能分析

由于150V級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個位置取縱向毛坯進行熱處理及拉伸和沖擊性能檢驗。熱處理溫度由150V級無縫鋼管鋼的平衡相圖（如圖3所示），可以看出150V級鋼完全奧氏體化溫度為800℃，故選擇880℃×45 min淬火。150V級鋼在650℃時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。按照標準拉伸及沖擊試樣進行力學(xué)性能檢驗，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)還進行軋制，經(jīng)軋制后鋼管壁厚的致密性、均勻性將會進一步提高，會使性能提升。

表3 150V級無縫鋼管用圓鋼不同部位力學(xué)性能

3 討論

150V級無縫鋼管用鋼具有較高的強韌性，成分設(shè)計是基礎(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級無縫鋼管鋼成分優(yōu)化設(shè)計思路是：Cr是碳化物形成元素，Cr能夠使鋼的淬透性和強度均提高，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Mo含量較高時將形成針狀Mo2C，將導(dǎo)致基體Mo含量減少。Mo能夠通過固溶強化和沉淀強化的共同作用提高鋼的強度，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。這是由于Nb，V和Ti在鋼中形成細小彌散的NbC，VC和TiC，通過釘扎晶界阻礙晶粒長大，晶粒細化后使晶界增多在提高強度的同時減緩裂紋擴展從而提高韌性［9-10］。另一方面Ni能夠細化馬氏體板條寬度，提高強度。并且能夠提高層錯能，層錯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，從而使馬氏體細小，經(jīng)過高溫回火后，形成細小的回火索氏體。圖6為析出相成分，可知為微合金復(fù)合析出相，細小的第二相能夠提高鋼的強韌性。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，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級無縫鋼管性能要求。

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