超級(jí)雙相鋼UNS S32760 熱擠壓管研發(fā)

邵海麗 劉富強(qiáng) 龐于思 王錦永 武瑞斌

（新興鑄管股份有限公司）

0 前言

UNS S32760是一種特殊的雙相鋼，屬于超級(jí)雙相不銹鋼，兼有鐵素體較高的強(qiáng)度、良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能和奧氏體的優(yōu)良韌性、焊接性[1-6]。UNS S32760具有超低的碳含量，且鋼中的鉻、鉬及氮元素均高于普通雙相不銹鋼，并且在雙相鋼的基礎(chǔ)上添加少量的鎢、銅元素，點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PRE值相對(duì)較高，一般在40～45之間，與普通雙相鋼相比，具有更高的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕性能，以及更優(yōu)的機(jī)械性能[7-10]。UNS S32760主要應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)、海底管道機(jī)械部件、熱交換器、煙氣、化學(xué)加工工業(yè)、核能等苛刻腐蝕介質(zhì)環(huán)境[11-17]，特別適用于以海水和含氯離子為工作介質(zhì)的環(huán)境。

1 UNS S32760擠壓管生產(chǎn)主要工藝路線

UNS S32760擠壓管的生產(chǎn)工藝路線主要為：坯料加工→坯料清洗→坯料預(yù)熱→感應(yīng)加熱→潤(rùn)滑→熱擠壓成型→在線入水→固溶處理→性能檢測(cè)→終檢。其化學(xué)成分依據(jù)ISO 13680—2010 《石油和天然氣工業(yè)用套管、油管和接箍的耐腐蝕無縫合金管交貨技術(shù)條件》設(shè)計(jì)，化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際元素含量見表1，要求PRE=%（Cr）+3.3×%（Mo+0.5W）+16×%（N），其值為40～45，根據(jù)坯料實(shí)際成分計(jì)算可得PRE=42.4。

表1 UNS S32760標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和實(shí)際化學(xué)成分

2 UNS S32760坯料預(yù)熱溫度選擇

UNS S32760采用EAF+AOD冶煉方式，坯料鍛制成圓棒管坯，管坯依據(jù)ASTM A338—2016《大型鋼鍛件超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)L2等級(jí)逐支進(jìn)行超聲波探傷，確保坯料無裂紋缺陷。使用金相顯微鏡放大500倍觀察UNS S32760坯料金相組織（如圖1所示），其組織為鐵素體+奧氏體兩相組織，鐵素體含量為54.08 %，在鐵素體和奧氏體晶界有σ相析出。

圖1 坯料金相組織

由于UNS S32760坯料是采用感應(yīng)加熱到擠壓溫度，感應(yīng)加熱速度快，而鋼的傳熱速率較慢，造成坯料內(nèi)外溫差較大，所以擠壓荒管易分層。另外，熱加工過程中，奧氏體和鐵素體兩相中應(yīng)力分布不均衡，在熱擠壓過程中容易開裂，同時(shí)在熱加工過程中容易產(chǎn)生σ相，為保證擠壓荒管的質(zhì)量，應(yīng)選取合適的溫度對(duì)坯料進(jìn)行預(yù)熱。在進(jìn)行熱擠壓之前，預(yù)熱溫度一般控制在750～950 ℃，既能保證坯料溫度的均勻性，避免荒管產(chǎn)生裂紋，也可提高生產(chǎn)率和節(jié)約能源，降低成本。根據(jù)鋼溫度-時(shí)間-相析出曲線[18]，雙相不銹鋼中σ相的析出溫度為600～1 000 ℃。在750～950 ℃溫度范圍內(nèi)，875 ℃時(shí)，僅保溫約0.1 h就會(huì)有σ相產(chǎn)生；950 ℃時(shí)，保溫約0.5 h開始有σ相產(chǎn)生，而750 ℃時(shí)，保溫2.5 h開始有σ相產(chǎn)生。有研究表明[19]，在950 ℃預(yù)熱后，UNS S32760存在大量的σ相，導(dǎo)致擠壓裂紋產(chǎn)生；而在760 ℃保溫30 min后α相與γ相均沒有發(fā)生明顯變化，僅晶界有少量σ相[11]。在750～950 ℃溫度區(qū)間選擇σ相較少的工藝進(jìn)行預(yù)熱，取坯料樣塊在750 ℃保溫2 h，之后水冷，其金相組織如圖2所示。

圖2 坯料750 ℃預(yù)熱金相組織

從圖2可以看出，坯料750 ℃預(yù)熱得到的金相組織為鐵素體+奧氏體兩相組織，鐵素體為針狀鐵素體，極少量小顆粒σ相，且σ相分散不連續(xù)，證明此預(yù)熱工藝可行。

3 UNS S32760熱擠壓生產(chǎn)

采用熱擠壓方法生產(chǎn)UNS S32760管材，成型設(shè)備為DANIELI 6 300 t進(jìn)口熱擠壓機(jī)，擠壓成品規(guī)格為95.25 mm×22.86 mm，擠壓采用玻璃粉潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑。超級(jí)雙相鋼的鉻、鉬、氮含量比普通雙向不銹鋼高，熱加工塑性要低于普通雙相不銹鋼，而熱變形抗力又相對(duì)較高，如果熱擠壓溫度偏低，會(huì)因鋼中鐵素體相塑性不良而首先開裂；如果熱擠壓溫度過高，由于鐵素體相塑性高但強(qiáng)度低，又極易引起該相的撕裂。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，此規(guī)格的擠壓溫度為1 120～1 160 ℃，擠壓比9，擠壓速度為100～200 mm/s，擠壓力為25～35 MN，工具的預(yù)熱溫度范圍為250～350 ℃。UNS S32760管材經(jīng)擠壓變形后，無目視可見的裂紋、折疊、軋折、離層和結(jié)疤，表面質(zhì)量良好。采用KARL DEUTSGH公司的ECHOGRAPH 1155超聲波探傷儀對(duì)擠壓荒管逐支按ASTM E213—2014 《金屬管超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)操作方法》標(biāo)準(zhǔn)L2級(jí)進(jìn)行超聲波探傷，無異形波出現(xiàn)，鋼管內(nèi)部無裂紋、分層等缺陷，超聲探傷檢測(cè)合格。

擠壓荒管的金相組織放大100倍（如圖3所示），組織為鐵素體和奧氏體兩相組織，鐵素體相比例為59.82 %，金相組織中未發(fā)現(xiàn)σ相存在。管材擠壓溫度在1 100 ℃以上，而σ相在1 040 ℃完全溶解消失，擠壓過程可避免產(chǎn)生σ相；另外，為了防止超級(jí)雙相鋼在從高溫到室溫的冷卻過程中有σ相產(chǎn)生，采用擠壓后直接在線水冷，入水溫度約1 050～1 080 ℃，管子入水1.5～2 min可冷卻至50 ℃以下，冷卻速度8～12 ℃/s，避免了有害相σ相析出。

圖3 擠壓態(tài)金相組織

擠壓生產(chǎn)工藝適合，組織無有害相的產(chǎn)生，管材表面無裂紋，內(nèi)部無裂紋、分層等缺陷，擠壓生產(chǎn)過程正常，產(chǎn)品質(zhì)量較好。根據(jù)多個(gè)生產(chǎn)訂單統(tǒng)計(jì)，采用750 ℃預(yù)熱+感應(yīng)加熱+擠壓方式生產(chǎn)管材時(shí)生產(chǎn)節(jié)奏快、效率高，平均每小時(shí)生產(chǎn)鋼管8.1支，鋼管合格率為97.6%，而坯料不采用預(yù)熱工藝，平均每小時(shí)生產(chǎn)鋼管6.9支，合格率為95.1%。由此可見，增加預(yù)熱工序，工藝更優(yōu)。

擠壓荒管的性能檢測(cè)結(jié)果：抗拉強(qiáng)度為899 MPa，屈服強(qiáng)度為742 MPa，伸長(zhǎng)率為22%，硬度為29.8 HRC，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均較高，伸長(zhǎng)率較低，UNS S32760在擠壓過程中產(chǎn)生了加工硬化。

4 UNS S32760管材熱處理及性能

對(duì)擠壓荒管進(jìn)行固溶處理，為防止超級(jí)雙相鋼在從高溫到室溫的冷卻過程中，金屬間相和氮化物析出可能會(huì)導(dǎo)致鋼管脆化，固溶處理需要足夠的冷卻速度。有實(shí)驗(yàn)表明[20]，固溶溫度為1 100 ℃，保溫時(shí)間均為60 min，固溶后試樣直接淬水，冷卻速度為18～20 ℃/s，僅有鐵素體和奧氏體兩相存在，無脆性相，且綜合性能最優(yōu)，而擠壓荒管冷卻速度為8～12 ℃/s，組織也沒有有害相產(chǎn)生，鋼管采用輥底式固熔爐進(jìn)行固溶處理，管材固溶溫度采用1 100 ℃，保溫時(shí)間75 min，出爐后水冷，冷卻速度為15～20 ℃/s。

4.1 組織及力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

性能依據(jù)ISO 13680—2010 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)80 鋼級(jí)的要求，要求其鐵素體相含量為35%～55%，抗拉強(qiáng)度≥758 MPa，屈服強(qiáng)度為552～724 MPa，伸長(zhǎng)率≥20%，硬度要求≤28HRC，沖擊試驗(yàn)溫度為-10 ℃，橫向沖擊功≥27 J。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 8/E 8M—2016a《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫下拉伸試驗(yàn)；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 18—2017《金屬材料洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，使用洛氏硬度測(cè)試儀進(jìn)行硬度檢測(cè)；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 23—2016b《金屬材料缺口試樣沖擊試驗(yàn)方法》，使用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

4.1.1 組織檢測(cè)結(jié)果

擠壓荒管經(jīng)固溶處理后，其組織為鐵素體+奧氏體兩相組織，鐵素體相含量平均為48.73%，無σ相，如圖4所示。組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，組織中α相和γ相比例約為1：1。

圖4 固溶后的管材金相組織

4.1.2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

ISO 13680—2010 《石油和天然氣工業(yè)用套管、油管和接箍的耐腐蝕無縫合金管交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求UNS S32760成品管材的抗拉強(qiáng)度≥758 MPa，屈服強(qiáng)度為552～724 MPa，伸長(zhǎng)率≥20%，硬度≤28 HRC，沖擊功≥27 J。對(duì)UNS S32760管材進(jìn)行了多組檢測(cè)，沖擊為橫向沖擊，沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，V口，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示其抗拉強(qiáng)度的平均值為860 MPa，屈服強(qiáng)度的平均值為642 MPa，伸長(zhǎng)率的平均值為35%，硬度的平均值為24.3 HRC，沖擊功平均為150 J，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能穩(wěn)定。

表2 UNS S32760管材力學(xué)性能

4.2 耐點(diǎn)腐蝕性能檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48—2011（R2015）《用氯化鐵溶液測(cè)定不銹鋼和相關(guān)合金點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的試驗(yàn)方法》A法-三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法對(duì)UNS S32760管材的耐點(diǎn)腐蝕性能進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6% 的FeCl3溶液，試驗(yàn)溫度為50 ℃，試驗(yàn)時(shí)間24 h。在固溶溫度1 100 ℃時(shí)，組織中的α相和γ相的比例約為1：1，點(diǎn)腐蝕速率較低，耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)良，腐蝕速率平均為0.078 mm/a。

5 結(jié)論

（1）UNS S32760坯料的預(yù)熱溫度為750 ℃，擠壓溫度為1 120～1 160 ℃，擠壓比9，擠壓速度為100～200 mm/s，擠壓力為25～35 MN，擠壓荒管表面質(zhì)量較好，超聲波探傷檢測(cè)無裂紋、分層等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異。鐵素體相比例為59.82%，無σ相存在。

（2）管材固溶溫度為1 100 ℃，組織為鐵素體+奧氏體兩相組織，鐵素體相含量的平均值為48.73%，無有害相σ相。

（3）成品管材抗拉強(qiáng)度的平均值為860 MPa，屈服強(qiáng)度的平均值為642 MPa，伸長(zhǎng)率的平均值為35%，硬度的平均值24.3 HRC，沖擊試驗(yàn)溫度為-10 ℃，橫向沖擊功的平均值為150 J，點(diǎn)腐蝕速率為0.078 mm/a，性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。