无碳化物贝氏体无缝钢管的研究

李强 张冰 （天津钢管集团股份有限公司，天津 300301)

无碳化物贝氏体无缝钢管的研究

李强 张冰 （天津钢管集团股份有限公司，天津 300301)

研究开发了一种适用于高强高韧无缝钢管的无碳化物贝氏体钢。通过工程试验与分析表明，该钢经轧制和低温回火后，其微观组织为无碳化物贝氏体和片状残余奥氏体，这种特殊的金相组织使其在具有较高的强度同时，仍然保持了良好的韧性，适合于制造高钢级甚至超高钢级的石油专用无缝管材。

贝氏体钢 钢管 试验 力学性能 研究

1 引言

无碳化物贝氏体钢是利用硅对碳化物析出的强烈抑制作用，得到一种贝氏体铁素体加残余奥氏体薄膜的特殊组织，这种组织特征赋予其优异的性能，使其具有高强、高韧、抗延迟断裂和抗硫化氢腐蚀等优良特性。近些年来，国内外学者都对其进行了大量的研究，国内主要是对高锰系无碳化物贝氏体钢进行研究[1-5]，已将其应用到高强及耐磨钢板、铁路道岔、重型钎杆、曲轴等高强耐磨类钢铁材料;国外则对高镍系无碳化物贝氏体钢进行了研究[6-10]。尽管这方面的研究很多，但对于无碳化物贝氏体钢在高强高韧无缝钢管方面上的研究与应用则鲜有报道。本文试图通过针对性的工程试验及性能测试分析，研究开发出一种应用于石油开采用高强高韧无缝钢管的新型无碳贝氏体钢。

2 试验材料及方法

试验钢1和试验钢2的化学成分如表1所示，两种试验钢的成分差别主要在Si和Cr含量。因此试样钢2降低Si和Cr的主要目的是在试验钢中形成更多的残余奥氏体，从而提高材料的冲击韧性，以满足油井管对纵向冲击性能的最小要求[11]。试验钢在型号KGPS100KW的50 kg中频无芯感应电炉内冶炼后浇筑成钢锭，锻造为ø75×420 mm的圆坯。试验钢1采用两种处理工艺，分别为工艺A：1 250℃穿孔，1 100℃轧制;工艺B：1 150℃穿孔，1 000℃轧制。试验钢2采用工艺B进行轧制处理。两种试验钢都通过感应加热炉加热穿孔成毛管，穿孔后毛管长950 mm，变形比2.26，外径83 mm，壁厚8.3 mm。采用CTP440VI穿轧复合轧机将试样进行轧制成无缝钢管，轧后尺寸为外径81 mm，壁厚7.3 mm。两种试验钢管轧制后分别进行300℃的低温回火，空冷至室温并加工成拉伸和冲击试样进行力学性能测量。

使用万能材料试验机进行拉伸试验，测量材料的常规力学性能指标;在样管上切金相试样并经磨制、抛光、腐蚀后，用蔡司公司的A1m正立智能材料显微镜观察试样的显微组织和片状残余奥氏体的析出情况;使用日本理学的D/Max 2500 X射线衍射仪确定残余奥氏体的存在。

3 试验结果

试验中对试验钢1进行了两种轧制工艺的试验，分别为工艺A：1 250℃穿孔和1 100℃轧制;工艺B：1 150℃穿孔和1 000℃轧制，轧制后均在300℃进行回火。表2为两种工艺下的性能对比，通过比较可以看出，工艺A与工艺B的常规力学拉伸结果值相差不多，但试验钢1经过工艺B轧制后，韧性较好，与工艺A相比，冲击功几乎提高一倍，韧性提高的原因归功于组织的变化。试验钢1在两种不同轧制工艺下的微观组织并不相同，图1是两种轧制工艺及300℃低温回火后的金相组织图，从图 1（c)、（d)中可以看出，试验钢1经过低温回火后，轧制工艺A下的组织为回火贝氏体和回火马氏体，轧制工艺B下试验钢的组织为回火贝氏体、回火马氏体和少量残余奥氏体，残余奥氏体片层可以达到2 μm厚，这些片状的残余奥氏体是提高试验钢韧性的主要因素。

表2 试验钢1在两种不同轧制工艺下的力学性能

图1 试验钢1两种轧制工艺及低温回火后的微观组织

通过对试验钢1两种轧制工艺的对比分析，可以看出通过工艺B进行轧制可以提高无碳化物贝氏体无缝钢管的力学性能，特别是冲击韧性。但试验钢1采用工艺B后，冲击韧性仍不理想，无法满足实际应用对此类钢管的要求，因此我们对试验钢1的化学成分进行了调整（见表1)，得到试验钢2。试验钢2采用工艺B的轧制方法进行轧制，同样采用300℃的低温回火进行处理。

钢中残余奥氏体相的质量分数计算公式为：

式中，Wa为残余奥氏体相的质量分数;Ia为残余奥氏体衍射峰强度;Ib为基体衍射峰强度;Kb/a为残余奥氏体与基体的衍射最强峰的积分强度比。通过图3的X射线衍射实验曲线计算得到Ia、Ib和Kb/a，计算得到试验钢2的残余奥氏体质量分数Wa＝1．31%。

图2是试验钢2的金相组织图，从图中可以看到，调整成分后的试验钢2残余奥氏体数量明显增多，部分残余奥氏体片层可以达到4 μm厚，随着残余奥氏体数量的增加，试验钢2相比试验钢1具有更高的冲击韧性，测试结果见表3。

图2 试验钢2的微观组织

表3 试验钢1和试验钢2在轧制工艺B下的力学性能

为了确定残余奥氏体含量的增加，我们进行了X射线衍射试验，图3是试验钢2的X射线衍射试验结果，试样钢1中的残余奥氏体量很少，在衍射试验结果图上并没有得到残余奥氏体的峰，而试验钢2出现明显的残余奥氏体峰。

图3 试验钢1和试验钢2的XRD试验结果

4 分析讨论

通过对试验钢1的试验结果可以看出，较低的穿孔温度和开轧温度更有利于提高试验无缝钢管的力学性能，试验中采用的穿轧复合轧机是单道次的变形，因此穿孔过程也可以看作是轧制变形，较低的轧制温度导致较低的终轧温度，终轧温度对试样组织的影响主要取决于其对形变存储能的影响。轧制变形后，奥氏体中存在形变存储能，轧制温度和时间是形变存储能释放的重要因素，相对较低温度轧制时，奥氏体中的形变存储能释放较少，空冷条件下组织相变形核率较高，在存储能较低的情况下，晶粒形核后没有足够能量得到较好的织构形态，造成晶粒间的取向明显，在不同取向的晶粒间可能产生富碳的残余奥氏体，在冲击性能试验中，软相残余奥氏体的存在导致试验无缝钢管韧性提高。

普通调质处理的高强度无缝钢管往往有着较高的屈强比，试样钢1的屈强比低于70%，是无碳化物贝氏体无缝钢管的特点，低的屈强比主要是因为采用的是轧态+低温回火的热处理方式，得到以回火贝氏体为主的组织，轧制变形过程中合金原子的置换过程使试验钢中形成密度较高的自由位错，自由位错的大量存在是导致试验钢断裂韧性较好的原因。同时由于试验钢中还存在一定比例的马氏体组织，因此屈服强度较高，接近150 psi钢级。

试验钢1的Si含量较高，通过组织分析，残余奥氏体的含量较低，可能是造成冲击韧性偏低的原因。因此，试验钢2采取降低Si含量的方法，同时调低了Cr当量，目的是为了得到更多的残余奥氏体，提高冲击韧性。从表3的力学性能测试结果可以看出，通过改变化学成分得到的试验钢2冲击韧性较试验钢1有了较大提高，同时屈服强度接近试验钢1。这是因为经过低温回火后的试验钢2主要以回火贝氏体组织为主，马氏体含量降低，同时在晶粒间形成更多的残余奥氏体组织。通过图2可以看到，残余奥氏体含量增加并且片层厚度增大，提高了试样钢管的冲击韧性。试验钢管2低温回火后的性能见表4。从表中的试验数据可以看出，试验钢管2的屈服强度和抗拉强度有了较大提高，达到170 psi钢级以上，同时冲击韧性也有所提高，0℃夏比冲击值超过50 J，这种低温回火导致的强化主要是因为回火过程中Si元素的存在使碳化物难以从贝氏体中析出，因此C原子在贝氏体的自由位错形成钉扎效应，导致强度升高[8]。

表4 试验钢2经低温回火后的力学性能

5 结论

无碳化物贝氏体无缝钢管主要是利用低温轧制，形成以贝氏体为主、少量马氏体和残余奥氏体相的微观组织，形成高强度钢的同时，具有较低的屈强比和较高冲击韧性的特点，可以预见，无碳化物贝氏体无缝钢管可以满足油井管日益增长的高强高韧需求，同时较低的屈强比预示着较好的抗腐蚀和抗延迟断裂性能，这个特点在无缝钢管的井下应用同样至关重要。

在实际的油井管需求中，对高强度无缝钢管的冲击韧性要求较高，试验钢在这方面还有提高的空间，此次研究为进一步研究和开发无碳化物贝氏体无缝钢管奠定了基础，随着未来对试验钢的化学成分进行更为合理的配比，制定更为完善的轧制工艺，无碳化物贝氏体钢在无缝钢管上将有更为广泛的应用。

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Study on Carbide-free Bainite Seamless Steel Pipe

Li Qiang,Zhang Bing

A type of carbide-free bainite steel suitable for high strength and high toughness seamless pipe was developed.As engineering test and analysis showed,when the above steel was rolled and tempered under low temperature,its microstructure consisted of carbide-free bainite and retained lamellar Austenite.This special metallographic structure enables the steel to possess high strength along with good toughness.Thus,this kind of steel is suitable for manufacturing high grade and even extra high grade oil casing.

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（收稿 2011－10－12 编辑 赵实鸣)

李强，高级工程师，天津大学管理科学与工程专业博士，天津钢管集团股份有限公司总经理。