碳、铬、钼元素对X70管线钢显微组织与性能的影响

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(1.南京钢铁股份有限公司板材事业部，南京 210035；2.北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083；3.北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083)

0 引 言

目前，单一的铁路长距离运输严重制约了我国煤炭工业的发展，采用长距离、大运量管道输送是改善煤炭运输结构，促进煤炭工业快速发展的一种有效途径，该运输方式具有适应性强、占地少、受外界干扰小、抗灾害能力强、全天候运输、运输效率高、可减轻生态环境压力等优点[1]。不同于传统石油天然气的运输，煤炭的管道运输采用固液两相的煤浆流体运输方式，输送压力较大(10～15 MPa)，这对输煤管道材料的要求较高，管道材料除了应具有较高的强度、良好的韧性、低的脆性和较强的抗疲劳强度外，还应具有较高的耐磨性[2]。在煤炭运输过程中，磨损一般发生在管线钢管与煤炭的接触表面，因而管线钢的耐磨性主要取决于其基体的显微组织[3]。目前，国内已建成的输煤管道大多采用X系列的高强度管线钢管。低碳、高锰微合金化的成分体系设计和严格的控轧控冷工艺可使管线钢获得以针状铁素体为主的显微组织和优良的综合性能[4]，但目前,我国煤浆流体运输专用管线钢的开发尚处于空白阶段[5]。传统X70管线钢的强度和韧性基本满足石油、天然气运输管线的要求，但其耐磨性能并不能满足煤炭运输管线的要求。因此，为适应煤炭运输管线建设的需求，作者通过改变传统X70管线钢成分中碳、铬和钼元素的含量并经控轧控冷获得不同显微组织的管线钢，分析了碳、铬、钼元素的含量对X70管线钢显微组织、力学性能和耐磨性能的影响，为强度和可加工性均满足传统X70管线钢要求的新型耐磨管线钢的开发提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验原料包括工业纯铁、中碳锰铁、硅铁和碳粉等。在传统X70管线钢化学成分的基础上适量改变碳、钼、铬等合金元素的含量，设计得到试验钢的化学成分如表1所示。按照表1中的化学成分称取原料，采用ZG-0.025型真空感应炉进行冶炼，真空度为10 Pa，得到质量为20 kg的铸坯；铸坯经过1 200 ℃×4 h均匀化处理后在YPD型液压镦锻机上进行锻造，得到尺寸为80 mm×90 mm×100 mm的方形钢坯；将钢坯加热至1 200 ℃保温1 h，出炉待温度降至1 100 ℃后在350型可逆式热轧试验机上进行4道次粗轧，每道次的变形量依次为20，16，13，11 mm，总压下量为60%，待温度降至1 000 ℃进行5道次精轧，每道次的变形量依次为10，8，6，3，2 mm，终轧温度为820 ℃，最终板厚为11 mm，随后水冷至550 ℃后空冷。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of the testedsteels (mass) %

在试验钢板中心位置截取金相试样，经机械打磨、抛光和用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用ZEISSULTRA 55型热场发射扫描电镜(SEM)观察显微组织。

根据API SPEC 5L，在试验钢板上取样并分别进行拉伸性能和低温冲击性能测试。在CMT5605型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸试样的标距为50 mm，宽度为10 mm；在E22.452型摆锤式冲击试验机上进行低温冲击试验，冲击试样的尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-20 ℃。

在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机上进行冲蚀磨损试验，试样尺寸为57 mm×25 mm×6 mm，磨损试验前，试样经1000#砂纸打磨后，用超声波清洗，充分干燥后用精度0.000 1 g的分析天平称取试样的质量，磨损过程中装置内压力为12 MPa，试验温度为(20±2)℃，试样旋转线速度为2 m·s-1，试验时间为72 h。磨损试验结束后，试样经超声波清洗，干燥后用相同天平称取其质量，通过磨损前后试样的质量差(磨损质量损失)来评价其相对耐磨性，不同试验钢均重复进行两次平行试验。

2 试验结果与讨论

2.1 碳元素对组织和性能的影响

由图1可以看出：1#,2#,3#试验钢的显微组织均主要为针状铁素体+准多边形铁素体+粒状贝氏体；随着碳含量的增加，准多边形铁素体的数量减少，粒状贝氏体的数量增加。

由表2可知,随着碳含量的增加，试验钢的低温冲击功和抗拉强度增大，而伸长率与屈强比则降低。试验钢的力学性能均满足API SPEC 5L对X70耐磨管线钢的要求。1#，2#，3#试验钢的磨损质量损失分别为0.154 2，0.196 5，0.199 2 g。这表明随着碳含量的增加，试验钢的耐磨性提高。由于粒状贝氏体的硬度与强度均高于铁素体的，因此试验钢的抗拉强度和耐磨性均随碳含量的增加而提高。同时，碳含量的增加还可增加钢中的固溶体，起到固溶强化的作用。但管线钢为热轧态，碳的固溶度有限，过高的碳含量会引起马氏体/奥氏体(M/A)岛颗粒排列趋于直线，有利于裂纹的扩展，导致管线钢塑性的下降，同时也会导致其焊接性与耐腐蚀性能的降低[6-7]，因此管线钢宜采用低碳(或超低碳)的化学成分设计。在低碳(或超低碳)范围内，适量增加碳含量可以提高管线钢的耐磨性。

表2 不同碳含量试验钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of the tested steel withdifferent C content

图1 不同碳含量试验钢的显微组织Fig.1 Microstructures of tested steels with different C content: (a) 1# tested steel; (b) 2# tested steel and (c) 3# tested steel

2.2 铬元素对组织和性能的影响

由图2可知：4#,5#试验钢的显微组织均主要为针状铁素体+准多边形铁素体+粒状贝氏体；与图1(a)对比分析可知，随着铬含量的增加，晶粒尺寸变小，M/A岛含量增加，4#试验钢中M/A岛主要为颗粒状，弥散分布在铁素体基体上，1#试验钢中M/A岛主要为板条状，沿铁素体板条方向排列，5#试验钢中长条状M/A岛的含量较多，粒状M/A岛沿着铁素体板条方向分布，具有明显的方向性。

图2 不同铬含量试验钢的显微组织Fig.2 Microstructures of tested steels with different Cr content: (a) 4#tested steel and (b) 5# tested steel

由表3结合1#试验钢的力学性能分析可知，随着铬含量的增加，试验钢的抗拉强度和屈服强度均整体呈升高趋势，而低温冲击功、伸长率和屈强比降低。试验钢的力学性能满足API SPEC 5L对X70耐磨管线钢的要求。4#，5#试验钢的磨损质量损失分别为0.172 0，0.131 6 g，对比1#试验钢的可知，随着铬含量的增加，试验钢的耐磨性提高。铬是强碳化物形成元素，可以提高奥氏体的稳定性，同时可以降低钢的临界冷却速率，提高淬透性，细化组织，因此随着铬含量的增加，试验钢的抗拉强度提高。沿板条方向分布的条状M/A岛可以提高钢的强度和耐磨性，但是这种形貌的M/A岛容易产生应力集中，从而诱发裂纹萌生，降低冲击韧性，因此随着铬含量的增加，试验钢的韧性下降。

表3 不同铬含量试验钢的力学性能Tab.3 Mechanical properties of tested steels withdifferent Cr content

2.3 钼元素对组织和性能的影响

由图3可知：添加钼元素后，6#,7#试验钢的组织主要为少量针状铁素体+准多边形铁素体+粒状贝氏体，这是由于适量的钼元素可促进针状铁素体形成，抑制块状铁素体的形成，推迟贝氏体相变；随着钼含量的增加，多边形铁素体数量增加，长条状M/A岛和粒状贝氏体逐渐消失。

表4 不同钼含量试验钢的力学性能Tab.4 Mechanical properties of the tested steels withdifferent Mo content

图3 不同钼含量试验钢的显微组织Fig.3 Microstructures of tested steels with different Mo content: (a) 6# tested steel and (b) 7# tested steel

由表4可知：钼元素的添加对试验钢的抗拉强度并没有显著的影响，随着钼含量的增加，屈强比先增后降，低温冲击功降低，伸长率先降后增。试验钢的力学性能满足API SPEC 5L对X70耐磨管线钢的要求。6#，7#试验钢的质量损失分别为0.159 6，0.134 3 g，结合1#试验钢的磨损质量损失分析可知，少量钼元素的添加会略微降低钢的耐磨性，但钼质量分数增加到0.22%时，试验钢的耐磨性得到提高。钼是高强度管线钢中重要的合金元素，可以扩大奥氏体相区，促进针状铁素体形成，同时也可以与碳形成碳化物，或与奥氏体、铁素体形成固溶体，起到固溶强化的作用，因此试验钢在含碳量(质量分数)为0.04～0.07%的条件下仍具有较高的强度和良好的韧性。少量钼元素在促进针状铁素体形成的同时，也降低了长条状M/A岛的数量，削弱了粒状贝氏体对裂纹扩展的阻碍作用，降低了钢的塑性，因此耐磨性降低；当钼质量分数增加到0.22%时，铁素体相区扩大，组织由多边形铁素体和粒状贝氏体组成，多边形铁素体的塑性较好，粒状贝氏体对裂纹扩展有阻碍作用，因此试验钢的耐磨性提高。但是，过多钼元素的加入会造成生产成本的提高，因此需要控制钼元素的加入量。

3 结 论

(1) 在X70管线钢成分基础上，调整碳、钼、铬含量所制备的试验钢的显微组织均主要由针状铁素体+准多边形铁素体+粒状贝氏体组成，其力学性能均满足API SPEC 5L对X70管线钢的要求。

(2) 适当增加碳元素或铬元素的含量均可提高试验钢的抗拉强度和耐磨性，但降低其塑性；钼元素对试验钢的抗拉强度没有显著的影响，当钼质量分数由0增至0.22%时，试验钢的耐磨性先降后升。