微合金化150V级高强韧无缝钢管用钢研究

杨志强，汪开忠，胡芳忠，王自敏，陈世杰，吴林，潘红波

（1.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心,安徽 马鞍山 243000；2.安徽工业大学工程研究院,安徽 马鞍山 243032）

引言

无缝钢管在我国国民经济中占有重要地位，在轨道交通、船舶运输、能源化工等领域应用广泛。轨道交通领域用无缝钢管常被用于汽车转向器、汽车油路、汽车支撑杆和汽车油缸等［1］。随着我国节能减排、轻量化的要求提高，使我国无缝钢管向高强度、高韧性方向发展。如特殊工程车用无缝钢管的屈服强度须达890 MPa，页岩气井用无缝钢管的强度级别须达140V级等［2］。由于页岩气开采地质环境恶劣，需采用水平井分段多级压裂，压裂的压强高、作业时间长，无缝钢管的强韧性低在开采中易产生开裂，导致失效，近年来无缝钢管失效时有发生，因此对无缝钢管的强韧性、抗挤毁性能要求提高［3-4］。

为解决无缝钢管高强韧性的需求，国内企业开发出110V，125V和140V级高强韧无缝钢管。如140V级钢管，140表示钢的强度等级，屈服强度≥140×6.89 MPa；V表示高韧性抗挤毁，0℃冲击功≥0.1×RP0.2J。针对更高级别无缝钢管研究报道较少［5-7］。为满足150V级高强度及韧性无缝钢管（屈服强度1034～1241 MPa，0℃冲击功≥100 J）的需要，马钢通过合理成分体系设计及制造过程全流程控制，生产出满足150V级无缝钢管的管坯，为深高强韧无缝钢管开发提供数据支撑。

1 实验材料与方法

采用Cr-Mo-Ni-Nb-V系设计150V级无缝钢管用钢，成分如表1所示。150V级高强韧无缝钢管用管坯的生产流程为：电炉→炉外精炼（LF）→真空脱气（RH）→连铸（大方坯）→圆钢轧制。钢管的工艺流程简要概况为：圆钢下料→加热→穿管→轧管→定径→冷却→调质热处理→检验→螺纹加工→成品发货。

表1 150V级无缝钢管用钢化学成分

钢的淬透性采用ASTM A255标准进行了模拟计算，钢的强度变化采用Thermo-Calc进行了计算分析。150V级无缝钢管用钢采用超高功率电弧炉冶炼，电弧炉采用低P低S铁水，精选废钢。炉外精炼采LF+RH工艺。LF精炼时采用优质合金，充分造渣，严控白渣时间。采用RH炉真空脱气，保证脱气时间和低的真空度。连铸采用恒温、恒拉速、恒液面，连铸采用中间包感应加热控制过热度。连铸过程采用结晶器电搅、铸流电搅、凝固末端电搅，使铸坯的枝晶偏析等减弱。并利用重压下工艺对铸坯进行压下减小铸坯的疏松、缩孔等缺陷提高铸坯中心质量。铸坯经充分缓冷后，保证冷坯入炉，控制加热温度及升温速率，提高铸坯内外温度一致性。轧制采用大轧制比，轧制比＞8，并且采用单次大变形工艺。圆钢轧制后入坑缓冷。

力学性能测试按照GB/T 2975标准进行取样，拉伸和冲击性能分别按照GB/T 228和GB/T 229标准进行测试。拉伸测试采用德国Zwick制造的Z600电子拉伸试验机、冲击测试采用深圳三思制造的ZBC300冲击试验机进行。采用Axio Imager M2m金相显微镜、QUANTA450扫描电镜等分析微观组织。

2 实验结果与分析

2.1 成分优化设计

150V级无缝钢管用钢的淬透性及强度模拟结果如图1所示。由图1可知，采用设计成分的淬透性在距离端部0.75 cm内硬度均≥52 HRC，且硬度差＜1.5 HRC，表明淬透性高、淬透均匀性好。在距离端部1 cm后硬度降低约为48HRC，仍具有较高的硬度。随回火温度的升高屈服强度降低，200℃低温回火时，屈服强度达到1585 MPa；回火温度600℃时，屈服强度为1100 MPa；当回火温度低于700℃时，屈服强度均≥1050 MPa，满足150V级强度需要。

2.2 冶金质量分析

对圆钢GB/T 1979标准进行低倍评级，低倍组织如图2所示。由图2可知直径150 mm的圆钢低倍组织中心疏松为1.0级，无分层、夹杂、翻皮、裂纹、气泡和白点等缺陷，中心质量优良。

按GB/T 10561的A法评级对圆钢进行评级，评级结果如表2所示。由表可知，圆钢的A类和C类夹杂物为0级。B类、D类和DS类夹杂物都小于技术要求，控制较好。

表2 150V级无缝钢管用圆钢夹杂物评级（单位：级）

2.3 力学性能分析

由于150V级无缝钢管的最终尺寸约为直径140 mm、壁厚13 mm，因此在圆钢的外边缘、1/2半径及心部3个位置取纵向毛坯进行热处理及拉伸和冲击性能检验。热处理温度由150V级无缝钢管钢的平衡相图（如图3所示），可以看出150V级钢完全奥氏体化温度为800℃，故选择880℃×45 min淬火。150V级钢在650℃时M23C6的析出相较高，并且高温有助于析出相快速析出，故选择650℃×90 min回火。按照标准拉伸及冲击试样进行力学性能检验，拉伸和冲击性能如表3所示。由表3可知，圆钢不同部位的力学性能均满足技术要求。但是圆钢心部的力学性能较低，这是由于圆钢的中心部位存在疏松不致密导致。由于圆钢后续还进行轧制，经轧制后钢管壁厚的致密性、均匀性将会进一步提高，会使性能提升。

表3 150V级无缝钢管用圆钢不同部位力学性能

3 讨论

150V级无缝钢管用钢具有较高的强韧性，成分设计是基础。目前国内无缝钢管用钢的成分体系可分为Si-Mn系和Cr-Mo系，Cr-Mo系可使钢的淬透均匀性、组织均匀性、回火稳定性等性能提高，从而保证无缝钢管的管体性能均匀性稳定［8］。本次150V级无缝钢管钢成分优化设计思路是：Cr是碳化物形成元素，Cr能够使钢的淬透性和强度均提高，Cr能够提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，有利于腐蚀环境页岩气开采，但Cr含量过高时将增加再热裂纹敏感性。Mo主要是提高钢的淬透性和耐热性，固溶于基体的Mo能够使钢的组织在回火过程中保持较高的稳定性，且能有效降低P，S和As等杂质元素在晶界处偏聚，从而提高钢的韧性，降低回火脆性。Mo降低M7C3的稳定性，当Mo含量较高时将形成针状Mo2C，将导致基体Mo含量减少。Mo能够通过固溶强化和沉淀强化的共同作用提高钢的强度，也能通过改变碳化物的析出来改变钢的韧性。

Cr-Mo系钢中添加适量的微合金元素Nb，V和Ti有利于强韧性。图4为经热处理后1/2半径处的晶粒度，晶粒度为9.5级。这是由于Nb，V和Ti在钢中形成细小弥散的NbC，VC和TiC，通过钉扎晶界阻碍晶粒长大，晶粒细化后使晶界增多在提高强度的同时减缓裂纹扩展从而提高韧性［9-10］。另一方面Ni能够细化马氏体板条宽度，提高强度。并且能够提高层错能，层错能的提高可以使钢有更好的冲击性能［11］。

图5为圆钢经过调质热处理后的微观组织，可看到析出相细小均匀分布。这是由于钢中添加了足量Cr和Mo等合金元素，使淬透性高，从而使马氏体细小，经过高温回火后，形成细小的回火索氏体。图6为析出相成分，可知为微合金复合析出相，细小的第二相能够提高钢的强韧性。另外，采用电炉冶炼结合真空脱气使圆钢的残存有害元素及气体含量较低，经检测钢中w（P）≤0.008%，w（S）≤0.002%，w（As）+w（Pb）+w（Sn）+w（Sb）+w（Bi）≤0.019%，w（O）≤0.0012%，w（N）≤0.0048%。残存及有害元素低，能够减弱元素在晶界的偏聚提高钢的冲击性能。w（O）低有助于减少夹杂物，减少裂纹源。

高均匀性是由于圆钢采用大方坯大轧制比生产，大方坯采用三段电磁搅拌是成分均匀性提高，采用了重压下，使方坯中心质量提升。轧制采用大轧制比又使铸态组织充分破碎，枝晶偏析效应减弱，从而保证了圆钢截面的均匀性。

4 结论

（1）通过添加微合金元素及成分优化设计，采用电炉冶炼、炉外精炼及大轧制比轧制开发出满足150V级无缝钢管性能需要的圆钢。

（2）采用电炉冶炼、炉外精炼使钢的残存元素及气体含量低，有利于减弱残存元素晶界偏聚提高钢的韧性。

（3）采用方坯大轧制生产的直径150 mm圆钢低倍质量优良，圆钢不同部位试样经调质后力学性能均满足150V级无缝钢管性能要求。

（4）150V级用无缝钢管钢由于微合金元素加入使钢的晶粒度细小、回火索氏体均匀细小，使钢具有了较好强度和韧性。