Cr-Mn-Mo 低合金钢中白亮带对力学性能的影响

2023-10-16靳博颖姜根锋赵健明

钢管 2023年4期

彭杨，靳博颖，姜根锋，赵健明

（1.衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳 421001；2.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司，陕西西安 710065）

钢液在凝固过程中，溶质元素在固液相中进行再分配时，铸坯中的元素分布不均匀，铸坯中心部位的C、S、P 等元素含量明显高于其他部位，产生中心偏析，凝固末期，在铸坯厚度中心的枝晶间产生微小空隙，形成中心疏松［1-2］。中心偏析与中心疏松是连铸坯中相伴而生的两种缺陷，是由气体、低熔点杂质、偏析组元在中心部位最后凝固而成，因此对钢的强度、塑性、韧性和耐蚀性产生一定影响，严重的会引起冲击试样断口剪切面积百分比低，以及分层和内折缺陷，导致报废［3-8］。采取措施促进铸坯中心凝固组织等轴晶化，减少钢液中易偏析元素含量，控制铸坯鼓肚量，就可以减缓中心偏析和中心疏松的产生［2］。在连铸过程中多采用电磁搅拌来降低连铸坯的中心疏松和中心偏析等缺陷，能明显改善产品质量，但电磁搅拌后会在连铸圆管坯上产生白亮带［9-14］。该白亮带位于连铸坯的横断面上，经酸浸后呈现出一个颜色较浅的圆形亮带，圆形亮带的本质为致密晶杆组织（具体的组织类型取决于电磁搅拌具体安装位置），形成机理为外加力场作用导致白亮带区域凝固组织致密性明显高于其附近区域，致密的低溶质浓度晶杆组织经过酸洗腐蚀以后即呈现出白亮特征，称为白亮带［11］。通常电磁搅拌强度越大，白亮带越明显。连铸圆管坯经轧制成钢管并进行调质处理后，白亮带仍不能被消除。由于白亮带区域内的C 呈负偏析，会导致钢的硬度和强度下降，塑性和冲击韧性提高［13-14］。现针对常用的Cr-Mn-Mo 低合金钢中的白亮带，采用成分分析、显微组织观察和力学性能检测等方法，分析与研究白亮带对力学性能的影响。

1 试验过程与结果

1.1 试验材料

选用经低倍酸浸后存在明显白亮带的Cr-Mn-Mo 钢Φ280 mm 连铸圆管坯，以及由这些连铸坯经轧制和热处理制成的Φ273 mm×21.5 mm 规格P110套管和Φ273 mm×30 mm 规格P110 接箍料管。

1.2 试验过程

1.2.1 低倍检验

在Φ280 mm 连铸圆管坯上取低倍试样，酸浸后检验面上呈现出两圈白亮带（图1），白亮带的直径为90～135 mm，宽度3～10 mm，紧挨白亮带内侧是颜色偏深的圆圈，白亮带内及附近组织致密，无疏松斑点。该圆管坯经轧制成钢管并进行调质处理后，白亮带只是弱化了许多，但未消除。

图1 Cr-Mn-Mo 连铸圆管坯和调质钢管上的白亮带

1.2.2 化学成分分析

选取连铸圆管坯白亮带宽度超过10 mm 的区域及附近区域，分别在白亮带内和基体上相隔5 mm 的内（取2 点）、外（取3 点）位置用直读光谱进行成分分析，检验结果见表1。从表1 可以看出：①基体上的内、外5 点的成分相差不大，白亮带区域的C 异常偏低，只有0.213%，与相邻基体存在明显差异；②白亮带区域其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo 等也存在偏低现象。

表1 Cr-Mn-Mo 连铸圆管坯的化学成分（质量分数）分析结果 %

1.2.3 金相观察分析

分别检验Φ273 mm×21.5 mm 规格套管和Φ273 mm×30 mm 规格接箍料管在不同热处理状态下的白亮带及其相邻部位的显微组织。同一状态下，两个规格的显微组织无明显差异。其中，Φ273 mm×30 mm 规格接箍料管热轧态的显微组织如图2 所示，为铁素体+少量珠光体和贝氏体，存在混晶现象，有两条白亮带，带宽分别为0.44 mm和0.49 mm，距内壁2.0～2.5 mm（图2a）；白亮带内组织由相对较多的块状铁素体和板条+针状铁素体，以及少量块状珠光体组成（图2b）；白亮带外圈的块状铁素体呈网状分布，网状铁素体内为长短不一、位向各异的针状铁素体，同样还有极少量的块状珠光体和条状贝氏体（图2c）；白亮带内圈的组织是少量的块状黑色珠光体依附着块状铁素体，贝氏体呈相对粗大的条状分布，而针状铁素体相对短而细（图2d）。接箍料管淬火态的显微组织如图3所示，均为板条状马氏体，白亮带腐蚀颜色相对较浅。接箍料管调质态的显微组织如图4 所示，外壁的组织为保持着原马氏体位向的回火马氏体+回火索氏体，白亮带和内壁的组织则是转化完全的回火索氏体。

图2 Φ273 mm×30 mm 接箍料管热轧态的显微组织

图3 Φ273 mm×30 mm 接箍料管淬火态的显微组织

图4 Φ273 mm×30 mm 接箍料管调质态的显微组织

1.2.4 硬度检验

分别检测Φ273 mm×21.5 mm 规格套管和Φ273 mm×30 mm 规格接箍料管的淬火态和调质态的硬度，沿白亮带及附近每相隔1.0～1.5 mm 用显微维氏硬度计进行测试，白亮带上取两点，白亮带外靠内壁取3 点，靠外壁取5 点，硬度检测结果见表2 和如图5 所示。从表2 和图5 可以看出：白亮带位置的硬度均低于其他区域，接箍和套管淬火态的硬度值较其他区域分别有218 HV10 和201 HV10 的极差，呈现出山谷形分布，白亮带内侧高于其外侧；调质处理后，硬度值的极差下降到43 HV10 和45 HV10，白亮带与其相邻区域的硬度值差值分别为25～29 HV10 和27～35 HV10，硬度变化曲线相对平缓。

表2 Cr-Mn-Mo 钢管的硬度检测结果（由外向内） HV10

图5 Cr-Mn-Mo 钢管的硬度变化趋势

1.2.5 力学性能试验

在Φ273 mm×30 mm 规格的接箍料管上分别取全壁厚条形试样、圆棒试样，并在该接箍料管白亮带处取5 mm×5 mm 小试样进行拉伸试验，再分别在外表面1/4、中间壁厚、内表面白亮带区取横向10 mm×10 mm×55 mm 全尺寸冲击试样进行0 ℃冲击试验，试验结果见表3。从表3 中可以看出，所有类型试样的力学性能均符合API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》中的P110 钢级要求（小试样强度值低于其他试样），其中小试样的抗拉强度Rm和屈服强度Rt0.6比圆棒试样分别低36 MPa 和52 MPa，但与全壁厚试样相比未有明显的差距，分别为7 MPa 和9 MPa；白亮带区试样的冲击值高于其他位置试样，外表面1/4、中间壁厚试样的冲击功没有明显的差距。

表3 Φ273 mm×30 mm 规格接箍料管的力学性能检测结果

2 分析与讨论

白亮带成因解释有溶质冲刷机理、凝固速率变化机理、区域溶质再分配机理和溶质析出-扩散机理。这些假说从不同的方面对白亮带的形成做了解释，都认为白亮带是溶质化学成分偏析所致。在连铸工艺条件一定的情况下，白亮带宽度与铸坯通过电磁搅拌线圈的时间有关，停留时间越长，白亮带越宽［13］。

低倍酸浸后，圆管坯低倍样检验面上出现两圈白亮带，白亮带内及附近组织致密、无明显疏松，这是因电磁搅拌冲刷凝固前沿，促进等轴晶粒形成，补缩枝晶间隔，使凝固组织均匀等作用导致的；经调质处理后的钢管上的白亮带被弱化了许多。

通过对Cr-Mn-Mo 连铸圆管坯上的白亮带进行化学成分分析发现，白亮带内的C 元素含量有较大地下降，其他主要合金元素如Cr、Mn 和Mo等下降幅度相对较小。连铸坯中产生偏析的根本原因是由于溶质元素在固相中溶解度较小，而在液相中溶解度较大，连铸坯中化学成分的偏析受三方面因素的影响：一是溶质元素的平衡分配系数，二是连铸坯的凝固速度，三是液芯内钢水的流动状况。钢中各溶质元素的偏析倾向与其在固—液相之间的平衡分配系数有关，即平衡分配系数越小，偏析倾向越大，其中C 元素是容易产生负偏析的元素，Cr、Mn和Mo 等是负偏析倾向相对较小的元素，所以白亮带内的C 元素含量相较其他位置有较大降低［9-14］。文献［15］认为：电磁搅拌形成的钢液对流将高溶质元素的钢液带走后形成了C 元素的偏析负区，该区域在随后的冷却中形成了尺寸较大的铁素体晶粒，在低倍酸浸时相对其他区域更耐腐蚀而显示为白色。

从硬度检测结果来看，白亮带的淬火态的硬度与其他区域相差较大，达到了201～218 HV10，而调质态的硬度差距会下降较多，只有43～45 HV10，这是因为白亮带区的C 含量虽然偏低，但淬火后得到全马氏体，再经回火处理后，白亮带区与内壁均得到回火索氏体，硬度下降相对较小，因此与基体的硬度差距得以大幅度缩小。

显微组织观察结果表明，热轧态Cr-Mn-Mo 钢管的不同位置的显微组织存在较大差异，其中基体为铁素体+少量珠光体和贝氏体，白亮带内则由相对较多的块状铁素体和板条+针状铁素体以及少量块状珠光体组成，白亮带外圈是由块状铁素体和少量块状珠光体及条状贝氏体组成，白亮带内圈是少量的块状黑色珠光体依附着块状铁素体，贝氏体呈相对粗大的条状分布，而针状铁素体相对短而细。淬火态钢管的不同位置的显微组织差异较小，均为板条状马氏体，只是白亮带腐蚀颜色相对较浅；回火后，外壁为回火马氏体+回火索氏体，白亮带和内壁为回火索氏体，显微组织差距进一步缩小。

调质态接箍上白亮带与其相邻区域相差分别为25～29 HV10 和27～35 HV10，如果硬度与强度值按1 HV10≈3 MPa 换算，则白亮带与其相邻区有75～105 MPa 强度值差。而从拉伸性能检验结果来看，含白亮带小试样的强度值较圆棒试样小很多，但与全壁厚试样相比，并未有明显的差距，Rm和Rt0.6只低了7 MPa 和9 MPa。从冲击性能检验结果来看，含白亮带区试样的冲击值高于其他试样，外表面1/4 试样与中间壁厚试样的冲击值没有明显差距。笔者认为产生这种现象的原因是：①白亮带所占区域面积较小，且呈圆弧形分布，小型条状拉伸试样取样并不全是白亮带区域，也带有部分强度和硬度高的基体区域，提高了试样的强度值；②全壁厚试样既有白亮带区，又有内、外表面脱碳层区，因此强度值相对较低，而圆棒试样通常取自管壁中间位置，由此测得的强度值最高；③调质处理后，虽然淬火态硬度差别较大，但回火处理后的硬度差别大大减小，因此白亮带对材料的整体性能影响不大。