冷却制度对X70级管线钢组织与性能的影响

2020-06-28万珍珍

热处理技术与装备 2020年3期

卢威，万珍珍，陈娜

(1. 张家界航空职业技术学院，湖南张家界 427000；2. 江西省科学院应用物理研究所，江西南昌 330090)

管线钢是一种比较典型的微合金化超低碳钢[1]，通常利用轧制和冷却制度的调控来优化其强韧性，如调控开冷温度[2]、终冷温度[3]和冷却速度[4]来控制碳氮化物的析出、位错组态及相变类型，进而影响管线钢的析出强化、固溶强化及相变强化等，最终改善管线钢的综合性能。目前，随着管线钢的开发和应用，国内外学者对其研究也越来越多。王远琦等[5]研究了X 100管线钢的连续冷却相变规律和控轧控冷工艺中不同冷却制度下微观组织特征及显微硬度的变化规律，认为随着冷却速度的升高和终冷温度的降低，管线钢微观组织会逐渐细化，粒状贝氏体含量会不断减少而板条贝氏体含量则会逐渐增加。另外，管线钢显微硬度也会随之增加。然而， M/A岛含量会随着冷却速度的增加而减小，且随着终冷温度的降低呈现先降低后增加的“V”型趋势，并在340 ℃时获得最低值。焦多田等[6]研究了轧后冷却制度对X 80级抗大变形管线钢组织和屈强比的影响。发现轧后弛豫+控制冷却的工艺可以获得铁素体+贝氏体双相组织，认为弛豫终止温度是影响铁素体体积含量和晶粒大小的因素，弛豫终止温度越低，铁素体体积含量越高，晶粒尺寸越大，屈强比越低，而铁素体和贝氏体的协调变形机制是屈强比降低的主要原因。因此，如何改进现有的冷却工艺，对获得高性能管线钢是十分有必要的。

本文以退火后的锻造70X管线钢为研究对象，采用扫描电镜、显微硬度等设备，研究不同冷却制度对管线钢组织及性能的影响。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

实验材料为商用X70管线钢，其化学成分见表1。

表1 实验钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 实验方法

在40 kg空气锻锤实验轧机上采用多向锻造工艺将钢坯轧制成12 mm×40 mm×65 mm小板样。具体轧制工艺为:将试样加热至1150 ℃保温30 min后轧制，终锻温度为850 ℃，累积变形量为65%。轧后空冷至室温，再经过马弗炉进行退火均质化处理。各试样的热处理工艺参数控制如下：试样均以10 ℃/min速度随炉升温至870 ℃保温45 min。然后，1#试样以0.1～2 ℃/s的炉冷冷速至室温；2#试样以10～30 ℃/s空冷冷速至室温；3#试样以200～400 ℃/s的水冷冷速至室温，降温过程中冷速会逐渐下降。具体冷却工艺如图1所示。

沿最终轧制方向在钢板厚度1/4处取样加工。试样利用砂纸逐级研磨和抛光后，使用浓度为4%硝酸酒精溶液侵蚀。利用莱卡金相显微镜(OM)及ZEISS-EVO18型扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织类型观察，采用430SH型维氏硬度计对试样基体的显微硬度进行测量。

图1 实验钢冷却工艺路线图Fig.1 Schematic graph cooling process of tested steels

2 结果与讨论

2.1 微观组织

图2为退火后不同冷却制度的试样钢SEM微观组织形貌。从图中可知，采用炉冷方式冷却至室温的1#试样，获得的组织大部分为多边形铁素体(PF)，还出现部分准多边形铁素体(QF)以及少量的粒状贝氏体(GB)组织，见图2(a)。利用空冷方式冷却至室温的2#试样，其组织与1#试样的类型基本一致，但多边形铁素体(PF)数量略有下降，准多边形铁素体(QF)及粒状贝氏体(GB)数量却稍有增加，见图2(b)。然而，采用水冷方式冷却至室温的3#试样，其组织包括少量的多边形铁素体(PF)和准多边形铁素体(QF)，以及大量的粒状贝氏体(GB)，并且出现了部分板条状贝氏体(LB)及少量的马氏体(M)组织，见图2(c)。与1#和2#试样相比，其组织晶粒更为细小，这主要是因为冷却速度大幅提高，钢中原奥氏体的碳原子扩散不及时，于是在相变过程中多为非扩散型相变，从而形成以贝氏体为主并含少量马氏体的微观组织[7-8]。

(a)1#试样；(b)2#试样；(c)3#试样图2 实验钢显微组织(a)1# specimen；(b)2# specimen；(c)3# specimenFig.2 Microstructure of tested steels

2.1 硬度分析

图3为三种试样钢基体的显微硬度。从图中可知，1#和2#试样的硬度比较低，在149 HV左右。这是因为炉冷和空冷过程中，冷却速率相对较低，更容易形成铁素体组织。而3#试样硬度较高，达到229 HV左右。这是因为水冷的冷却速率较大，在相变过程中大部分形成贝氏体及少量马氏体组织，组织中含固溶碳原子的数量更多[9]，从而提高钢的力学性能。