超级双相钢UNS S32760 热挤压管研发

2020-11-25邵海丽刘富强庞于思王锦永武瑞斌

河南冶金 2020年5期

邵海丽刘富强庞于思王锦永武瑞斌

（新兴铸管股份有限公司）

0 前言

UNS S32760是一种特殊的双相钢，属于超级双相不锈钢，兼有铁素体较高的强度、良好的耐氯化物应力腐蚀性能和奥氏体的优良韧性、焊接性[1-6]。UNS S32760具有超低的碳含量，且钢中的铬、钼及氮元素均高于普通双相不锈钢，并且在双相钢的基础上添加少量的钨、铜元素，点蚀当量指数PRE值相对较高，一般在40～45之间，与普通双相钢相比，具有更高的耐点蚀、耐缝隙腐蚀和耐应力腐蚀性能，以及更优的机械性能[7-10]。UNS S32760主要应用于石油天然气工业、海底管道机械部件、热交换器、烟气、化学加工工业、核能等苛刻腐蚀介质环境[11-17]，特别适用于以海水和含氯离子为工作介质的环境。

1 UNS S32760挤压管生产主要工艺路线

UNS S32760挤压管的生产工艺路线主要为：坯料加工→坯料清洗→坯料预热→感应加热→润滑→热挤压成型→在线入水→固溶处理→性能检测→终检。其化学成分依据ISO 13680—2010 《石油和天然气工业用套管、油管和接箍的耐腐蚀无缝合金管交货技术条件》设计，化学成分的标准要求和实际元素含量见表1，要求PRE=%（Cr）+3.3×%（Mo+0.5W）+16×%（N），其值为40～45，根据坯料实际成分计算可得PRE=42.4。

表1 UNS S32760标准化学成分和实际化学成分

2 UNS S32760坯料预热温度选择

UNS S32760采用EAF+AOD冶炼方式，坯料锻制成圆棒管坯，管坯依据ASTM A338—2016《大型钢锻件超声波检验标准》标准L2等级逐支进行超声波探伤，确保坯料无裂纹缺陷。使用金相显微镜放大500倍观察UNS S32760坯料金相组织（如图1所示），其组织为铁素体+奥氏体两相组织，铁素体含量为54.08 %，在铁素体和奥氏体晶界有σ相析出。

图1 坯料金相组织

由于UNS S32760坯料是采用感应加热到挤压温度，感应加热速度快，而钢的传热速率较慢，造成坯料内外温差较大，所以挤压荒管易分层。另外，热加工过程中，奥氏体和铁素体两相中应力分布不均衡，在热挤压过程中容易开裂，同时在热加工过程中容易产生σ相，为保证挤压荒管的质量，应选取合适的温度对坯料进行预热。在进行热挤压之前，预热温度一般控制在750～950 ℃，既能保证坯料温度的均匀性，避免荒管产生裂纹，也可提高生产率和节约能源，降低成本。根据钢温度-时间-相析出曲线[18]，双相不锈钢中σ相的析出温度为600～1 000 ℃。在750～950 ℃温度范围内，875 ℃时，仅保温约0.1 h就会有σ相产生；950 ℃时，保温约0.5 h开始有σ相产生，而750 ℃时，保温2.5 h开始有σ相产生。有研究表明[19]，在950 ℃预热后，UNS S32760存在大量的σ相，导致挤压裂纹产生；而在760 ℃保温30 min后α相与γ相均没有发生明显变化，仅晶界有少量σ相[11]。在750～950 ℃温度区间选择σ相较少的工艺进行预热，取坯料样块在750 ℃保温2 h，之后水冷，其金相组织如图2所示。

图2 坯料750 ℃预热金相组织

从图2可以看出，坯料750 ℃预热得到的金相组织为铁素体+奥氏体两相组织，铁素体为针状铁素体，极少量小颗粒σ相，且σ相分散不连续，证明此预热工艺可行。

3 UNS S32760热挤压生产

采用热挤压方法生产UNS S32760管材，成型设备为DANIELI 6 300 t进口热挤压机，挤压成品规格为95.25 mm×22.86 mm，挤压采用玻璃粉润滑剂进行润滑。超级双相钢的铬、钼、氮含量比普通双向不锈钢高，热加工塑性要低于普通双相不锈钢，而热变形抗力又相对较高，如果热挤压温度偏低，会因钢中铁素体相塑性不良而首先开裂；如果热挤压温度过高，由于铁素体相塑性高但强度低，又极易引起该相的撕裂。经生产实践，此规格的挤压温度为1 120～1 160 ℃，挤压比9，挤压速度为100～200 mm/s，挤压力为25～35 MN，工具的预热温度范围为250～350 ℃。UNS S32760管材经挤压变形后，无目视可见的裂纹、折叠、轧折、离层和结疤，表面质量良好。采用KARL DEUTSGH公司的ECHOGRAPH 1155超声波探伤仪对挤压荒管逐支按ASTM E213—2014 《金属管超声波检验标准操作方法》标准L2级进行超声波探伤，无异形波出现，钢管内部无裂纹、分层等缺陷，超声探伤检测合格。

挤压荒管的金相组织放大100倍（如图3所示），组织为铁素体和奥氏体两相组织，铁素体相比例为59.82 %，金相组织中未发现σ相存在。管材挤压温度在1 100 ℃以上，而σ相在1 040 ℃完全溶解消失，挤压过程可避免产生σ相；另外，为了防止超级双相钢在从高温到室温的冷却过程中有σ相产生，采用挤压后直接在线水冷，入水温度约1 050～1 080 ℃，管子入水1.5～2 min可冷却至50 ℃以下，冷却速度8～12 ℃/s，避免了有害相σ相析出。

图3 挤压态金相组织

挤压生产工艺适合，组织无有害相的产生，管材表面无裂纹，内部无裂纹、分层等缺陷，挤压生产过程正常，产品质量较好。根据多个生产订单统计，采用750 ℃预热+感应加热+挤压方式生产管材时生产节奏快、效率高，平均每小时生产钢管8.1支，钢管合格率为97.6%，而坯料不采用预热工艺，平均每小时生产钢管6.9支，合格率为95.1%。由此可见，增加预热工序，工艺更优。

挤压荒管的性能检测结果：抗拉强度为899 MPa，屈服强度为742 MPa，伸长率为22%，硬度为29.8 HRC，抗拉强度、屈服强度和硬度均较高，伸长率较低，UNS S32760在挤压过程中产生了加工硬化。

4 UNS S32760管材热处理及性能

对挤压荒管进行固溶处理，为防止超级双相钢在从高温到室温的冷却过程中，金属间相和氮化物析出可能会导致钢管脆化，固溶处理需要足够的冷却速度。有实验表明[20]，固溶温度为1 100 ℃，保温时间均为60 min，固溶后试样直接淬水，冷却速度为18～20 ℃/s，仅有铁素体和奥氏体两相存在，无脆性相，且综合性能最优，而挤压荒管冷却速度为8～12 ℃/s，组织也没有有害相产生，钢管采用辊底式固熔炉进行固溶处理，管材固溶温度采用1 100 ℃，保温时间75 min，出炉后水冷，冷却速度为15～20 ℃/s。

4.1 组织及力学性能检测结果

性能依据ISO 13680—2010 标准对80 钢级的要求，要求其铁素体相含量为35%～55%，抗拉强度≥758 MPa，屈服强度为552～724 MPa，伸长率≥20%，硬度要求≤28HRC，冲击试验温度为-10 ℃，横向冲击功≥27 J。依据标准ASTM E 8/E 8M—2016a《金属材料拉伸试验方法》，在万能材料试验机上进行室温下拉伸试验；依据标准ASTM E 18—2017《金属材料洛氏硬度标准试验方法》，使用洛氏硬度测试仪进行硬度检测；依据标准ASTM E 23—2016b《金属材料缺口试样冲击试验方法》，使用摆锤式冲击试验机进行冲击试验。

4.1.1 组织检测结果

挤压荒管经固溶处理后，其组织为铁素体+奥氏体两相组织，铁素体相含量平均为48.73%，无σ相，如图4所示。组织符合标准要求，组织中α相和γ相比例约为1：1。

图4 固溶后的管材金相组织

4.1.2 力学性能检测结果

ISO 13680—2010 《石油和天然气工业用套管、油管和接箍的耐腐蚀无缝合金管交货技术条件》标准要求UNS S32760成品管材的抗拉强度≥758 MPa，屈服强度为552～724 MPa，伸长率≥20%，硬度≤28 HRC，冲击功≥27 J。对UNS S32760管材进行了多组检测，冲击为横向冲击，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，V口，试验温度为-10 ℃，结果见表2。结果显示其抗拉强度的平均值为860 MPa，屈服强度的平均值为642 MPa，伸长率的平均值为35%，硬度的平均值为24.3 HRC，冲击功平均为150 J，符合标准要求，力学性能稳定。

表2 UNS S32760管材力学性能

4.2 耐点腐蚀性能检测结果

依据标准ASTM G48—2011（R2015）《用氯化铁溶液测定不锈钢和相关合金点腐蚀和缝隙腐蚀的试验方法》A法-三氯化铁点腐蚀试验方法对UNS S32760管材的耐点腐蚀性能进行测定。试验溶液采用质量分数为6% 的FeCl3溶液，试验温度为50 ℃，试验时间24 h。在固溶温度1 100 ℃时，组织中的α相和γ相的比例约为1：1，点腐蚀速率较低，耐点蚀性能优良，腐蚀速率平均为0.078 mm/a。