铬在不同卷取温度下对X65 管线钢组织性能的影响

2022-05-30供稿韩宇文小明周晏锋姜文超HANYuWENXiaomingZHOUYanfengJIANGWenchao

金属世界 2022年3期

供稿|韩宇，文小明，周晏锋，姜文超 / HAN Yu, WEN Xiao-ming, ZHOU Yan-feng, JIANG Wen-chao

内容导读

分别对铬含量为0.30%和不含铬的X65 管线钢采用550 ℃和450 ℃的卷取温度进行轧制实验。并通过拉伸实验、硬度实验、冲击实验、落锤实验、金相组织观察等检测分析方法，研究了0.30%铬含量(质量分数)对X65 管线钢的组织性能的影响。结果表明：在高温卷取时，0.30%铬含量对X65 管线钢的性能和组织影响不明显，但在低温卷取时，含0.30%铬的X65 管线钢的淬硬性加大，强度有明显的提升，而塑韧性有一定程度的降低。

目前，管道输送石油天然气被普遍认为是经济合理的运输方式[1]。随着国民经济的不断发展，我国对石油天然气等战略能源需求也不断增加，加大油气管网建设和提高油气长输管道的输送效率成为了近年来关注的热点，由于石油天然气管道输送能力同管径和输送压力成正比[2-3]，为了提高管道的设计输送能力，长输油气管道用管线钢开始采用X65 级别或更高级管线钢发展。

传统X65 级别管线钢大多采用低碳的铌、钒微合金化复合强化设计，由于我国铌、钒资源稀少，含铌、钒的X65 管线钢合金成本较高[4]。铬元素由于可以提高钢材的淬透性被广泛应用在钢材的热处理加工中，本文通过对比含铬与不含铬X65 管线钢在不同卷取温度下的力学性能和微观组织，研究了铬对X65 级别管线钢的组织性能影响，提出了一种低成本X65 管线钢的合金设计方法。

实验材料及方法

实验材料分别为含铬含量(质量分数) 为0.30%和不含铬的X65 管线钢，具体成分见表1。两种试验钢均来自国内某钢厂工业化生产的X65 管线钢，具体的炼钢生产流程为：铁水脱硫预处理→转炉脱碳处理→炉外精炼合金化(LF)→板坯保护浇注。两种试验钢轧制方案为：将试验钢在步进式加热炉中加热至1200 ℃，保温3 h，使试验钢完全奥氏体化，在2300 热连轧机组将已加热的X65 试验钢坯轧制成14 mm 厚度热轧钢板，终轧温度控制在830 ℃，最后将每一种X65 管线钢都通过层流冷却分别冷却到550 ℃和450 ℃进行卷取。

表1 试验钢化学成分(质量分数，%)

对不同卷取温度下的两种成分设计的X65 试验钢板按照GB/T 2975—2018 标准沿垂直于轧制方向取宽向样，编号分别标记为1#、2#、3#、4#。四个试样根据GB/T 228.1 加工成标距为50 mm 的拉伸试样，在Zwick-600 万能拉伸试验机进行拉伸实验。利用JBW-500 型摆锤式冲击试验机测定试样的冲击韧性，在JL-30000 落锤试验机根据SY/T 6476 分别对试样进行落锤实验，根据GB/T 4340.1—2009 的标准采用维氏硬度仪对四个试样进行显微硬度测试，试样经体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，利用OLYMPUS-GX71 型倒置式光学金相显微镜观察显微组织。

实验结果与分析

1#~4#试验钢的拉伸实验、硬度实验结果见表2。

表2 试验钢力学性能

卷取温度对X65 钢力学性能影响

热轧卷板在终轧结束后会在冷却辊道上冷却(通常是喷水层流冷却)到指定的温度，然后经卷取机卷成钢卷，这一过程被称为卷取过程，钢卷在卷取过程的温度即是卷取温度。由于同一厚度的钢板在冷却辊道的移动时间基本相同，所以如果终轧温度不变，那么钢板的卷取温度越低，钢板在冷却辊道的冷速就越快。通过表2 和图1 可以看出，对于不含Cr 的1#和3#试验钢，由于3#钢的卷取温度更低，3#钢相比于1#钢层流冷却时冷速更大，3#钢的强度和硬度比1#钢均有所升高，低温下3#钢的冲击功降低，但比较落锤实验结果相差不大。观察图2 的金相组织发现，相比于1#钢，在3#钢的组织中发现了贝氏体组织，这说明由于低温卷取温度加快了钢板的冷却速度，导致钢板的组织从铁素体和珠光体组织开始转变为更细小的铁素体和贝氏体组织，从而使钢板的强度得到提高，但细晶强化手段并不会造成钢材塑韧性的降低，所以3#钢的塑性和韧性均没有明显的降低。

图1 试验钢的力学性能：(a)屈服强度与抗拉强度；(b)硬度与延伸率；(c)冲击功；(d)DWTT

图2 试验钢的金相组织

Cr 对X65 钢力学性能影响

通过表2 和图1 可以看出，在550 ℃卷取温度下，2#钢(含Cr) 的屈服强度和抗拉强度分别仅比1#钢(不含Cr) 增加了14 MPa 和6 MPa，硬度和塑韧性也相差不大。Cr 原子与Fe 原子的半径相近，所以在冷速不大时，Cr 在固溶在钢中以置换固溶体形式存在，由于置换固溶体对Fe 原子造成的晶格畸变较小，对位错运动阻碍也小[5]。所以在其他成分相同时，含0.30%Cr 的X65 钢在550 ℃卷取温度下强度提升并不明显，并且由于Cr 作为固溶“杂质”原子的出现，试验钢的低温韧性也出现了一定程度的降低。

但在450 ℃卷取时，Cr 对X65 钢的力学性能的影响更加明显。通过表2 和图1 可以看出，同样在卷取温度450 ℃的情况下，含Cr 的4#试验钢比不含Cr 的3#钢的屈服强度和抗拉强度分别提升了68 MPa 和49 MPa，同时4#钢的硬度也达到了212 HV10。4#钢的塑性略有降低，韧性在常温时和0 ℃时下降不明显，满足X65 钢的基本要求，但在低温时韧性却有明显的降低，特别在−40 ℃时，落锤撕裂面积降到了60% 以下。这说明含Cr 的X65 钢在450 ℃卷取时，钢板强度在获得很大程度的提升时，韧性也在降低。由于Cr 在铁素体基体中具有较好的扩散性，易与C 结合而形成碳化物，能够降低马氏体、奥氏体转变温度，提高钢的淬透性，使钢在冷却时更易得到马氏体组织[6]，观察2#钢和4#钢的金相组织发现(图2)，4#钢的组织中出现了马氏体，马氏体组织是一种硬而脆的相，它可以显著提高钢的强度，同时也会造成钢材韧性一定程度的降低[6]，这与4#钢板所得到的性能基本一致。所以在常温环境服役时，对于X65 级别管线钢可以通过添加一定量的Cr 并配合较低的卷取温度来实现钢材强度的大幅提升，这样通过在钢中形成马氏体相变强化来部分代替通过添加铌、钒合金实现的细晶强化和沉淀析出强化，从而减少铌、钒合金的使用量，降低X65 钢的合金成本。