SUP13Cr无缝管中的δ铁素体

韩进山,张 冰,李志群,吕传涛,姚 勇

(天津钢管集团股份有限公司,天津300301)

SUP13Cr无缝管中的δ铁素体

韩进山,张 冰,李志群,吕传涛,姚 勇

(天津钢管集团股份有限公司,天津300301)

SUP13Cr钢是由普通13Cr发展而来,综合力学性能及抗腐蚀性都有所提高,但SUP13Cr钢中高Cr、高Mo的成分设计,使钢具有很高的耐腐蚀性能的同时,组织中容易出现δ铁素体。δ铁素体又称高温铁素体,在室温下相对少见,但在SUP13Cr钢中仍然有δ铁素体保留到常温下,由于δ铁素体较脆,在加工及使用中易引发裂纹,并且容易引发点蚀,对材料的韧性造成破坏性的影响,所以一般无缝管生产中把δ铁素体作为有害相加以控制。现以三种不同13Cr系列钢种为试验对象,重点研究SUP13Cr钢中的δ铁素体在热处理过程中的含量变化,并提出了减轻SUP13Cr中δ铁素体的热处理措施。

SUP13Cr;δ铁素体;热处理;金相组织

1 引言

SUP13Cr是由普通13Cr发展而来的钢种,该钢种无缝钢管主要应用于苛刻环境的井况中,如塔里木油田。SUP13Cr在普通13Cr的基础上C含量进一步降低,Mo、Ni、Cu等合金元素含量显著提高,使得综合力学性能得到提高、耐腐蚀性更好。但SUP13Cr钢中高Cr、高Mo的成分设计,使组织中容易出现δ铁素体。

δ铁素体又称高温铁素体,呈脆性,在热加工中易引发裂纹,并且容易引发点蚀及腐蚀开裂,所以一般都是把δ铁素体作为有害相加以控制的。国内学者对高Cr不锈钢生产过程中δ铁素体的控制做过理论和试验诸多研究[1—4],但对于SUP13Cr中δ铁素体在热处理阶段的变化的研究仍然缺乏,以下采用δ铁素体含量较多的SUP13Cr钢为原料,研究了δ铁素体在不同热处理制度下含量的变化以及变化产生的原因。

2 SUP13Cr中的δ铁素体

实验中为了对比δ铁素体含量的差别,我们选取了两种HP13Cr钢作为参考,其中HP13Cr为常规钢种,HP13Cr/1为改进型,主要区别为提高了Ni元素含量,SUP13Cr相对两种参考钢种Mo含量增加一倍,Mn含量略有提高,表1为三种13Cr钢的主要化学成分。

表1 三种13Cr钢的化学成分(%)

根据舍夫勒组织图(见图1),不锈钢中影响δ铁素体含量的关键因素为Ni当量和Cr当量,13Cr类钢中的Cr、Si含量相对比较近似,因此其主要影响元素为Ni和Mo含量,共性上讲当Ni含量越低时,Ni当量越低,在一定Ni范围内13Cr钢中容易形成δ铁素体,同样当Mo含量越高时,Cr当量越高,在一定Mo范围内13Cr钢中容易形成δ铁素体。

图1 舍夫勒组织图

三种13Cr钢采用同样的锻造管坯,经1 180℃环形炉加热后穿孔、轧制成无缝钢管,取典型部位进行金相分析,金相组织见图2所示,图中条状物为δ铁素体。由图2可知,三种13Cr钢的金相组织都为包含有少量δ铁素体的马氏体组织,其中HP13Cr的δ铁素体含量最低,SUP13Cr的δ铁素体含量最高。

图2 三种13Cr钢的金相组织(A:HP13Cr;B:HP13Cr/1;C:SUP13Cr)

δ铁素体是一种富含Mo、Cr的相,Cr含量越高铁素体析出温度越低,当Cr高于一定值或奥氏体化温度超过某一临界点时,在13Cr类钢中已不能形成单一的奥氏体,在冷却过程中也不能发生完全的马氏体相变,因此三种13Cr产品都或多或少的存在δ铁素体相。试样HP13Cr/1和HP13Cr中的δ铁素体含量不同主要是因为镍含量的不同,镍是奥氏体形成元素,在铬含量近似的情况下鎳当量决定了不锈钢中δ铁素体含量,特别是当化学成分略有偏差或存在成分偏析时,由于Cr、Ni当量偏离正常成分范围,将导致SUP13Cr中δ铁素体析出量的变化。试样SUP13Cr相对前两种13Cr存在大量的δ铁素体,这主要是因为增加了Mo元素的含量, Mo含量的增加提高了Cr当量从而导致δ铁素体的大量产生,虽然为了避免δ铁素体的产生,需要控制Mo含量,但苛刻腐蚀环境下的产品使用需要材料有超强的抗CO2和H2S能力,因此SUP13Cr的成分设计会使产品中出现δ铁素体,目前一般用户对δ铁素体含量要求控制在5%以内以保证使用性能,因此在成分设计一定的情况下需要进行其他解决的办法,如管坯制造控制、成品热处理工艺调整等。

3 SUP13Cr中δ铁素体的热处理控制

为保证SUP13Cr无缝钢管井下的安全使用,用户往往参考国际标准对产品钢级等性能进行要求,因此需要对SUP13Cr产品进行相应的热处理,生产中往往对轧制成型后的SUP13Cr无缝钢管进行回火处理以满足要求,图3是轧态SUP13Cr无缝钢管经过热处理之后的组织图,热处理工艺为620℃保温90分钟+空冷。经过回火热处理的SUP13Cr无缝钢管从性能上得到了提高,但图3中的金相组织显示δ铁素体含量相对轧态并没有改变,即仅回火并不能使δ铁素体含量满足要求,因此需要进行减轻δ铁素体的处理。

图3 SUP13Cr钢回火处理后不同倍数下的金相组织

对13Cr类无缝钢管的热处理可以参考同类Cr含量在13%左右的产品,如铬13型不锈钢,此钢种在高温穿孔过程中,加热温度超过1 180℃以后会导致δ铁素体的大量析出。同时经过热处理1 020℃～1 060℃正火后,δ铁素体将会大幅度减少或消除。在13Cr类产品生产过程中由于国内常用的高温热处理炉达到上述温度较为困难,同时高温正火在一定程度上降低材料的强度,因此一般13Cr类无缝钢管常用的热处理在900℃～980℃之间。为研究在较低的高温段热处理是否能改善δ铁素体含量,试验采用940℃的正火温度,同时为了验证试验结果,采用淬火的方式保留高温态的δ铁素体,具体实验方案为940℃保温30分钟后水淬。为更好的对比实验结果,仍然采用图1中所述的三种13Cr产品进行淬火处理,取实验样经抛光腐蚀后观察见图4所示。

从图4中可以得知,三种13Cr类产品经淬火后的δ铁素体含量规律同轧态时的一样,SUP13Cr仍然是δ铁素体含量最高的钢种。但对比图4和图2,三种13Cr类产品中的δ铁素体都不同程度地减少,结果表明在940℃的时候保温可以在一定程度上减轻δ铁素体的含量。

图4 三种13Cr钢的淬火金相组织(A:HP13Cr;B:HP13Cr/1;C:SUP13Cr)

具体针对SUP13Cr产品,考虑到高温热处理后的冷却方式重新进行了两种热处理工艺的试验,分别为:1#940℃保温30分钟+水淬;2#940℃保温30分钟+空冷。图5为两种热处理工艺下的金相组织,从图中可以看出,水淬和空冷的冷却方式得到的δ铁素体从形貌观察上没有差别,说明冷却方式对SUP13Cr中的δ铁素体含量没有影响。

图5 SUP13Cr金相组织图(A:1#热处理、B:2#热处理)

上述试验SUP13Cr中的δ铁素体在经过淬火和正火处理后,相对轧态均有不同程度的减少,这就说明其中一部分δ铁素体是在高温轧制过程中由于加热温度过高产生的,所以经过淬火或正火才能消除。消除温度较低是由于SUP13Cr中Cr含量较高,由Fe-Cr二元相图可知,Cr含量越高铁素体析出温度越低,所以消除温度也就越低,这是建立在成分均匀的基础上。如果SUP13Cr钢管中存在成分偏析或化学成分设计不合理,那么在高温轧制过程中产生的大量δ铁素体,即使经过淬火或正火也不可能消除和减少。

4 δ铁素体的成分分析

利用ZESSI EVO50扫描电镜和EDAX能谱仪对δ铁素体进行定性定量分析,图6给出了不同SUP13Cr淬火及正火后的δ铁素体的SEM照片及EDS谱图,其中块状物为δ铁素体。从δ铁素体的EDS谱图中可以看出:定量计算Mo含量为3.95wt%、Cr含量16.48wt%,明显高于基体中的Mo含量(2.26wt%)、Cr含量(13.57wt%)。淬火、正火的δ铁素体颜色较浅,δ铁素体和马氏体之间的边界清晰。

5 结论

(1)研究的三种13Cr钢的金相组织都为包含有少量δ铁素体的马氏体组织,其中HP13Cr的δ铁素体含量最低,SUP13Cr的δ铁素体含量最高。

(2)直接影响δ铁素体形成的因素一是钢中化学元素的含量,二是热加工过程的温度影响,在高温轧制过程中由于加热温度过高产生的δ铁素体,通过淬火或正火可以大幅度减少或消除。

(3)δ铁素体是一种富含Mo、Cr的相,较高的Cr当量是SUP13Cr中δ铁素体含量较高的主要原因。

图6 δ铁素体的SEM像及EDS谱图

[1] 王强.2Cr12NiMo VNb钢的δ铁素体含量的控制[J].四川冶金,2001,(3):24—26.

[2] 郭元蓉,陈雨,詹勇,等.P91热轧无缝钢管中δ铁素体的研究[J].钢管,2011,40(5):17—19.

[3] 梁晓军,焦四海.不锈钢中δ铁素体与奥氏体组织转变模拟[J].材料热处理学报,2007,28 (4):144—148.

[4] 王群娣.X12Cr MOWVNb N10—1—1钢δ铁素体析出规律研究[J].大型铸锻件,2012(6): 11—13.

Delta Ferrite in SUP13Cr Seamless Tube

HAN Jin-shan,ZHANG Bing,LI Zhi-qun,LV Chuan-tao,YAO Yong

(TianJin Pipe Corporation,Tianjin 300301,China)

SUP13Cr steel is developed from ordinary 13Cr and the comprehensive mechanical properties and corrosion resistance are improved.The composition design of high Cr and Mo in SUP13Cr steel which makes the steel has a high corrosion resistance and the structure is prone to be delta ferrite.Delta ferrite is also known as high temperature ferrite,relatively rare at room temperature,but in the SUP13Cr steel is still a delta ferrite retained to the normal temperature. Because the delta ferrite is brittle,it is easy to cause cracks in the process of use,and it is easy to lead to pitting corrosion,which has a destructive effect on the toughness of the material,so the delta ferrite is used as a harmful additive in the production of seamless pipe.The content change of the delta ferrite in SUP13Cr steel is studied on the basis of three different 13Cr steel,and heat treatment measure to reduce the content of delta ferrite is propsed..

SUP13Cr;delta ferrite;heat treatment;microstructure

1001—5108(2016)03—0041—04

TG113.1

A

韩进山,高级工程师,销售公司副经理。