低Mn高Nb耐酸管線鋼熱處理工藝研究

宋 欣，諶鐵強，張國棟，王志勇，王根磯，白學軍

（秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066326）

0 前 言

材料、能源和信息科學是現代文明的三大支柱。石油管線工業是連接材料和能源的橋梁，既為能源的發展提供運輸手段，又為材料工業在能源上的應用提供廣闊的市場。21世紀是我國石油天然氣大發展的時代，隨著我國石油天然氣工業的不斷發展，石油天然氣產量迅速增加，而管道輸送是長距離運輸石油、天然氣的最經濟、安全的手段[1-2]。在石油天然氣輸送過程中，管線腐蝕是不可避免的現象。

本研究設計了一種耐酸性氣體腐蝕、低C低Mn高Nb管線用鋼（1#鋼）。碳含量對材料的焊接性能有較大影響，低碳對焊接性能有利[3]。低C低Mn導致強度的損失，用高固溶的Nb，Cu，Cr和Ni等合金來補償，尤其是Cr可以降低中心偏析，而Cu還具有在中等pH值情況下降低氫的吸入及其滲透率的作用[4]。為與低錳鋼對比，設計了另外一種成分與之相近，錳含量略高的試驗鋼（2#鋼）。試驗鋼經過回火處理后，材料強度大幅度提高而韌性基本不降低，可為發展新一代高強度級別管線鋼提供借鑒，即不需要刻意追求化學成分設計，采用TMCP工藝及原有軋制設備的改造來實現高級別管線鋼的生產，通過簡單的軋后熱處理即可實現此目的。

1 試驗內容及方法

試驗鋼由真空感應爐冶煉、普通澆注而成的鋼錠軋制而成，其化學成分見表1。

表1 試驗鋼化學成分%

1#鋼、2#鋼采用相同的軋制工藝：鋼坯加熱1 220℃并保溫1.5 h后，采用兩階段控軋控冷軋制工藝，軋成10 mm規格鋼板。再結晶區始軋溫度高于1 070℃，非再結晶區始軋溫度低于930℃，終軋溫度840℃，后在800～400℃之間加速冷卻，最后空冷至室溫。

使用實驗室電阻加熱箱式爐對該系列鋼進行回火，回火工藝如下：當爐溫加熱到500℃，550℃，600℃，650℃和680℃時，放入試驗樣品，分別保溫1h；采用不同保溫溫度、相同保溫時間的回火工藝后，觀察試驗鋼性能與組織的變化，確定最佳回火溫度。

試驗時，按照GB/T 228—2002[5]制成準3 mm×M5標準圓棒拉伸試樣，按照GB/T 18658—2006[6]加工55 mm×10 mm×5 mm半厚標準V形缺口沖擊試樣。拉伸性能及沖擊性能測試分別在WE-30萬能試驗機及JB-30/15沖擊試驗機上進行；同時，在光學顯微鏡下觀察微觀組織，用高分辨電鏡JEM-2011觀察微觀形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 回火處理對試驗鋼力學性能的影響

在高強度超低碳貝氏體鋼的生產過程中，適當的回火工藝可使鋼的強度大幅度提高，而伸長率和沖擊韌性則有不同程度的變化[7-8]。圖1為回火前后1#鋼、2#鋼屈服強度和抗拉強度的變化。軋后未經回火時1#鋼、2#鋼的屈服強度分別為485 MPa和553 MPa，對應的抗拉強度分別為615MPa和683MPa；隨著回火溫度的升高（軋態溫度500℃→550℃→600℃→650℃→680℃），1#鋼、2#鋼的力學性能均發生了明顯的變化。600℃左右回火時，兩種試驗鋼的屈服強度與抗拉強度均達到了最大值，與軋態相比，600℃左右回火處理后的1#鋼、2#鋼的屈服強度分別提高到591 MPa和680 MPa，相應的抗拉強度增加到668 MPa和756 MPa，抗拉強度的增幅略小于屈服強度的增幅，從而使得1#鋼、2#鋼的屈強比在600℃左右回火后略有提高。經過500～600℃回火后，兩種試驗鋼屈服強度和抗拉強度均是逐漸增加的；600℃回火后達到峰值，隨著回火溫度的繼續增加，屈服強度和抗拉強度均有不同程度的下降，此現象表明，600℃回火并保溫0.5 h的工藝能明顯改善兩種鋼的性能。

在成分體系接近的情況下，w（Mn）略高的2#鋼（比1#鋼高0.50%），其軋態屈服強度及抗拉強度均較1#鋼高70 MPa左右。600℃回火后，2#鋼屈服強度較1#鋼高89 MPa，抗拉強度較1#鋼高大約90MPa左右。通過以上分析可以得知，w（Mn）=0.1%可使鋼的屈服強度和抗拉強度提高約10～20 MPa。

從力學性能試驗結果可以看出，1#鋼及2#鋼軋態強度分別可以達到X70及X80水平；通過600℃回火并保溫0.5 h的熱處理工藝后，分別能達到X80及X90水平，由此說明回火熱處理能明顯改善試驗鋼的力學性能。回火處理后強度的提高是由被軋態析出物的位錯不能回復、回火過程中又有新析出相造成的[9]。

圖1 回火溫度對試驗鋼強度的影響

圖2為回火溫度對試驗鋼伸長率的影響。從總體趨勢上看，隨回火溫度的變化，兩種試驗鋼伸長率的變化不大，1#鋼伸長率維持在17.5%～22.5%之間，2#鋼伸長率維持在17%～20%之間，在600℃左右回火后，兩種試驗鋼伸長率達到最小值。500～600℃回火后，伸長率逐漸下降，600℃時出現最小值；后隨著回火溫度的繼續增加，延伸率有不同程度的上升，但總的變化幅度不大，這表明強度的變化對表征材料塑性指標的伸長率會產生一定的影響，即強度的提高可略微降低材料的伸長率。

圖2 回火溫度對試驗鋼伸長率的影響

圖3為不同回火溫度（500℃，550℃和600℃）及軋態對試驗鋼板在-20℃下沖擊性能的影響。由圖3可以看出，回火溫度對沖擊功的影響不大。對成分接近的1#鋼和2#鋼，1#鋼-20℃沖擊功穩定在92～97.5 J，2#鋼沖擊功穩定在95～112.5 J。以上現象表明，回火處理對試驗鋼韌性損失不大。即1#鋼、2#鋼在強度大幅增加的前提下，韌性基本保持不變，達到了強度和韌性的良好匹配。

圖3 回火溫度對試驗鋼沖擊韌性的影響

2.2 回火工藝對試驗鋼組織的影響

2.2.1 回火前后組織變化

工程用針狀鐵素體組織的定義可用連續冷卻過程中形成的準多邊形鐵素體、無原奧氏體晶界的貝氏體鐵素體、粒狀鐵素體及M/A組元混合組織來描述。根據鐵素體組織的分類，并結合兩種試驗鋼軋制狀態微觀組織形貌，可以把試驗鋼的軋態組織定義為針狀鐵素體。

圖4為1#鋼的軋態及500℃，550℃，600℃，650℃和680℃回火后的微觀組織。未經回火時，1#鋼的軋態組織主要為針狀鐵素體組織，基體中彌散分布著M/A組元和碳化物；隨著回火溫度的升高 （由軋態溫度→500℃→550℃→600℃→650℃→680℃），鐵素體板條逐漸合并，M/A組元以及碳化物明顯分解；在經過600℃回火后，出現了準多邊形鐵素體；隨回火溫度的進一步升高，準多邊形鐵素體變得較為粗大，且數量也逐漸增多。

圖4 1#鋼回火前后組織形貌

在鋼的各種組織中，其穩定性由準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體依次減弱，組織演變的終點應為平衡態組織—準多邊形鐵素體[10]，1#鋼的試驗結果能較好的印證這一點。經過高溫回火后，1#鋼的基本組織形態不變，仍以針狀鐵素體為主，改變的只是基體上第二相的分布，如碳化物及M/A組元的多少及尺寸等。

圖5 2#鋼回火前后組織形貌

2#鋼經相同回火工藝后，組織的變化規律和趨勢與1#鋼相似。如圖5所示,在軋制狀態時，可以明顯看到針狀鐵素體的基本特征；隨回火溫度的升高，鐵素體板條合并，碳化物及M/A組元消失，準多邊形鐵素體逐漸增多。

從力學性能試驗結果可以看出，在600℃左右回火后，兩種試驗鋼達到了強度及韌性的最佳匹配，說明回火前后鋼的組織類型雖然基本保持不變，但性能卻有很大改善，應歸因于回火后Nb和Ti（CN）的大量析出對位錯的釘扎，使得鋼的強度大幅提高。

總之，1#鋼及2#鋼在軋制工藝及回火工藝相同的情況下，總體上看，組織以針狀鐵素體為主，說明少量的合金元素對顯微組織影響不大，顯微組織的變化與軋制工藝關系比較密切；經過500℃,550℃,600℃,650℃和680℃回火后，與未回火的軋制狀態相比，鋼的組織類型基本保持不變，仍以針狀鐵素體為主；但在力學性能卻有很大差異。

2.2.2 回火前后組織位錯及析出物的影響

兩階段控軋過程會有應變誘導Nb，Ti（CN）析出，但由于加速冷卻且終冷溫度較低，對于高Nb微合金鋼存在較高的溶質Nb；回火可以使微合金元素析出，多且細的回火析出物可以進一步提高鋼的強度，尤其是屈服強度。

從回火處理對力學性能的影響可以看出，經過600℃回火后，試驗鋼的強度和韌性達到較好的匹配；同時，在回火前后，試驗鋼的顯微組織基本沒有變化，仍以針狀鐵素體組織為主；因此，僅從顯微組織上看，難以把握力學性能改善的原因。一般而言，管線用鋼屬于高強度低合金鋼（HSLA）范疇，故遵循HSLA鋼的一般強化原理，其強化機制主要包括沉淀析出強化、晶界強化、位錯強化、固溶強化和相變強化等。

本研究兩種試驗鋼的軋制工藝及軋后熱處理工藝相同，不同之處在于常規合金Mn略有差異，而其他微合金元素，如Nb及Ti基本相同。因此，在軋制狀態時，可以認為多種強化機制共同作用；回火處理后，由于微合金元素Nb及Ti的沉淀析出，對力學性能的變化有較大的影響。為方便研究，僅選取了1#鋼的軋態及600℃回火狀態進行簡單對比。

圖6為1#鋼軋態及600℃回火后的微觀形貌。一般情況下，通過兩階段控軋及控冷工藝后，在保留了較多加工硬化的同時，抑制了微合金元素Nb，V，Ti（CN）的析出；但回火過程使得微合金元素的析出過程重新開始，且析出物的數量增多，尺寸更加細小，增強了析出物對位錯及晶界的釘扎作用，產生了強烈的沉淀強化效果，因此提高了鋼的強度[11]。如圖6所示，軋態時，在控制軋制變形過程中形成的變形位錯，被一些細的Nb和Ti（CN）釘扎，這些變形位錯在相變過程中被保留下來，且仍然處于被釘扎狀態。600℃回火后，與軋制狀態相比，析出物量進一步增加，釘扎位錯現象比較明顯，能說明600℃左右回火后鋼的力學性能改善的原因。

圖6 1#鋼軋態及600℃回火后微觀形貌

3 結 論

（1）通過對兩種軋制狀態下的試驗鋼進行500℃，550℃，600℃，650℃和680℃回火后發現，在600℃左右回火，可使試驗鋼的強度大幅提高，韌性基本沒有損失，強韌性達到良好匹配。

（2）回火前后試驗鋼的微觀組織基本不變，回火前后的組織類型以針狀鐵素體為主；隨著回火溫度的升高，鐵素體板條將會逐漸合并，M/A組元和碳化物明顯分解，出現準多邊形鐵素體。

（3）經過600℃回火、保溫0.5 h處理后，細小析出物釘扎位錯并阻礙位錯的運動，是兩種試驗鋼力學性能改善的主要原因。

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