X70含钒管线钢冷却工艺对组织和性能的影响

·试验研究·

X70含钒管线钢冷却工艺对组织和性能的影响

郑玉申1文小明2

(1. 北京隆盛泰科石油管科技有限公司陕西西安710077;

2. 本溪钢铁(集团)有限责任公司辽宁本溪117000)

摘要：对于添加Nb-V复合微合金的X70管线钢，通过控制轧制冷却工艺获得不同的微观组织和性能，对其进行对比研究分析，解释说明X70含钒管线钢冷却工艺、组织和性能关系。结果表明，当冷却速率减小情况下，管线钢组织转变为多边形铁素体和准多边形铁素体为主，同时还有一定数量的退化珠光体，强度略有降低，而塑性提高。在相同冷却工艺条件下，随着卷取温度的降低，管线钢组织由粒状贝氏体为主，转变为板条形貌特征的贝氏体铁素体为主，M-A组元也随着卷取温度的降低而减少且细化。此外，卷取温度较高情况下，管线钢强度异常增加可能与钢中V的析出有关。

关键词：管线钢；冷却工艺；组织；力学性能

作者简介：第一郑玉申，男，1969年生，工程师，1992年毕业于中国石油大学矿业机械专业，主要从事油气输送钢管驻厂监造工作。E-mail:zhengyushen@cnpc.com.cn

文章编号：中图法分类号：TG142.1

收稿日期：(2014-04-30编辑：屈忆欣)

Effect of Cooling Process on Microstructure and Mechanical Properties of Vanadium-Bearing X70 Pipeline SteelZHENG Yushen1WEN Xiaoming2

(1.BeijingLongshineOilTubularTechnologyCo.Ltd.,Xi’an,Shaanxi710077,China;

2.BenXiIronandSteel(Group)Co.Ltd，Benxi,Liaoning117000,China)

Abstract：Different microstructure and mechanical properties would be produced by taking control of rolling and cooling process of Nb-V microalloyed X70 pipeline steel.Then explain the relations between the cooling process and microstructure and mechanical properties by comparatively research and analysis. The results show that, when the case of the cooling rate decreases, the pipeline organization turns into polygonal ferrite and quasi-polygonal ferrite-based, as well as the degradation of a certain number of pearlite, strength is slightly decreases, while the plasticity increases. In the same cooling process conditions, with the curl temperature reduces, the main pipeline steel organization turns from granular bainite into bainitic ferrite of lath morphology, MA component is also reduced and refined as the curl temperature decreases. In addition, when the the curl temperature is higher, pipeline steel strength abnormal increases may be related to the precipitation of steel V.

Key word： pipeline steel,cooling process, organization, mechanical properties

0引言

随着对石油和天热气能源需求的不断增长，越来越多地采用管道输送这种最经济快捷的运输方式[1]。为提高输送效益，管线工程向着大管径、高压方向发展[2]。进而对管线钢的强度、低温韧性、焊接性等综合性能的要求也越来越高[3]。目前，X70钢级管线钢多采用通过添加铌、钒、钛等微合金元素进行微合金化，并结合TMCP工艺生产，以获得优良组织，使其在较低的碳当量下具有较高的强度和韧性等综合力学性能。

目前，国内外油气输送管所适用的标准规范对X70钢级管线钢的强度下限和上限都有明确规定，为此，在生产过程中，力争使强度等指标保持在一个稳定的合理区间，以获得优良的产品质量。

国内某钢厂在采用原轧制工艺生产X70管线钢时，出现强度和硬度检测结果偏高现象，选择提高卷取温度，进行工艺调整，以期降低强度，但强度和硬度不降反升，不符合标准要求。而后采取降低冷却速度，进行调整，所得板材强度和硬度降低，韧性略有降低，力学性能指标良好，达到预期产品质量控制要求。

本文针对现场生产中不同工艺轧制生产的X70含钒管线钢在的测试结果进行分析研究，探讨了不同冷却工艺影响下的组织和性能之间的关系，同时为轧制工艺的优化提供参考。

1试样制备与测试

1.1X70管线钢化学成分

X70管线钢化学成分如表1所示。

表1　 X70管线钢化学成分(质量分数)　%

1.2轧制工艺

原轧制工艺条件如下：开轧温度1 180 ℃；出粗轧温度960 ℃～980 ℃；中间坯厚度60 mm；精轧压下率F1～F2总压下40%；F3～F7总压下60%；精轧入口温度≤980 ℃；冷却速率为40 ℃/S；卷取温度389 ℃(1号试样)。第一次调整工艺为：在原工艺基础上，提高卷取温度为470 ℃(2号试样)，第二次调整工艺为：在原工艺基础上，降低冷却速度为30 ℃/S(3号试样)。

具体工艺参数如表2所示。

1.3试样

从原工艺生产的2卷，提高卷取温度生产的6卷，降低冷速生产的12卷钢板各截取1组，共选取20组试样。

表2　轧制工艺参数

2测试结果

2.1力学性能

不同工艺条件下对3组试样进行的常规力学性能测定结果如表3所示。其中1号试样强度和硬度偏高，保持冷却速度不变，提高卷取温度后轧制的2号试样强度和硬度升高，不符合标准要求。而降低冷却速度后轧制的3号试样所得强度和硬度降低，韧性适中，符合性能要求。

表3　X70管线钢力学性能

卷取温度与屈服强度和抗拉强度之间关系的统计结果如图1所示。

图1　卷取温度和强度关系统计结果

2.2金相组织

1号试样组织主要是贝氏体铁素体(板条贝氏体)，伴有少量粒状贝氏体、准多边形铁素体和少量的M-A组元。贝氏体铁素体的特征是由相互平行具有很高位错密度的平行排列的铁素体板条束构成，板条界为小角度晶界，板条束界面为大角度晶界，板条间分布着薄膜状或针状M-A组元。贝氏体铁素体转变温度比粒状贝氏体温度低[4]，为扩散和切变控制转变。相对粒状贝氏体而言，板条界面较清晰，贝氏体铁素体由于亚晶强化、位错强化和晶粒细化的作用，具有较好的强度和韧性，但板条束的大小和板条长宽比的不同对性能差异产生较大的影响。

2号试样组织以粒状贝氏体为主，伴有少量的多边形铁素体、准多边形铁素体和一定数量M-A组元。粒状贝氏体的特征是不规则外形铁素体中存在粒状或点状M-A组元。粒状贝氏体为中温区较高温度下形成，为切变和扩散控制转变。在本测试条件下，2号试样组织中粒状贝氏体有效晶粒尺寸粗大，对强度和韧性不利，但M-A组元较多，对提高材料强度有利，对冲击韧性不利。

3号试样组织以多边形铁素体和准多边形铁素体为主，较多的退化珠光体组织，少量粒状贝氏体组织和少量的M-A组元。多边形铁素体是在较慢的冷却速度下形成的组织，为扩散控制的相变。具有规则的晶粒外形，位错密度较低。其特点是强度较低，塑性较高。准多边形铁素体与多边形铁素体相比，转变温度较低，为块状转变，具有不规则的晶界，位错密度较高。具有较好的强度和塑性，并且具有较高的应变强化能力。

图2　1#试样金相组织

图3　2#试样金相组织

图4　3#试样金相组织

3结果分析

3.1组织的差异

低碳钢中关于相变温度有如下经验公式：

Ac3(℃)=910-203(%C)1/2-15.2(%Ni)+44.7(%Si)+104(%V)+31.5(%Mo)+13.1(%W)

(1)

Ac1(℃)=723-20.7(%Mn)-16.9(%Ni)+29.1Si+16.90(%Cr)+290(%As)+6.38(%W)

(2)

Bs(℃)=830-27(%C)-90(%Mn)-37(%Ni)-70(%Cr)-83(%Mo)

(3)

以本文X70管线钢成分计算结果如下：其中Ac3为870 ℃，Ac1为699 ℃，而Bs为671 ℃，本研究中终轧温度确定为840 ℃，在冷却速率为40 ℃/S条件下，1号试样卷取温度为390 ℃，获得贝氏体低温相区转变的贝氏体铁素体(板条贝氏体)组织。2号试样卷取温度为470 ℃，试样获得贝氏体高温相区转变的粒状贝氏体为主的组织。在冷却速率为30 ℃/S条件下，3号试样获得以多边形铁素体和准多边形铁素体为主的组织。

3.2强度的差异

对比3组试样发现，较低冷却速率工艺条件下的3号试样，组织以多边形铁素体和准多边形铁素体为主，强度最低，符合预期。较高冷却速率工艺条件下的1号试样，组织以贝氏体铁素体为主，强度居中。同为较高冷却速率，但较高卷取温度工艺条件下的2号试样，组织为以粒状贝氏体为主，强度最高。虽然相对较多的M-A组元，对强度贡献较大，但这一结果与传统观点和经验相悖。

试样中添加了一定含量的Nb，目的是为了提高再结晶温度，抑制变形奥氏体再结晶，细化再结晶奥氏体晶粒尺寸。但一般研究[5]认为Nb在900 ℃以上大量析出，粗轧过程已经完成析出过程。而添加的V，细化晶粒作用较弱，但有较高的沉淀强化作用。一般认为V在800 ℃以下大量析出，本次测试的冷却过程中伴有V的析出。

V在较高温度情况下，主要以固溶形式存在；只有满足一定的热力学条件，才能大量析出。析出相的析出过程与温度有密切关系，终轧温度高时，V在γ的固溶度高，可以保证更多的V在Y→α相变时，在α基体上析出，终冷温度低时，一部分V已经在γ中析出，使得用于在α中析出的总量减少，同时，因原子扩散困难，析出过程将受到抑制，析出不充分，减弱了沉淀强化效果。

1号和2号试样采用轧后相对较高的冷去速率冷却，理论上对细化析出相有利，2号试样卷取温度为470℃相对较高，因此有利于V(C,N)的弥散析出，而1号试样因卷取温度为380℃相对较低，V(C,N)的析出受到一定的抑制，因此，V析出强化效果相对较小。这应该是导致高温卷取的2号试样强度反而比低温卷取的1号试样强度略高的主要原因之一。而3号试样终轧后缓冷过程中，将在多边形铁素体中析出一定数量的V(C,N)，这将在一定程度上提高铁素体强度。

5结论

(1)本测试条件下，冷却速率为40 ℃/S，卷取温度较高时，管线钢得到粒状贝氏体为主的组织，而卷取温度相对较低时，获得板条形貌的贝氏体铁素体组织；冷却速率为30 ℃/S，管线钢获得多边形铁素体和准多边形铁素体组织，并有一定含量的退化珠光体。加速冷却得到的相变组织具有较高的强度表现。

(2)对于含V微合金钢，发现提高卷取温度，强度不降反升现象，可能与V析出沉淀强化作用有关，应注意适当调整轧制工艺和V的含量。

(3)使用缓冷方式生产含V管线钢，得到强度较低的多边形铁素体以及准多边形铁素体组织，保证冲击韧性，同时，利用退化的珠光体相变强化及V析出强化的作用，提高强度，满足X70管线钢性能的要求。

参 考 文 献

[1] 潘家华. 中国天然气工业的发展前景[J]. 油气储运, 2005, 24(6): 1-3.

[2] 王义康. 高压输气管线材料和相关问题[J]. 焊管, 2000, 23(3): 89.

[3] 江海涛, 康永林, 于浩, 等. 国内外高钢级管线钢的开发与应用[J], 管道技术与设备, 2005, (5):21-24.

[4] 冯耀荣, 高慧临, 霍春勇，等. 管线钢显微组织的分析与鉴别[M]. 陕西科学技术出版社, 2008: 3

[5] 王春明, 吴杏芳,刘瑜, 等. X70针状铁素体管线钢析出相. 北京科技大学学报[J], 2006, 28(3):257-258

[6] 赵明纯. 新一代针状铁素体管线钢的组织与性能研究[D]. 中国科学院金属研究所, 2003, 43.

[7] 赵明纯, 单以银. 控轧控冷工艺对X60管线钢组织及力学性能的影响[J], 金属学报, 2001, 37(2)：179-183.