Nb 對承荷探測電纜鎧裝鋼珠光體組織的影響

喬文瑋，馮路路，2，楊恒勇，夏迪星

（1.江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇 高郵225613；2. 武漢科技大學高性能鋼鐵材料及其應用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430081；3. 揚州廣電網絡有限公司，江蘇 揚州225009）

1 引言

承荷探測電纜又稱石油測井電纜，主要應用在井下油礦探測的工程中，屬于石油工人的眼睛。井下到底是油氣混合還是單純的石油完全靠電纜傳回來的數(shù)據(jù)進行識別，其重要性可想而知[1]。此外，電纜的工況環(huán)境極其惡劣，不僅需要在黑暗的環(huán)境中使用，而且需要承受一定的載荷。隨著石油開采的深度不斷增加，電纜常常要在10 000m 甚至更深的地下工作，其工作的溫度和壓力也在不斷增加，因此，需要可靠性非常高的鋼絲鎧裝來進行防護[2]。通常，電纜外護層的材料為橡膠或塑料，但橡膠或塑料的制備工藝非常復雜，而且機械強度較低，不能滿足海洋工程與油氣勘探用承荷探測電纜的工藝要求。

我國在1977 年開始使用鎧裝鋼絲進行承荷探測電纜的制造，逐漸發(fā)展為抗拉強度為1 860～1 960MPa 的鎧裝鋼絲[3]。近年來，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，逐漸開始研發(fā)抗拉強度為2 260MPa的鎧裝鋼絲，所采用的成分設計為質量分數(shù)為0.92%的C，添加質量分數(shù)為0.99%的Si 和質量分數(shù)為0.50%的Mn，并添加一定量的Cr 和V，軋制為盤條進行斯太爾莫控制冷卻后，重新加熱升溫進行等溫淬火處理索氏體化處理，獲得全片層的珠光體組織，其珠光體組織的微觀結構決定了其綜合的力學性能，例如，機械強度。因此，鎧裝鋼珠光體組織的細化以及均勻化程度極其重要。微合金化Nb 元素具有細化晶粒的作用，經常使用在調控鋼材的組織性能上，但是Nb 元素對承荷電纜用鎧裝鋼珠光體組織的影響需要進一步明確。本文設計了2 種不同的試驗鋼，1 種添加質量分數(shù)為0.025%的Nb，1 種不添加Nb 元素，對比分析Nb 元素添加對承荷電纜鎧裝鋼珠光體組織的影響。

2 化學成分

試驗鋼的化學成分如表1 所示，1#試驗鋼為添加了質量分數(shù)為0.025%的Nb，2#（Free-Nb）試驗鋼為未添加Nb。在軋鋼廠將試驗鋼軋制為φ6.5mm 的盤條，空冷至室溫。在盤條上截取長度為10mm 的試樣若干。將式樣在箱式電阻爐中以1℃/s的速度升溫至950℃，保溫5min 后取出放置在650℃的真空退火爐中進行等溫處理，處理時間10min，然后取出空冷至室溫。采用掃描電子顯微鏡（SEM，Sirion 400）和透射電鏡觀察（TEM,JEM 2010HT）觀察試驗鋼微觀組織形貌。

表1 試驗鋼的化學成分

3 試驗結果與討論

3.1 Nb 對試驗鋼珠光體團簇的影響

1#、2#試驗鋼在掃描電子顯微鏡下的微觀組織形貌如圖1所示。從圖1 中可以看出，1#試驗鋼的珠光體團簇比2#試驗鋼要細小，采用計算機軟件進行統(tǒng)計分析，1#試驗鋼珠光體團簇的大小約為（7.9±3.1）μm，2#試驗鋼的珠光體團簇的大小約為（10.0±3.6）μm。Nb 元素的添加使試驗鋼的珠光體團簇得到了細化，可能的原因是Nb 的固溶作用，在試驗鋼加熱奧氏體化的過程中，對奧氏體晶界的遷移起到了拖拽作用，首先細化了奧氏體晶粒，在隨后的等溫轉變過程中細化了珠光體團簇。

圖1 試驗鋼的珠光體團簇大小

圖2 試驗鋼珠光體片層間距的大小

3.2 Nb 對試驗鋼珠光體片層間距的影響

1#、2#試驗鋼的片層間距如圖2 所示，1#試驗鋼的片層間距大小約為（100±5）nm，2#試驗鋼的片層間距大小約為（120±5）nm。從試驗結果可以看出，添加Nb 元素后，試驗鋼的珠光體片層間距減小，大約20nm。主要是因為Nb 元素的添加推遲了珠光體相變的溫度，使過冷奧氏體分解的過冷度加大，片層間距變小。

4 結論

1）試驗鋼添加Nb 元素后，珠光體的團簇的大小由（10.0±3.6）μm 減小至（7.9±3.1）μm，Nb 元素的添加可以細化承荷探測電纜用鎧裝鋼的珠光體團簇。

2）試驗鋼添加Nb 元素后，珠光體片層間距由（120±5）nm減小至（100±5）nm，Nb 元素的添加可以增大承荷探測電纜用鎧裝鋼的過冷度，細化珠光體的片層間距。