軋制工藝對經濟型X80管線鋼組織和顯微硬度的影響

狄 嫣，王暢暢，賈書君，劉清友，彭巨擘

(1.昆明理工大學材料科學與工程學院, 昆明 650093；2.鋼鐵研究總院結構鋼研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能產業有限公司,昆明 650000)

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軋制工藝對經濟型X80管線鋼組織和顯微硬度的影響

狄 嫣1,2，王暢暢1,2，賈書君2，劉清友2，彭巨擘1,3

(1.昆明理工大學材料科學與工程學院, 昆明 650093；2.鋼鐵研究總院結構鋼研究所, 北京 100081；

3.云南乾元光能產業有限公司,昆明 650000)

摘要：利用Gleeble-1500D型熱模擬試驗機對傳統型X80管線鋼和經濟型X80管線鋼進行模擬軋制，研究了變形溫度、冷卻速率和終冷溫度等工藝參數對其組織和硬度的影響。結果表明：兩種試驗鋼的組織均為針狀鐵素體、少量準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，二者的顯微硬度相差不大；隨著變形溫度降低、冷卻速率增大和終冷溫度降低，經濟型X80管線鋼的組織逐漸細化，M/A島由棒狀逐漸變成圓點狀，尺寸變小，顯微硬度的波動不大。

關鍵詞：X80管線鋼；控軋控冷；針狀鐵素體；顯微硬度

0引言

隨著世界經濟的快速發展，對能源的需求日益增多。目前，石油和天燃氣仍然是主要的能源，因此，大直徑、高壓力、大輸送量已成為進一步提高管道輸送效率的重要發展趨勢。在這種情況下，采用高強度等級的管線鋼將更加經濟合理。此外，由于長距離管線途經地區的地理條件十分復雜和惡劣，因此對管道用鋼可靠性的要求越來越高。目前，我國高鋼級X80管線鋼已大規模生產并被應用于管道建設項目中，其在“西氣東輸”二線的用量就已達432.6萬t[1]。在未來的10～15 a內，中國將需要約1 000萬t高性能管線鋼[2]。針對當前我國能源緊缺和供需缺口較大的現狀，開發及研制經濟型管線鋼可以帶來巨大的經濟效益[3]。而只有選擇適宜的軋制工藝進行精確的組織、成分控制，深入了解各微合金元素的作用及其對管線鋼性能的影響，才能制備出高質量的管線鋼。

控軋控冷技術是20世紀60～70年代發展起來的熱機械處理或形變熱處理技術，代表了高強度低合金鋼的發展方向?？刂评鋮s工藝中的變形量、變形溫度、冷卻速率和終冷溫度對管線鋼最終的組織和性能具有直接影響。通過調整工藝參數可以獲得最佳的組織，進而改善鋼的性能[4]。

管線鋼中的微合金元素主要為鈮、釩、鎳、銅等強氮化物形成元素，其作用是在控軋過程中阻止奧氏體晶粒長大以及在軋制時延遲γ相的再結晶。鈮具有顯著的細化晶粒的作用和中等的沉淀強化作用，在提高強度的同時還可以降低韌脆轉變溫度。釩是鐵素體形成元素，有較高的沉淀強化作用和較弱的細化晶粒的作用，固溶時可提高淬透性，并可提高回火穩定性。除此之外，鋼中加入少量的鎳和銅可顯著提高鋼的韌性和耐候性。在保證管道安全使用的前提下，只有大幅降低生產成本，才能獲得高附加值，這就需要通過適當地調整合金成分以及生產工藝等來尋求經濟化生產。

前期，作者課題組通過成分控制(適當提高碳含量來代替釩等微合金元素)開發出了低成本的經濟型X80管線鋼。為進一步研究其控軋控冷工藝，作者采用熱模擬試驗機對其進行了模擬軋制，研究了軋制工藝對其組織和顯微硬度的影響。

1試樣制備與試驗方法

將某鋼廠用100 kg真空感應爐冶煉的傳統型X80管線鋼鑄坯記為1#試驗鋼，自主開發的經濟型X80管線鋼鑄坯記為2#試驗鋼，它們的化學成分如表1所示。將試驗鋼加工成φ8 mm×12 mm的試樣，利用Gleeble-1500D型熱模擬試驗機分別在不同的變形溫度(T1)、冷卻速率(v)和終冷溫度(T2)下進行熱模擬試驗，熱模擬工藝曲線如圖1所示。共采用三組熱處理工藝:①T1分別為860，840，820 ℃,v為15 ℃·s-1,T2為420 ℃;②T1為840 ℃,v分別為5，10，15，20 ℃·s-1,T2為420 ℃;③T1為840 ℃,v為15 ℃·s-1,T2分別為650，550，450，350 ℃。

將熱模擬試驗后的試樣沿中央縱向剖開，打磨、拋光后用體積分數為3%的硝酸酒精溶液腐蝕；然后采用S-4300型場發射掃描電鏡觀察試樣心部的顯微組織；采用FM-300型顯微硬度計測心部的顯微硬度，加載載荷為0.02 N，加載時間為10 s。

表1　試驗鋼的化學成分(質量分數)Tab.1　Chemical composition of experimental steels (mass)　%

圖1　熱模擬工藝曲線Fig.1　Schematic illustration of thermal simulation test

2試驗結果與討論

2.1　變形溫度的影響

由圖2和圖3可以看出，在不同變形溫度下，兩種試驗鋼的顯微組織均主要為針狀鐵素體、準多邊形鐵素體和少量粒狀貝氏體，并彌散分布著細小的粒狀和短棒狀M/A島，而且2#試驗鋼的組織更加細小。研究表明，針狀鐵素體的晶粒尺寸較小，加之細小的M/A島彌散分布，不易誘發裂紋，并能阻礙裂紋擴展，因而針狀鐵素體管線鋼具有優良的強韌性。針狀鐵素體板條內有高密度位錯，由相變形成的亞晶位錯具有很大的可動性，因而有利于強韌性的提高[5]。多邊形鐵素體的強度低、塑性好，可以提高與粒狀貝氏體之間的協調變形能力，進而提高整個復相組織的韌性[6]。多邊形鐵素體+貝氏體組織對裂紋擴展具有明顯的阻礙作用。

隨著變形溫度降低，組織中的針狀鐵素體尺寸略有減小，晶界也變得不規則，試驗鋼的組織逐漸細化。這是因為，860，840，820 ℃處于奧氏體未再結晶溫度區，在該區對奧氏體進行變形，會增加奧氏體內部的空位濃度、位錯、變形帶等晶體缺陷，使非均勻形核點增多[7]，同時變形使奧氏體晶粒顯著拉長，在晶粒內形成變形帶，相變時鐵素體不僅在晶界上形核，而且也在變形帶上形核，因此增加了形核的幾率，使組織比較細小。此外，隨著變形溫度逐漸降低，碳的擴散能力越來越差，從而導致富碳區面積減小，從圖中也可以看出這兩種試驗鋼中M/A島的尺寸都明顯減小，并由棒狀逐漸變為圓點狀。

圖2　不同變形溫度下1#試驗鋼的SEM形貌Fig.2　SEM morphology of tested steel 1# at different deformation temperatures

圖3　不同變形溫度下2#試驗鋼的SEM形貌Fig.3　SEM morphology of tested steel 2# at different deformation temperatures

由表2可見，隨著變形溫度降低，試驗鋼顯微硬度的變化不明顯，均在236～246 HV之間，并且兩種試驗鋼的顯微硬度相差無幾。由此可以看出，雖然1#試驗鋼中含有釩等微合金元素，可以提高其淬透性和強度，但2#試驗鋼中較高的碳含量基本可以彌補因微合金元素缺失造成的不利影響。

表2　不同變形溫度下試驗鋼的顯微硬度Tab.2　Microhardness of tested steels at differentdeformation temperatures　HV

綜上可以看出，1#試驗鋼的顯微組織與2#試驗鋼的相似，并且顯微硬度都在236～246 HV之間。

2.2　冷卻速率的影響

由圖4可見，2#試驗鋼以不同冷速冷卻后，大部分M/A島分布在晶界上，顯微組織為針狀鐵素體、準多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。在冷速相對較低時，M/A島為不規則的多邊形，且尺寸較大；隨著冷速增大，M/A島趨近于條狀，且平均尺寸變小，組織逐漸變細。這是因為，當冷速較低時，奧氏體中的碳有足夠的時間擴散，碳的分布更均勻，易形成退化珠光體，只有少量的碳聚集在一起直接轉變為馬氏體，或直接以殘余奧氏體的形式保留；當冷速增大后，碳擴散的時間縮短，得到的M/A島尺寸減小[8]。

圖4　不同冷速下2#試驗鋼的SEM形貌Fig.4　SEM morphology of tested steel 2# at different cooling rates

由表3可見，隨著冷速增大，2#試驗鋼的顯微硬度略有增大，M/A島的面積分數整體呈下降的趨勢，并且在冷速為10 ℃·s-1時達到最低，為9.8%。硬度的變化主要是由微觀組織的變化導致的。隨著冷速增大，組織中低硬度的準多邊形鐵素體減少，并且組織得到細化，故硬度隨之增大。另一方面，在一定范圍內(5～10 ℃·s-1)增大冷速時，奧氏體過冷度增大，碳來不及進行長程擴散，于是在小區域內產生富集，這使得M/A島的尺寸變小，并均勻分布；當進一步提高冷速至10～20 ℃·s-1時，M/A島就會變成針狀或薄膜狀，因此其含量會有增大，但由于M/A島含量的整體趨勢為減少，從而導致硬度下降。這兩者的綜合作用使得試驗鋼的顯微硬度無太大變化。

表3　不同冷速下2#試驗鋼的顯微硬度和M/A島的面積分數Tab.3　Microhardness of tested steel 2# and area fraction ofM/A isaland in 2# tested steel at different cooling rates

2.3　終冷溫度的影響

由圖5可見，2#試驗鋼的組織主要為針狀鐵素體、準多邊形鐵素體和少量粒狀貝氏體的混合組織；隨著終冷溫度降低，因碳不易發生擴散，從而降低了相變溫度，故而組織明顯細化，準多邊形鐵素體含量減少，針狀鐵素體、貝氏體含量增多?？梢?，終冷溫度的降低不僅細化了組織，對鐵素體的組織構成也有很大影響。由表4可以看出，2#試驗鋼的顯微硬度隨著終冷溫度的降低變化不大，在241～250 HV范圍內。

表4　不同終冷溫度下2#試驗鋼的顯微硬度Tab.4　Microhardness of tested steel 2# at differentfinal cooling rates

圖5　不同終冷溫度下2#試驗鋼的SEM形貌Fig.5　SEM morphology of tested steel 2# at different final cooling temperatures

3結論

(1) 經濟型X80管線鋼為典型的針狀鐵素體組織，同時含有少量準多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島，與傳統型X80管線鋼的組織相似；二者的顯微硬度也相差無幾。

(2) 隨著變形溫度降低、冷速增大和終冷溫度降低，經濟型X80鋼的組織逐漸細化，M/A島由棒狀逐漸變成圓點狀，尺寸變小，顯微硬度的波動不大。

參考文獻：

[1]李鶴林，吉玲康. 西氣東輸二線高強韌性焊管及保障管道安全運行的關鍵技術[J].世界鋼鐵，2009(1)：56-64.

[2]衣海龍.X80級高溫軋制工藝管線鋼的組織及性能[J].機械工程材料,2008,32(2):44-48.

[3]張偉衛，熊慶人.國內管線鋼生產應用現狀及發展前景[J].焊管，2011,34(1):5-8.

[4]高惠臨.管線鋼的控軋控冷技術及其研究進展[J].焊管,2010,33(1)：10-17.

[5]趙英利.變形溫度與冷卻速率對含Nb中碳鋼晶粒細化的影響[J].鋼鐵,2009，44(4)：77-81.

[6]孟強，馮耀榮，莊傳晶.X80高鋼級管線鋼沖擊韌性研究[J].石油礦場機械，2006，35(4):16-19.

[7]鐘榮.未再結晶區控軋控冷工藝對低碳高鈮鋼組織的影響[J].機械工程材料，2013,37(1):59-62.

Effect of Rolling Technology on Microstructure and Microhardness

of Lowcost X80 Pipeline Steel

DI Yan1,2, WANG Chang-chang1,2, JIA Shu-jun2, LIU Qing-you2, PENG Ju-bo1,3

(1.College of Materials Science and Engineering , Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；

2.Institute for Structural Steel of CISRI, Beijing 100081, China；

3.Yunnan Qianyuan Solar Industry Co., Ltd., Kunming 650000,China)

Abstract:Simulating rolling was carried out for traditional X80 pipeline steel and lowcost X80 pipeline steel using Gleeble-1500 thermal simulated test machine,the effects of deformation temperature, cooling rate and finish cooling temperature on microstructures and microhardness were studied. The results show that microstructures of the two tested steels were acicular ferrite, quasi-polygonal ferrite and granular bainite, and their microhardness had little difference. With the decrease of the deformation temperature and final cooling temperature, the increase of the cooling rate, the microstructure of lowcost X80 pipeline steel was refined and M/A island changed from rods to dots with smaller size gradually, and the microhardness of lowcost X80 pipeline steel had a little fluctuation.

Key words:X80 pipeline steel; controlled rolling and controlled cooling; acicular ferrite; microhardness

中圖分類號：TG142.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0051-04