X65管線鋼性能不合的原因分析及改進

婁軍魁等

摘 要：在合金成本最低管線鋼X65鋼種上進行2次不同加熱工藝和冷卻工藝試驗，結果顯示力學和工藝性能出現不合格的問題。文章對比不同工藝條件下的性能及微觀組織，分析不同工藝對管線鋼X65的影響原因。摸索管線鋼X65軋制工序工藝的合理控制區間，制定最優、最合理的工藝控制規程，結果顯示強度具有一定富余量，-20 ℃沖擊功趨于穩定平均達到210 J，性能合格率達到100%。

關鍵詞：管線鋼；性能；加熱工藝；冷卻工藝

中圖分類號：TG142.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0089-02

管線鋼是一種綜合性鋼種，涵蓋多個強度等級、質量等級及多個特殊用途，如強度級別方面包括B級到X120級，特殊用途方面包括抗大變形管線鋼、抗酸管線鋼，海底管線鋼等。

安鋼堅持低成本運行戰略，對X65級別管線鋼進行了成分優化，試驗在不同加熱工藝及冷卻工藝對該成分體系下X65產品性能的影響，結果該試驗條件下X65管線鋼的抗拉強度和沖擊功均出現了不合格現象。為了摸索出低成本管線鋼X65的加熱及冷卻工藝的合理控制區間，對性能不合格的X65管線鋼進行了原因分析，制定合理的加熱及冷卻工藝。

1 試驗條件

為了降低生產成本，對X65級別管線鋼進行了成分優化，其具體成分控制，見表1。

對比不同加熱工藝和冷卻工藝對X65管線鋼性能的影響，在保證其他工藝因素不變的條件下，進行3次工藝試驗，每次軋制10批，見表2。

三次工藝試驗的X65的性能，見表3，表3包括第一次試驗的拉伸性能和第二次試驗的夏比沖擊性能。

根據表3所知，第一次軋制試驗的10批，屈服強度能夠滿足技術標準要求，但抗拉強度存在不合格問題，且最高值僅為578 MPa，富余量不足。技術標準要求-20 ℃沖擊功要大于160 J，但第二次試驗的沖擊檢驗結果均不符合標準要求。

2 結果分析

按照不同工藝進行2次軋制試驗，2次試驗結果均存在性能不合問題。第一次軋制試驗，區別在于終冷溫度控制，其結果造成5批抗拉強度不合，性能合格率僅為50%。第二次軋制試驗，同第一試驗區別在于加熱溫度過高，導致5批沖擊功均不合格。對于這種情況，從加熱溫度和終冷溫度兩種工藝進行分析，對于軋制工藝不作過多分析。

2.1 沖擊不合原因分析

根據第2次試驗工藝及檢驗結果顯示，沖擊功不合的工藝區別加熱溫度過高。針對這一懷疑，我們對沖擊功合格和沖擊不合格（不同加熱工藝）的樣品進行顯微組織檢驗及晶粒度評級。沖擊功合格的晶粒度達到11級，而沖擊功不合格的晶粒度為10級左右，相差1個級別，組織照片，如圖1所示。

由圖1可知，2張顯微組織照片存在明顯差異，圖1（a）組織較為粗大，圖1（b）組織較為細小、均勻。根據上述分析認為，導致該批X65沖擊性能不合格的根本原因在于加熱溫度過高導致原始奧氏體晶粒過于粗大。

板坯進行加熱，目的是提高鋼的塑性，降低變形抗力及改善金屬內部組織和性能，便于軋制加工。[1]

一般將鋼加熱到奧氏體單相固溶體組織的溫度范圍內，并使其具有較高的溫度和足夠的時間以均勻化組織及溶解碳化物，從而得到塑性高、變形抗力低、加工性能好的金屬組織。

為了降低變形抗力和提高塑性，加熱溫度盡量高。但是高溫的加熱制度可能引起鋼的強烈氧化、脫碳、過熱、過燒等缺陷，降低鋼的質量缺陷，因此鋼的加熱制度的制訂應根據鋼的組織特性和生產工藝要求。

對于X65加熱制度主要考慮兩方面因素。一方面要考慮Nb微合金元素碳氮化物充分固溶，另一方面防止晶粒過分長大。由于氮與碳的比例對奧氏體及鈮的碳氮化合物是類似的，鈮的碳化物和鈮的氮化物相互溶解，其碳當量為C+（12/14）N。[2]

根據鈮在碳錳鋼中的一般溶解度關系式，測算繪出的曲線圖，大概查出本鋼種的微合金元素碳氮化合物的溶解溫度在1 200 ℃。

因此考慮爐溫與實際板坯實際溫度存在一定偏差，以及設備能力加熱溫度不能低于1 240 ℃，加熱溫度上限根據試驗結果，不應超1 290 ℃。

2.2 強度不合原因分析

根據第1次軋制試驗結果顯示，共試驗10批，其中5批抗拉強度不合，與之對應的工藝終冷溫度偏高。

根據類似鋼種的CCT曲線圖，試驗鋼在10 ℃/s的冷卻條件下600 ℃左右剛開始向針狀鐵素體轉變，考慮試驗鋼軋制結束到層流冷卻前會析出先共析鐵素體，剩余奧氏體在后續冷卻過程中形成針狀鐵素體，由于軟相比例相對較多是因其強度不合的主要原因，因此為了提高該鋼種的強度應該降低終冷溫度，使之在室溫下得到少量多邊形鐵素體，更多的針狀鐵素體和粒狀貝氏體的混合組織，以提高強度。

3 改進措施及效果

根據夏比沖擊不合和強度不合原因分析得出，沖擊不合根本原因在于加熱溫度偏高所致，強度不合的根本原因在于終冷溫度偏高所致。根據試驗結果、理論分析及生產經驗，對加熱溫度和終冷溫度進行調整。加熱溫度控制在1 250～1 280 ℃，終冷溫度控制在460～500 ℃之間，并對后續生產的X65性能進行改進跟蹤，性能合格率達到100%。

4 結 語

①管線鋼X65沖擊不合根本原因在于加熱溫度過高，原始奧氏體晶粒過分長大。

②管線鋼X65抗拉強度不合根本原因在于終冷溫度偏高，室溫組織硬相比例偏小。

③微合金元素碳氮化合物的固溶溫度曲線是制定加熱工藝的主要依據，CCT曲線是制定冷卻工藝的主要依據。

參考文獻：

[1] 王廷薄，齊克敏.金屬塑性加工學[M].北京：冶金工業出版社，2012.

[2] 王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京：冶金工業出版社，2012.