高钢级管线钢回火再结晶现象分析

赵兴亮，李 艳，刘江成，侯 强，扈 立，赵春辉，张国柱

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

管道输送作为一种流体输送方式，具有经济、安全、高效、不间断和无污染等特点。随着介质输送压力的增大，基于API Spec 5L—2012《管线钢管规范》的高钢级管线管需求逐渐增加［1-2］。对于高钢级的无缝钢管，目前需求较多的为PSL2 X65Q、PSL2 X60Q钢级，为了改善焊接性能，一般采用C-Mn-V-Nb系列生产［3-5］，保证较低的冷裂纹敏感指数Pcm和碳当量CEV［6-7］，通过淬火+回火的热处理工艺，保证了性能达到要求。在热处理过程中由于设备故障会导致钢管性能不满足标准要求，可以通过二次热处理进行改善。

1 生产情况

在生产PSL2 X60Q钢级Φ323.9 mm×14.30 mm规格的高钢级管线管过程中，由于设备出现故障导致钢管在回火炉中长时间停留（高温区保温2.5 h），后续进行性能分析时发现钢管性能异常，钢管力学性能分析结果见表1，试样1为闷炉钢管，试样2为正常钢管，闷炉后钢管的力学性能显著降低。因此，对此钢管进行金相分析，发现内、中、外壁组织完全不同，内、外壁同时出现疑似“脱碳”现象。初步测量试样1的疑似脱碳层深度和晶粒度，内壁脱碳层深度5.2 mm，外壁脱碳层深度2.2 mm；脱碳层区域晶粒度6.5级，中间基体晶粒度8.0级。试样1的疑似脱碳层如图1所示。

表1 钢管力学性能分析结果

图1 试样1的疑似内壁脱碳层

由于闷炉发生在回火炉，回火炉温度一般在640～660℃，这一温度区间一般不会发生脱碳现象，因此针对脱碳层进行了化学成分检测，检测结果见表2。从化学成分看，碳含量并未减少，与熔炼分析是同一个数值，由此可见上述脱碳层深度不应是真实的脱碳层深度。

表2 疑似脱碳层的化学成分（质量分数）检测结果 %

2 验证试验

钢的脱碳是一个不可逆反应，需要通过高温长时间渗碳处理才能恢复［8］。为了进一步确定脱碳层的真实深度。把试样1重新进行930℃淬火，因为又增加了一次高温加热，脱碳层只能在原来的基础上加深不可能减少，原先脱碳部位经过重新淬火后，如果真是脱碳，组织应该是以铁素体为主，但实际情况重新淬火后在原先脱碳部位存在的大部分是板条马氏体组织，只在试样的内、外表面附近有铁素体组织，重新测量的脱碳层内壁深度0.25 mm，外壁深度0.30 mm，显微镜下观察试样内、外壁脱碳情况如图2所示。

图2 试样内、外壁脱碳情况

显然这次检测的脱碳层内、外壁深度远低于第一次的测量结果，经过了再一次的热处理后管线管的脱碳层不但没有增加，反而减少，可以肯定第一次评定的脱碳层不是钢真实的脱碳层，而是发生了调质后的再结晶。

3 再结晶现象分析

3.1 再结晶现象产生的原因

回火过程中，随着马氏体的分解和特殊碳化物的析出，使过饱和α固溶体中碳含量下降，晶格畸变得到很大程度回复，α相将进行再结晶，形成多边形铁素体晶粒，该晶粒由再结晶的铁素体和均匀分布的细条状渗碳体组成。在碳钢中α相高于400℃开始回复，500℃开始再结晶［9-10］。由于合金元素阻碍了马氏体的分解，使α相的马氏体形态保持到更高的回火温度，因此提高了铁素体的再结晶温度。Si和Mn稍微提高α相的再结晶温度；Mo、Cr、V等能显著提高α相的再结晶温度，1%～2%Cr、1%～2%Mo可使再结晶温度提高到650℃左右。在几种合金元素的综合作用下，α相的再结晶温度提高更为显著［11-15］。再结晶也需要时间，0.1%C、0.5%V钢种在600℃回火50 h后才开始再结晶。

PSL2X60Q钢级管线管的成分，C含量为0.09%，较套管低，V的含量只有0.04%，Mn含量较多为1.26%，Si含量为0.24%，但Mn、Si元素提高再结晶温度的作用不大。因此，PSL2 X60Q钢级管线管在淬火后高温区回火2.5 h发生了α相的再结晶及晶粒长大，晶粒度由平时的8～9级长大到6.5级。试样再结晶处和中间部位晶粒度如图3～4所示。

图3 试样再结晶处晶粒度6.5级

图4 试样中间部位晶粒度8.0级

试样中间部位晶粒度8.0级，再结晶处6.5级，为什么同一块试样晶粒有的区域长大有的区域没有长大？天津钢管制造有限公司水淬能达到的速度为80℃/s左右，整个钢管无法全部获得马氏体组织，内、外壁附近冷却速度快，得到M组织，中间冷却速度慢（小于 80 ℃/s）淬火得到 B+F+M少［9］。从试样上已经证实，这样回火后管体内、外壁附近的M组织在炉内高温区保温2.5 h发生了α相的回复、再结晶及晶粒长大，而B+F组织一般情况下没有这种现象产生，所以造成上述情况出现。

3.2 再结晶试样的调质处理分析

将生产的余料切成片状，开展小试样的热处理试验。先进行960℃×30 min淬火，再回火，回火后空冷至室温，两次回火热处理制度见表3。

表3 两次回火热处理制度

观察一次回火和二次回火的金相组织，PSL2 X60Q管线管由于合金含量少，淬透性较低，淬火时马氏体含量受加热温度、水温、水流量、流速的影响较大，此次热处理时加热到960℃淬火，固溶到钢中的合金元素含量增加，淬透性增加，淬火后马氏体含量比通常增多，一次回火组织是S回+B回+F极少，一次回火内壁组织形貌如图5所示。

图5 一次回火内壁组织形貌

二次回火650℃×20 min内壁组织形貌如图6所示，淬火时得到的板条马氏体和贝氏体形态完好，没有发生马氏体回火后的再结晶。二次回火650℃×40 min内壁组织形貌如图7所示，同样没发生再结晶。二次回火650℃×60 min内壁组织形貌如图8所示，部分组织发生再结晶，在试样内壁2 mm内组织形貌已发生了改变，基体已转化成等轴铁素体。二次回火温度650℃保温40 min以内，不会发生再结晶。

图6 二次回火650℃×20 min内壁组织形貌

图7 二次回火650℃×40 min内壁组织形貌

图8 二次回火650℃×60 min内壁组织形貌

二次回火670℃×60 min的组织再结晶形貌如图9所示，一次回火中还存在着淬火时得到的板条马氏体和板条贝氏体。670℃再次回火60 min后，板条马氏体和板条贝氏体已经消失，组织已经转化成铁素体基体和均匀分布的碳化物颗粒。由此可见温度越高越容易发生再结晶，如果选择670℃回火，保温时间应该相应缩短。

图9 二次回火670℃×60 min的组织再结晶形貌

4 再结晶现象消除

再结晶现象的出现会导致钢管性能的异常，因此要避免钢管在调质过程中出现再结晶现象，在出现再结晶现象的情况下要重新进行调质处理。此批闷炉钢管通过重新热处理，其组织形貌如图10所示，为B回+S回+F少，力学性能满足API Spec 5L—2012的要求，闷炉钢管再次热处理后的力学性能见表4。

图10 重新热处理组织形貌

表4 闷炉钢管再次热处理后的力学性能

5 结 论

（1）PSL2 X60Q管线管在高温长时间回火，发生了回火再结晶。发生回火再结晶后，板条马氏体和板条贝氏体已经消失，组织已经转化成铁素体基体和均匀分布的碳化物颗粒；同时，晶粒明显长大，显著降低了力学性能（强度和硬度）。

（2）PSL2 X60Q钢级管线管除了Mn含量稍高，采用微合金化，其余合金元素含量都不高，而Mn对提高再结晶温度的作用不大。由于提高再结晶温度的合金元素含量少，马氏体组织高温回火时间或温度控制不当时易发生再结晶，造成钢的强度和硬度大幅下降。因此，生产高钢级管线钢时要严格控制回火温度和保温时间，如果发生了再结晶可以通过重新调质处理来挽救。