冷卻制度對X70級管線鋼組織與性能的影響

盧 威，萬珍珍，陳 娜

(1. 張家界航空職業技術學院，湖南 張家界 427000；2. 江西省科學院 應用物理研究所，江西 南昌 330090)

管線鋼是一種比較典型的微合金化超低碳鋼[1]，通常利用軋制和冷卻制度的調控來優化其強韌性，如調控開冷溫度[2]、終冷溫度[3]和冷卻速度[4]來控制碳氮化物的析出、位錯組態及相變類型，進而影響管線鋼的析出強化、固溶強化及相變強化等，最終改善管線鋼的綜合性能。目前，隨著管線鋼的開發和應用，國內外學者對其研究也越來越多。王遠琦等[5]研究了X 100管線鋼的連續冷卻相變規律和控軋控冷工藝中不同冷卻制度下微觀組織特征及顯微硬度的變化規律，認為隨著冷卻速度的升高和終冷溫度的降低，管線鋼微觀組織會逐漸細化，粒狀貝氏體含量會不斷減少而板條貝氏體含量則會逐漸增加。另外，管線鋼顯微硬度也會隨之增加。然而， M/A島含量會隨著冷卻速度的增加而減小，且隨著終冷溫度的降低呈現先降低后增加的“V”型趨勢，并在340 ℃時獲得最低值。焦多田等[6]研究了軋后冷卻制度對X 80級抗大變形管線鋼組織和屈強比的影響。發現軋后弛豫+控制冷卻的工藝可以獲得鐵素體+貝氏體雙相組織，認為弛豫終止溫度是影響鐵素體體積含量和晶粒大小的因素，弛豫終止溫度越低，鐵素體體積含量越高，晶粒尺寸越大，屈強比越低，而鐵素體和貝氏體的協調變形機制是屈強比降低的主要原因。因此，如何改進現有的冷卻工藝，對獲得高性能管線鋼是十分有必要的。

本文以退火后的鍛造70X管線鋼為研究對象，采用掃描電鏡、顯微硬度等設備，研究不同冷卻制度對管線鋼組織及性能的影響。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為商用X70管線鋼，其化學成分見表1。

表1 實驗鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 實驗方法

在40 kg空氣鍛錘實驗軋機上采用多向鍛造工藝將鋼坯軋制成12 mm×40 mm×65 mm小板樣。具體軋制工藝為:將試樣加熱至1150 ℃保溫30 min后軋制，終鍛溫度為850 ℃，累積變形量為65%。軋后空冷至室溫，再經過馬弗爐進行退火均質化處理。各試樣的熱處理工藝參數控制如下：試樣均以10 ℃/min速度隨爐升溫至870 ℃保溫45 min。然后，1#試樣以0.1～2 ℃/s的爐冷冷速至室溫；2#試樣以10～30 ℃/s空冷冷速至室溫；3#試樣以200～400 ℃/s的水冷冷速至室溫，降溫過程中冷速會逐漸下降。具體冷卻工藝如圖1所示。

沿最終軋制方向在鋼板厚度1/4處取樣加工。試樣利用砂紙逐級研磨和拋光后，使用濃度為4%硝酸酒精溶液侵蝕。利用萊卡金相顯微鏡(OM)及ZEISS-EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀組織類型觀察，采用430SH型維氏硬度計對試樣基體的顯微硬度進行測量。

圖1 實驗鋼冷卻工藝路線圖Fig.1 Schematic graph cooling process of tested steels

2 結果與討論

2.1 微觀組織

圖2為退火后不同冷卻制度的試樣鋼SEM微觀組織形貌。從圖中可知，采用爐冷方式冷卻至室溫的1#試樣，獲得的組織大部分為多邊形鐵素體(PF)，還出現部分準多邊形鐵素體(QF)以及少量的粒狀貝氏體(GB)組織，見圖2(a)。利用空冷方式冷卻至室溫的2#試樣，其組織與1#試樣的類型基本一致，但多邊形鐵素體(PF)數量略有下降，準多邊形鐵素體(QF)及粒狀貝氏體(GB)數量卻稍有增加，見圖2(b)。然而，采用水冷方式冷卻至室溫的3#試樣，其組織包括少量的多邊形鐵素體(PF)和準多邊形鐵素體(QF)，以及大量的粒狀貝氏體(GB)，并且出現了部分板條狀貝氏體(LB)及少量的馬氏體(M)組織，見圖2(c)。與1#和2#試樣相比，其組織晶粒更為細小，這主要是因為冷卻速度大幅提高，鋼中原奧氏體的碳原子擴散不及時，于是在相變過程中多為非擴散型相變，從而形成以貝氏體為主并含少量馬氏體的微觀組織[7-8]。

(a)1#試樣；(b)2#試樣；(c)3#試樣圖2 實驗鋼顯微組織(a)1# specimen；(b)2# specimen；(c)3# specimenFig.2 Microstructure of tested steels

2.1 硬度分析

圖3為三種試樣鋼基體的顯微硬度。從圖中可知，1#和2#試樣的硬度比較低，在149 HV左右。這是因為爐冷和空冷過程中，冷卻速率相對較低，更容易形成鐵素體組織。而3#試樣硬度較高，達到229 HV左右。這是因為水冷的冷卻速率較大，在相變過程中大部分形成貝氏體及少量馬氏體組織，組織中含固溶碳原子的數量更多[9]，從而提高鋼的力學性能。

圖3 三種實驗鋼基體的維氏硬度Fig.3 Vicky hardness in metal bases of three kinds of tested steels

3 結論

1)冷卻方式對鍛后退火處理的X70級別管線鋼組織會產生明顯的影響。爐冷和空冷因冷速低，鋼容易形成多邊形鐵素體、準多邊形鐵素體及少量馬氏體組織；而水冷具有較快的冷速，鋼在相變過程中更容易形成貝氏體及少量馬氏體組織，且組織晶粒比較細小。

2)試樣鋼爐冷和空冷獲得的組織，其顯微硬度比較低，一般在149 HV左右。而水冷方式獲得鋼組織，其顯微硬度比較高，可達229 HV，提高了52.3%。