铬对厚规格管线钢组织和性能的影响

2018-09-27供稿吴国玺刘艳超

金属世界 2018年5期

供稿|吴国玺，刘艳超 /

作者单位：1. 东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819；2. 辽宁科技学院，辽宁本溪 117004

内容导读

厚规格管线钢的韧性稳定控制是研发的关键技术难题。为了提高心部淬透性，通常采用增加Mo合金的方法，但研究发现，随着Mo含量的增加，贝氏体组织中MA组元增加，管线钢韧性明显降低。为了提高淬透性同时减少MA组元形成。文章借助JMatPro软件对不同合金进行理论计算，最终发现Cr具有部分替代Mo的可能；借助金相显微镜、扫描电镜以及力学性能测试等分析手段进行研究分析，结果表明，采用Cr部分替代Mo，管线钢依然可以获得铁素体+贝氏体为主的组织，同时，可有效避免MA组元形成，最终因Cr部分替代Mo使组织中MA组元总量明显减少，进而提高了管线钢韧性，特别是DWTT性能，工业试制后达到了预期目的。

随着我国经济的高速发展，社会对能源的依赖程度也与日俱增，石油和天然气是目前使用的最主要的能源介质，其运输成本所占比例较高[1，2]。众所周知，采用管道运输是最为经济、快捷的方法，而提高管径、增加输送压力则是提高管道运输效率的最有效途径。此前，相关研究多集中于如何提高管线钢钢级，采用提高管线钢强度的方法实现高压输送[3]。然而，随着强度的提高，韧性降低问题无法有效解决。X90以上钢级管线钢尚不具备批量使用的条件[4]。如今，管线钢的研究热点转为宽幅厚规格产品的研发和稳定生产方面。

国内大多数具备卷板生产能力的企业均可稳定生产X80及以下钢级管线钢，但能够稳定生产厚规格X70和X80管线钢的企业却寥寥无几。即使部分企业能够供货，其成材率和稳定性也存在很大问题。究其原因在于厚规格产品的韧性、尤其是DWTT性能无法稳定控制，这已经成为厚规格管线钢产品生产的主要瓶颈[5]。厚规格管线钢的韧性稳定控制是一个很复杂的问题，本文针对这一问题在合金设计方面进行研究和探讨，并提出合理的合金设计理念，现场应用获得较理想的效果。

研究方法及测试技术

试样制备

首先使用JMatPro软件，通过理论计算研究Cr和Mo合金对相变的影响。然后，利用100 kg真空感应炉分别冶炼不添加Cr和以及采用Cr部分替代Mo合金的试验钢，经实验室锻造，采用控轧控冷技术制备成18 mm厚板材，终轧温度控制在880℃，冷却到450℃后，移入马弗炉中缓冷处理，以模拟卷取工艺。两种成分的试验钢均采用相同工艺生产，试验钢成分如表1所示。

表1 试制钢板的化学成分(质量分数，%)

测试技术

拉伸实验采用CMT30微机控制电子万能实验机，实验温度为室温(25℃)，结果按照GB/T 228—2002“金属材料室温拉伸实验方法”直接通过测试软件得出。冲击试验按照国标GB/T 229—1994测试，试验设备为JBW-500冲击试验机，冲击能量为500 J·cm–2，测试温度为–40℃。为了考察冲击韧性的稳定性，对两样品分别进行30组冲击试验，并对数据进行统计分析。金相组织和断口组织分析使用金相显微镜(OLYMPUS-BX51)和扫描电镜(SSX-550)。

实验结果与讨论

组织与冲击韧性

管线钢冲击韧性是最重要的指标之一，厚规格管线钢研发难度主要在韧性的稳定控制方面。管线钢组织对冲击韧性影响非常明显，这方面研究也相对较多[6]。一般认为管线钢以粒状贝氏体为主，同时含有少量准多边形铁素体和贝氏体铁素体的混合组织对提高韧性有利，混合组织因大角度晶界较多，对裂纹扩展阻碍作用显著。

截取DWTT冲击断口下部组织进行分析，如图1所示。分析发现，厚规格管线钢因淬透性较差，靠近心部组织以粒状贝氏体为主，且组织中MA组元较多，尺寸较大，呈独立分布形貌特征。经扫描电镜检验发现，二次裂纹大部分在MA组元位置萌生和扩展。而且，靠近断口位置MA组元萌生的裂纹已经扩展并连接到一起。进而可以推断，该样品冲击断裂与MA组元有直接关系。

为了进一步研究MA组元对冲击韧性的影响，分别选取实际生产的不同冲击韧性实验残样进行金相组织分析，统计宏观MA组元含量与冲击韧性之间的关系，结果如图2所示。随着MA组元含量增加，冲击韧性呈明显降低趋势。统计结果与金相分析结果一致，即管线钢组织以粒状贝氏体为主时，MA组元含量减少有利于提高冲击韧性。

成分与组织

Mo是提高淬透性较理想的合金元素，特别是高级管线钢，添加一定含量的Mo可以显著推迟铁素体转变，获得针状铁素体组织，有利于提高管线钢韧性。但在研发厚规格管线钢时发现，Mo含量添加过多韧性反而降低。对一批次23炉X80管线钢现场生产数据统计回归发现，当Mo含量0.2%～0.3%时，随着Mo含量增加，X80管线钢冲击韧性呈现降低趋势。

图1 管线钢冲击断口组织形貌特征

图2 MA组元含量对冲击韧性的影响

对比同批次生产不同Mo含量管线钢金相组织中MA组元情况，如图3所示，当Mo质量分数由0.21%增加至0.26%时，MA组元由6.1%增加至11.8%，冲击韧性则由385 J降低至285 J。进一步说明，Mo含量增加导致管线钢中MA组元增加，引起冲击韧性降低。因此，对于厚规格管线钢，应限制Mo合金的添加量，但为了保障心部组织淬透性，需要采用其他合金部分替代Mo合金。

因此，采用JMatPro软件对多种合金进行计算和分析，最终提出Cr合金可以部分替代管线钢中Mo合金的方案，理论计算不同合金设计条件下管线钢的CCT曲线如图4所示，成分如表1所示。

图3 不同Mo含量管线钢中的MA组元含量

图4 Cr部分替代Mo合金条件下管线钢的CCT曲线

厚规格管线钢实际生产采用的冷却速率通常为25～40℃/s，理论计算结果表明，采用Cr部分替代Mo合金的成分设计，同样可以获得铁素体、贝氏体混合组织，同时可以有效避免组织中形成马氏体，即减少MA组元的形成。因此，采用该成分设计进行了实验室冶炼和轧制工作，制备18 mm厚度板材，进行相关测试工作。

力学性能

对比两种合金设计方案力学性能测试结果表明，添加Cr部分替代Mo合金，管线钢的强度变化不明显，但冲击韧性发生显著变化。–40℃冲击试验统计结果表明，采用Cr部分替代Mo合金，管线钢冲击韧性明显提升。此外，冲击韧性数据波动范围也明显变窄，即减少Mo合金，添加少量Cr合金后冲击韧性稳定提高。

对比不同成分设计试验钢金相组织发现，Mo含量降低后，断口组织中MA组元明显减少，准多边形铁素体略有提高，如图5所示。实验结果与理论分析结果一致，减少管线钢中Mo合金含量，采用添加Cr合金的方式提高管线钢淬透性，使得管线钢组织中MA组元减少，进而起到提高冲击韧性的目的。

图5 不同成分管线钢冲击断口组织形貌特征

依据上述研究结果，现场进行试制，对比前后两批次不同成分设计管线钢力学性能，采用Cr部分替代Mo合金化方法后，管线钢冲击韧性稳定提高35 J，落锤撕裂性能DWTT数据稳定，现场试验结果与实验研究结果相吻合。此后，在21.4 mm厚规格管线钢的研发生产过程中，也采用了这项技术，所生产的厚规格管线钢性能稳定，DWTT性能提升显著。