分享：热轧工艺参数对X80管线钢成品组织的影响

管线钢是指用于输送石油、天然气等管道所用的一类具有特殊要求的钢种，根据厚度和后续形成等方面的不同，可由热连轧机组、中厚板轧机生产热板，经螺旋焊接或直缝焊接形成大口径钢管。管线钢应用环境可分为高寒、高硫地区和海底铺设3类。这些工作环境恶劣的管线，线路长，又不易维护，对质量要求都很严格。管线钢面临的诸多挑战包括：油气田大部分在极地、冰原、荒漠、海洋地区，自然条件较为恶劣，或者为了提高运输效率，管道的口径不断被扩大，输送压力不断被提升。需要管线钢具有良好的力学性能（厚壁、高强度、高韧性、耐磨性），还应具有大口径、可焊接性、耐严寒低温性、耐腐蚀性、抗海水和抗氢致开裂（HIC）、抗硫化物应力腐蚀（SSCC）性能等。随着这些需求的增加管线钢的级别由原来的X46、X52、X60、X65逐步发展到X70、X80甚至X100、X120等更高级别[1−4]，提高管线钢的强度级别既能提升管道系统的抗压能力，进而增加运输量，又能降低管道壁的厚度，从而降低投入的建设成本，该两点因素推动了高强管线钢的研发与产业化。高强度管线钢的设计一般采用较低的C含量，提高钢材的塑性和可焊性能，通过添加微量合金元素Nb、V、Ti、Mo、B、Mn元素等[5]，改善钢的各种性能，再通过控轧控冷工艺，获得一定的硬化相，比如贝氏体、甚至微量的马氏体，并通过晶粒细化、微合金的沉淀强化等手段获得优良的强度和塑性综合性能。本文以X80管线钢为研究对象，采用了低C、微合金Nb、V、Ti、Cr、Ni、Mo的成分设计理念，通过实验室模拟轧制过程和冷却过程对钢材组织的影响规律，匹配了多种热轧的工艺控制方案，从而获得不同的金相组织，为工业生产制定合理的控制轧制工艺提供制定依据。

1.   实验材料和方法

应用多功能真空感应炉进行冶炼，获得如表1所列成分的X80管线钢钢锭，然后对钢锭进行机加工，获得热模拟需要的试样块，机加工采用带锯和线切割方式，最终获得的试样尺寸为10 mm×15 mm×20 mm的立方体，备用。

实验方案：实验在Gleeble3500动态热模拟机上进行，模拟加热炉加热，粗轧过程、精轧过程等轧制过程，采用交叉实验，重点模拟了精轧过程，选用不同的精轧开轧温度、终轧温度、冷却速率，模拟不同的卷取温度，缓冷至室温，而后使用金相显微镜和透射电镜检测，观察其组织和形貌，根据不同参数下得到的组织找到最优的关键参数。交叉实验方案如表2，其中铸坯加热温度为1180 ℃保温3 min，粗轧1020 ℃变形30%，应变速率15 s–1，试样压下的最终厚度为4.0 mm。

2.   实验结果与分析

通过金相显微镜观察各个工艺的金相组织如图1所示。

通过场发射扫描电镜观察各个工艺下不同试样的组织形貌如图2所示。

从以上金相显微镜和电镜实验检测可以得出各个实验条件下，产品的组织，具体见表3。

X80管线钢若想获得高的产品机械性能和高的低温冲击性能，较为理想的组织为针状铁素体（多边形铁素体、粒状贝氏体、贝氏体铁素体）和多边形铁素体的混合组织，随着加速冷却速率的提高，可能在组织中出现分布的MA岛。

第1种实验方式，采用相同的轧制工艺，比较不同的冷却速度和卷取温度获得不同的组织（试样1#~6#）。选用500 ℃卷取温度时，无论是高冷速还是低冷速，均无法获得针状铁素体，仅能得到贝氏体和先共析铁素体，因此不适用生产X80产品，无法获得良好的组织；根本原因是500 ℃卷取时，由于温度较高，针状铁素体转变难以进行完全，在缓冷过程中有可能形成多边形铁素体或发生块状转变，然后在冷却过程逐渐形成铁素体和贝氏体的混合组织。

选用350 ℃卷取温度时，采用冷速大于25 ℃/s，产品也无法获得针状铁素体，仅能得到贝氏体和先共析铁素体，随着冷速的增大先共析铁素体含量减少。而采用冷速为15 ℃/s，获得的组织为贝氏体、铁素体、针状铁素体、微量MA岛，该工艺较为适用生产X80产品。根本原因由于针状铁素生成温度高于贝氏体生成温度，当350 ℃卷取时，如冷速较高（25 ℃/s以上），针状铁素体生成孕育时间不足，针状铁素体无法完全形成，仅能在后续冷许过程中生成贝氏体组织；如冷速较低（15 ℃/s），针状铁素体生成有充足的孕育时间，则针状铁素体组织生成量占主要部分，剩余的奥氏体转变为贝氏体组织和微量MA岛。

第二种实验方式，采用低温终轧的试样方式（试样7#和8#），无论采用高温还是低温的卷取温度，均能获得较为理想的组织，根本原因为随着终轧温度的降低，奥氏体相变温度点降低，实验钢变形后获得的组织缺陷及形变能累积作用明显，针状铁素体的形核驱动力加大，形核率增加，从而提供更多的相变形核位置，针状铁素体转变较完全，这时即使较大冷速（32 ℃/s）冷却至卷曲温度仍可以形成以针状铁素体为主的混合组织。

但是由于终轧温度较低，对于热轧机是个很大的挑战，在产线能力具备的情况下，可以推广使用，总体趋势是，终轧温度降低是有利于形成针状铁素体。

3.   结论

（1）采用第1#、4#热轧工艺，可以得到的组织为贝氏体和少量先共析铁素体。

（2）采用第2#、5#种热轧工艺，可以得到先共析铁素体和贝氏体的双相组织

（3）采用第3#种热轧工艺，可以得到的组织为贝氏体和先共析铁素体和微量MA组织，存在碳化物析出，强度韧性会有所降低。

（4）采用第6#、7#、8#种热轧工艺，可以得到的组织为贝氏体和铁素体和针状铁素体和微量MA组织，为较理想组织状态。该三种工艺方案可以实现X80管线钢组织需求，但是结合轧机能力，第6#试样方案是较为理想的热轧工艺。

文章来源——金属世界