轧制工艺对经济型X80管线钢组织和显微硬度的影响

狄 嫣，王畅畅，贾书君，刘清友，彭巨擘

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院, 昆明 650093；2.钢铁研究总院结构钢研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能产业有限公司,昆明 650000)



轧制工艺对经济型X80管线钢组织和显微硬度的影响

狄 嫣1,2，王畅畅1,2，贾书君2，刘清友2，彭巨擘1,3

(1.昆明理工大学材料科学与工程学院, 昆明 650093；2.钢铁研究总院结构钢研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能产业有限公司,昆明 650000)

摘要：利用Gleeble-1500D型热模拟试验机对传统型X80管线钢和经济型X80管线钢进行模拟轧制，研究了变形温度、冷却速率和终冷温度等工艺参数对其组织和硬度的影响。结果表明：两种试验钢的组织均为针状铁素体、少量准多边形铁素体和粒状贝氏体，二者的显微硬度相差不大；随着变形温度降低、冷却速率增大和终冷温度降低，经济型X80管线钢的组织逐渐细化，M/A岛由棒状逐渐变成圆点状，尺寸变小，显微硬度的波动不大。

关键词：X80管线钢；控轧控冷；针状铁素体；显微硬度

0引言

随着世界经济的快速发展，对能源的需求日益增多。目前，石油和天燃气仍然是主要的能源，因此，大直径、高压力、大输送量已成为进一步提高管道输送效率的重要发展趋势。在这种情况下，采用高强度等级的管线钢将更加经济合理。此外，由于长距离管线途经地区的地理条件十分复杂和恶劣，因此对管道用钢可靠性的要求越来越高。目前，我国高钢级X80管线钢已大规模生产并被应用于管道建设项目中，其在“西气东输”二线的用量就已达432.6万t[1]。在未来的10～15 a内，中国将需要约1 000万t高性能管线钢[2]。针对当前我国能源紧缺和供需缺口较大的现状，开发及研制经济型管线钢可以带来巨大的经济效益[3]。而只有选择适宜的轧制工艺进行精确的组织、成分控制，深入了解各微合金元素的作用及其对管线钢性能的影响，才能制备出高质量的管线钢。

控轧控冷技术是20世纪60～70年代发展起来的热机械处理或形变热处理技术，代表了高强度低合金钢的发展方向。控制冷却工艺中的变形量、变形温度、冷却速率和终冷温度对管线钢最终的组织和性能具有直接影响。通过调整工艺参数可以获得最佳的组织，进而改善钢的性能[4]。

管线钢中的微合金元素主要为铌、钒、镍、铜等强氮化物形成元素，其作用是在控轧过程中阻止奥氏体晶粒长大以及在轧制时延迟γ相的再结晶。铌具有显著的细化晶粒的作用和中等的沉淀强化作用，在提高强度的同时还可以降低韧脆转变温度。钒是铁素体形成元素，有较高的沉淀强化作用和较弱的细化晶粒的作用，固溶时可提高淬透性，并可提高回火稳定性。除此之外，钢中加入少量的镍和铜可显著提高钢的韧性和耐候性。在保证管道安全使用的前提下，只有大幅降低生产成本，才能获得高附加值，这就需要通过适当地调整合金成分以及生产工艺等来寻求经济化生产。

前期，作者课题组通过成分控制(适当提高碳含量来代替钒等微合金元素)开发出了低成本的经济型X80管线钢。为进一步研究其控轧控冷工艺，作者采用热模拟试验机对其进行了模拟轧制，研究了轧制工艺对其组织和显微硬度的影响。

1试样制备与试验方法

将某钢厂用100 kg真空感应炉冶炼的传统型X80管线钢铸坯记为1#试验钢，自主开发的经济型X80管线钢铸坯记为2#试验钢，它们的化学成分如表1所示。将试验钢加工成φ8 mm×12 mm的试样，利用Gleeble-1500D型热模拟试验机分别在不同的变形温度(T1)、冷却速率(v)和终冷温度(T2)下进行热模拟试验，热模拟工艺曲线如图1所示。共采用三组热处理工艺:①T1分别为860，840，820 ℃,v为15 ℃·s-1,T2为420 ℃;②T1为840 ℃,v分别为5，10，15，20 ℃·s-1,T2为420 ℃;③T1为840 ℃,v为15 ℃·s-1,T2分别为650，550，450，350 ℃。

将热模拟试验后的试样沿中央纵向剖开，打磨、抛光后用体积分数为3%的硝酸酒精溶液腐蚀；然后采用S-4300型场发射扫描电镜观察试样心部的显微组织；采用FM-300型显微硬度计测心部的显微硬度，加载载荷为0.02 N，加载时间为10 s。

表1　试验钢的化学成分(质量分数)Tab.1　Chemical composition of experimental steels (mass)　%

图1　热模拟工艺曲线Fig.1　Schematic illustration of thermal simulation test

2试验结果与讨论

2.1　变形温度的影响

由图2和图3可以看出，在不同变形温度下，两种试验钢的显微组织均主要为针状铁素体、准多边形铁素体和少量粒状贝氏体，并弥散分布着细小的粒状和短棒状M/A岛，而且2#试验钢的组织更加细小。研究表明，针状铁素体的晶粒尺寸较小，加之细小的M/A岛弥散分布，不易诱发裂纹，并能阻碍裂纹扩展，因而针状铁素体管线钢具有优良的强韧性。针状铁素体板条内有高密度位错，由相变形成的亚晶位错具有很大的可动性，因而有利于强韧性的提高[5]。多边形铁素体的强度低、塑性好，可以提高与粒状贝氏体之间的协调变形能力，进而提高整个复相组织的韧性[6]。多边形铁素体+贝氏体组织对裂纹扩展具有明显的阻碍作用。

随着变形温度降低，组织中的针状铁素体尺寸略有减小，晶界也变得不规则，试验钢的组织逐渐细化。这是因为，860，840，820 ℃处于奥氏体未再结晶温度区，在该区对奥氏体进行变形，会增加奥氏体内部的空位浓度、位错、变形带等晶体缺陷，使非均匀形核点增多[7]，同时变形使奥氏体晶粒显著拉长，在晶粒内形成变形带，相变时铁素体不仅在晶界上形核，而且也在变形带上形核，因此增加了形核的几率，使组织比较细小。此外，随着变形温度逐渐降低，碳的扩散能力越来越差，从而导致富碳区面积减小，从图中也可以看出这两种试验钢中M/A岛的尺寸都明显减小，并由棒状逐渐变为圆点状。

图2　不同变形温度下1#试验钢的SEM形貌Fig.2　SEM morphology of tested steel 1# at different deformation temperatures

图3　不同变形温度下2#试验钢的SEM形貌Fig.3　SEM morphology of tested steel 2# at different deformation temperatures

由表2可见，随着变形温度降低，试验钢显微硬度的变化不明显，均在236～246 HV之间，并且两种试验钢的显微硬度相差无几。由此可以看出，虽然1#试验钢中含有钒等微合金元素，可以提高其淬透性和强度，但2#试验钢中较高的碳含量基本可以弥补因微合金元素缺失造成的不利影响。

表2　不同变形温度下试验钢的显微硬度Tab.2　Microhardness of tested steels at differentdeformation temperatures　HV

综上可以看出，1#试验钢的显微组织与2#试验钢的相似，并且显微硬度都在236～246 HV之间。

2.2　冷却速率的影响

由图4可见，2#试验钢以不同冷速冷却后，大部分M/A岛分布在晶界上，显微组织为针状铁素体、准多边形铁素体和粒状贝氏体。在冷速相对较低时，M/A岛为不规则的多边形，且尺寸较大；随着冷速增大，M/A岛趋近于条状，且平均尺寸变小，组织逐渐变细。这是因为，当冷速较低时，奥氏体中的碳有足够的时间扩散，碳的分布更均匀，易形成退化珠光体，只有少量的碳聚集在一起直接转变为马氏体，或直接以残余奥氏体的形式保留；当冷速增大后，碳扩散的时间缩短，得到的M/A岛尺寸减小[8]。

图4　不同冷速下2#试验钢的SEM形貌Fig.4　SEM morphology of tested steel 2# at different cooling rates

由表3可见，随着冷速增大，2#试验钢的显微硬度略有增大，M/A岛的面积分数整体呈下降的趋势，并且在冷速为10 ℃·s-1时达到最低，为9.8%。硬度的变化主要是由微观组织的变化导致的。随着冷速增大，组织中低硬度的准多边形铁素体减少，并且组织得到细化，故硬度随之增大。另一方面，在一定范围内(5～10 ℃·s-1)增大冷速时，奥氏体过冷度增大，碳来不及进行长程扩散，于是在小区域内产生富集，这使得M/A岛的尺寸变小，并均匀分布；当进一步提高冷速至10～20 ℃·s-1时，M/A岛就会变成针状或薄膜状，因此其含量会有增大，但由于M/A岛含量的整体趋势为减少，从而导致硬度下降。这两者的综合作用使得试验钢的显微硬度无太大变化。

表3　不同冷速下2#试验钢的显微硬度和M/A岛的面积分数Tab.3　Microhardness of tested steel 2# and area fraction ofM/A isaland in 2# tested steel at different cooling rates

2.3　终冷温度的影响

由图5可见，2#试验钢的组织主要为针状铁素体、准多边形铁素体和少量粒状贝氏体的混合组织；随着终冷温度降低，因碳不易发生扩散，从而降低了相变温度，故而组织明显细化，准多边形铁素体含量减少，针状铁素体、贝氏体含量增多。可见，终冷温度的降低不仅细化了组织，对铁素体的组织构成也有很大影响。由表4可以看出，2#试验钢的显微硬度随着终冷温度的降低变化不大，在241～250 HV范围内。

表4　不同终冷温度下2#试验钢的显微硬度Tab.4　Microhardness of tested steel 2# at differentfinal cooling rates

图5　不同终冷温度下2#试验钢的SEM形貌Fig.5　SEM morphology of tested steel 2# at different final cooling temperatures

3结论

(1) 经济型X80管线钢为典型的针状铁素体组织，同时含有少量准多边形铁素体、粒状贝氏体和M/A岛，与传统型X80管线钢的组织相似；二者的显微硬度也相差无几。

(2) 随着变形温度降低、冷速增大和终冷温度降低，经济型X80钢的组织逐渐细化，M/A岛由棒状逐渐变成圆点状，尺寸变小，显微硬度的波动不大。

参考文献：

[1]李鹤林，吉玲康. 西气东输二线高强韧性焊管及保障管道安全运行的关键技术[J].世界钢铁，2009(1)：56-64.

[2]衣海龙.X80级高温轧制工艺管线钢的组织及性能[J].机械工程材料,2008,32(2):44-48.

[3]张伟卫，熊庆人.国内管线钢生产应用现状及发展前景[J].焊管，2011,34(1):5-8.

[4]高惠临.管线钢的控轧控冷技术及其研究进展[J].焊管,2010,33(1)：10-17.

[5]赵英利.变形温度与冷却速率对含Nb中碳钢晶粒细化的影响[J].钢铁,2009，44(4)：77-81.

[6]孟强，冯耀荣，庄传晶.X80高钢级管线钢冲击韧性研究[J].石油矿场机械，2006，35(4):16-19.

[7]钟荣.未再结晶区控轧控冷工艺对低碳高铌钢组织的影响[J].机械工程材料，2013,37(1):59-62.

Effect of Rolling Technology on Microstructure and Microhardness

of Lowcost X80 Pipeline Steel

DI Yan1,2, WANG Chang-chang1,2, JIA Shu-jun2, LIU Qing-you2, PENG Ju-bo1,3

(1.College of Materials Science and Engineering , Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；

2.Institute for Structural Steel of CISRI, Beijing 100081, China；

3.Yunnan Qianyuan Solar Industry Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Abstract:Simulating rolling was carried out for traditional X80 pipeline steel and lowcost X80 pipeline steel using Gleeble-1500 thermal simulated test machine,the effects of deformation temperature, cooling rate and finish cooling temperature on microstructures and microhardness were studied. The results show that microstructures of the two tested steels were acicular ferrite, quasi-polygonal ferrite and granular bainite, and their microhardness had little difference. With the decrease of the deformation temperature and final cooling temperature, the increase of the cooling rate, the microstructure of lowcost X80 pipeline steel was refined and M/A island changed from rods to dots with smaller size gradually, and the microhardness of lowcost X80 pipeline steel had a little fluctuation.

Key words:X80 pipeline steel; controlled rolling and controlled cooling; acicular ferrite; microhardness

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0051-04