李國(guó)寶，夏繼年

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司鋼鐵研究院，山東日照 276800）

1 前 言

管線鋼主要應(yīng)用于石油、天然氣等管道輸送工程。提高管線鋼鋼級(jí)，可以有效提升油氣輸送效率和節(jié)約管道建設(shè)成本。X70 級(jí)管線鋼已逐漸取代X52、X60 等低級(jí)別管線鋼被廣泛研發(fā)和應(yīng)用［1-5］。在X70管線鋼開發(fā)中，通常需要加入貴重金屬元素Mo或者高Nb，來(lái)滿足其高強(qiáng)度、高低溫止裂韌性的性能要求，但其生產(chǎn)成本居高不下［6-10］。在滿足X70管線鋼高性能要求的基礎(chǔ)上，避免在鋼中添加貴重金屬元素Mo的同時(shí)減少Nb的添加量，降低生產(chǎn)成本以適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的管線鋼市場(chǎng)，成為X70管線鋼研發(fā)的重要方向。

通過(guò)將微合金化技術(shù)與TMCP 工藝相結(jié)合可以提高鋼的強(qiáng)韌性能［11-12］。與Nb、V等微合金化技術(shù)相比，由于鈦鐵資源豐富、價(jià)格低廉，采用Ti微合金化具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。但長(zhǎng)期以來(lái)，Ti微合金化應(yīng)用相對(duì)保守，通常作為輔助元素使用，鋼中的添加量0.01%～0.03%，主要利用TiN對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的抑制作用來(lái)提高焊接性能，即微鈦處理［13］。實(shí)際上，當(dāng)Ti含量更高時(shí)，結(jié)合恰當(dāng)?shù)腡MCP工藝，可以形成彌散細(xì)小的納米級(jí)含鈦析出相，起到一定程度的細(xì)晶強(qiáng)化和顯著的析出強(qiáng)化作用［14-15］。然而，由于Ti 的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，易與鋼中的O、S和N等元素在高溫結(jié)合形成較大尺寸的化合物，對(duì)鋼的性能有害無(wú)益，甚至?xí)斐僧a(chǎn)品低溫韌性的急劇下降，O、S和N元素含量的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能出現(xiàn)波動(dòng)；此外，含鈦相的析出對(duì)冷速和溫度較為敏感，當(dāng)工藝控制不穩(wěn)定時(shí)很容易造成產(chǎn)品力學(xué)性能發(fā)生大的波動(dòng)，進(jìn)而限制了鈦微合金化技術(shù)的應(yīng)用［16］。隨著近幾年化學(xué)冶金和TMCP 技術(shù)的發(fā)展和控制水平的提高，以往含鈦鋼生產(chǎn)存在的問題逐漸得到解決。開發(fā)以鈦為主要微合金化的X70管線鋼對(duì)于降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的意義。目前，對(duì)于鈦微合金化管線鋼的研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室熱模擬研究［17-18］，鈦微合金化管線鋼的生產(chǎn)實(shí)踐鮮有報(bào)道。

為了適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展，通過(guò)深入研究鈦微合金化技術(shù)，通過(guò)低碳、高錳、高鈦、微鈮、無(wú)鉬的成分設(shè)計(jì)，結(jié)合潔凈鋼冶煉技術(shù)及恰當(dāng)?shù)腡MCP 工藝，成功研制開發(fā)出成本經(jīng)濟(jì)、綜合性能優(yōu)良的X70級(jí)管線鋼。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司試驗(yàn)生產(chǎn)的X70管線鋼，其化學(xué)成分主要特點(diǎn)是低C、高M(jìn)n，嚴(yán)格控制P、S、O、N等雜質(zhì)元素含量，同時(shí)添加高Ti和微Nb的低成本微合金化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

C與鋼中的Ti、Nb結(jié)合可以形成納米級(jí)的析出粒子，發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化作用和析出強(qiáng)化作用。但C含量過(guò)高會(huì)促使碳化物提前析出、長(zhǎng)大甚至發(fā)生粗化，導(dǎo)致鋼的焊接性能、低溫韌性等降低；因此，C含量的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。添加Mn的主要目的是以固溶強(qiáng)化方式提高強(qiáng)度，同時(shí)可以降低γ→α 相變點(diǎn)溫度，細(xì)化鐵素體晶粒，還能抑制含鈦析出相在奧氏體中形變誘導(dǎo)析出，使更多細(xì)小的碳化物在鐵素體中析出，增強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效果。Ti含量的設(shè)計(jì)系統(tǒng)考慮，若Ti含量過(guò)少，含鈦析出相粒子數(shù)量少，細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化效果不足，若Ti 含量過(guò)高，會(huì)使含鈦相的析出溫度升高，容易導(dǎo)致第二相粒子長(zhǎng)大粗化，不僅起不到有益作用反而會(huì)惡化鋼的低溫韌性。S 和P 元素都是鋼中的有害元素，降低鋼材的韌性和塑性，因此在冶煉過(guò)程中要脫硫、脫磷，把鋼中硫和磷的含量降到最低。不僅如此，Ti容易與鋼中的O、N、S等雜質(zhì)元素在高溫發(fā)生反應(yīng)，會(huì)消耗Ti的含量，最終導(dǎo)致產(chǎn)品性能發(fā)生波動(dòng)，因此也需對(duì)O、N、S 進(jìn)行嚴(yán)格控制。Nb 是有效的細(xì)化晶粒元素，加入適量的Nb，通過(guò)析出粒子釘扎作用和固溶原子溶質(zhì)拖拽作用，抑制變形奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，結(jié)合未再結(jié)晶區(qū)控制軋制工藝，實(shí)現(xiàn)組織的細(xì)化，用來(lái)彌補(bǔ)單純鈦細(xì)化晶粒作用不足的問題，從而獲得高強(qiáng)度與高韌性的力學(xué)性能合理匹配。

鈦微合金化X70管線鋼主要生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（LF+RH）→連鑄→堆垛緩冷→鑄坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→精軋→超快速冷卻→卷取。采用潔凈鋼冶煉工藝，經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉和爐外精煉，利用深脫氧技術(shù)、深脫硫技術(shù)以及真空處理技術(shù)，嚴(yán)格控制過(guò)程增N，獲得低S、O和N 等雜質(zhì)元素的含量，避免或減少Ti 與鋼中的O，S和N等在高溫結(jié)合形成微米級(jí)的析出相，保證“有效”Ti 的含量。連鑄過(guò)程采用恒拉速、低過(guò)熱度、保護(hù)澆注、動(dòng)態(tài)輕壓下等手段，保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量良好。將鑄坯加熱至一定溫度，使其完全奧氏體化，讓Ti 和Nb 微合金化元素在奧氏體中盡可能固溶，同時(shí)為防止晶粒發(fā)生長(zhǎng)大和粗化，加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，隨后進(jìn)行兩階段控制軋制以細(xì)化組織。其中，粗軋階段采用再結(jié)晶區(qū)軋制工藝，經(jīng)過(guò)反復(fù)的靜態(tài)再結(jié)晶使奧氏體晶粒細(xì)化，精軋階段則在未再結(jié)晶區(qū)軋制，使奧氏體晶粒充分扁平化，提高奧氏體晶界面積，加上變形累積產(chǎn)生的大量位錯(cuò)、亞晶界等變形結(jié)構(gòu)，為γ→α相變?cè)黾哟罅啃魏宋恢?，使相變后的組織更加細(xì)小均勻。軋后采用加速冷卻和低溫卷取，促進(jìn)形成細(xì)小均勻的針狀鐵素體組織，同時(shí)促使更多、更細(xì)小的納米級(jí)析出粒子在基體中彌散析出并在卷取緩冷的過(guò)程中不發(fā)生長(zhǎng)大粗化。主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)鋼軋制工藝參數(shù)

對(duì)試制的管線鋼進(jìn)行拉伸、沖擊、落錘等力學(xué)性能檢驗(yàn)，同時(shí)取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，用Axio Vert A1 光學(xué)顯微鏡和GeminiSEM 300 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的組織形貌。經(jīng)過(guò)機(jī)械減薄，電解雙噴減薄制備金屬薄膜試樣，利用Talos F200S G2 透射電鏡觀察樣品中析出粒子的尺寸、形貌、分布等，并利用能譜（EDS）對(duì)析出物進(jìn)行成分分析。

3 試制結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能

試制的鈦微合金化X70管線鋼主要性能如表3所示。拉伸試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)品的橫向拉伸性能各項(xiàng)指標(biāo)良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，富余量適當(dāng)。夏比沖擊性能檢測(cè)試樣方向?yàn)闄M向，采用全尺寸試樣（10 mm×10 mm×55 mm）。

表3 鈦微合金化X70管線鋼實(shí)物性能

沖擊試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)品沖擊韌性優(yōu)異，在-20 ℃低溫條件下，沖擊功在200 J 以上，沖擊纖維斷面率均為100%。落錘性能檢測(cè)方向?yàn)闄M向，落錘試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)品落錘性能良好，在-15 ℃低溫條件下，落錘剪切面積均值還在85%以上?？梢姡囍频拟佄⒑辖鸹疿70管線鋼具有高強(qiáng)韌性匹配。

3.2 微觀組織

在金相顯微鏡下觀察X70管線鋼的200倍金相組織形貌如圖1a所示。由圖可見，X70管線鋼組織主要為細(xì)小均勻的針狀鐵素體以及少量多邊形鐵素體。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察到的針狀鐵素體板條束寬度1 μm 左右，如圖1b 所示。這種以均勻細(xì)化的針狀鐵素體為主的理想組織是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌性能的保證。

圖1 鈦微合金化X70管線鋼的微觀組織

X70 管線鋼沖擊試樣和落錘試樣斷口形貌分別如圖2a和圖2b所示，斷口均顯示其為韌性斷裂，并具有明顯韌窩特征，材料斷裂韌性良好。

圖2 沖擊試樣斷口和落錘試樣斷口微觀形貌

在透射電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)，基體組織中具有高密度的位錯(cuò)和細(xì)小彌散分布的第二相析出粒子，且析出相與位錯(cuò)交互作用，如圖3 所示。值得注意的是，基體中有較多的第二相粒子析出，析出粒徑大多在5～15 nm，通過(guò)能譜分析其主要是鈦、鈮復(fù)合的碳化物。另有少量粒徑為15～30 nm 的第二相粒子，能譜分析顯示其為鈦、鈮復(fù)合的碳氮化物。

圖3 鋼中析出相TEM和EDS分析

3.3 分析與討論

對(duì)于本研究試制的鈦微合金化X70管線鋼，細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化是其主要強(qiáng)韌化機(jī)制。由前述觀察結(jié)果可知，在當(dāng)前的鈦鈮復(fù)合成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合恰當(dāng)?shù)目剀埞に?，軋后采用加速冷卻和低溫卷取，鈦微合金化X70管線鋼顯微組織以細(xì)小針狀鐵素體類型為主。研究表明［19-20］，針狀鐵素體尺寸細(xì)小，且其存在交叉分布的大角度晶界和高密度位錯(cuò)等復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是保證管線鋼獲得優(yōu)異低溫止裂韌性的理想組織。通過(guò)透射電鏡分析，基體組織中分布著細(xì)小的納米級(jí)析出相，析出相主要是Ti和Nb的碳、氮化物，在基體中呈均勻分布或于晶界、位錯(cuò)等缺陷部位分布。鋼中的析出相大致有兩種類型：一種為15～30 nm 的較大尺寸析出相，數(shù)量較少；另一種尺寸較小5～15 nm 的析出粒子，數(shù)量較多。根據(jù)微合金元素的析出規(guī)律可知［21-22］，較大尺寸的析出粒子是在軋制過(guò)程中因形變誘導(dǎo)析出的。通過(guò)能譜分析其主要是鈦和鈮的碳氮化物，它們起到了抑制奧氏體再結(jié)晶的作用，通過(guò)未再結(jié)晶區(qū)控軋，使變形奧氏體中保留高密度的位錯(cuò)和變形帶，增加了相變形核點(diǎn)，細(xì)化晶粒尺寸，進(jìn)而有效提高管線鋼強(qiáng)韌性。而15 nm 以下的細(xì)小析出相是在低溫卷取過(guò)程在基體中析出的。通過(guò)能譜分析，其主要是鈦、鈮復(fù)合的碳化物，細(xì)小的析出粒子可以通過(guò)釘扎位錯(cuò)阻礙其移動(dòng)，產(chǎn)生顯著的析出強(qiáng)化作用。微合金碳氮化物析出是受原子擴(kuò)散控制的過(guò)程，鈦微合金化X70管線鋼采用軋后快速冷卻，抑制了相變過(guò)程中的碳化物析出，使更多的微合金元素在低溫卷取時(shí)在基體中過(guò)飽和析出，降低了析出相的平均尺寸。納米級(jí)析出相分布在具有高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體組織中，這些細(xì)小的析出相與位錯(cuò)相互作用，起到顯著的析出強(qiáng)化作用，提高材料的強(qiáng)度。

通過(guò)采用低碳、低鈮、高鈦的成分設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格控制S、O、N 等元素含量，結(jié)合恰當(dāng)?shù)目剀埧乩涔に?，可以充分發(fā)揮微合金元素細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用。值得注意的是，盡管在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制會(huì)形變誘導(dǎo)析出的析出粒子尺寸相對(duì)較大，在一定程度上削弱總體的沉淀強(qiáng)化效果，但由于其對(duì)奧氏體再結(jié)晶的抑制作用，在未再結(jié)晶區(qū)軋制變形累積產(chǎn)生大量的晶界、位錯(cuò)和變形帶等缺陷，為相變提供了形核位置，使相變后的組織更加細(xì)小、均勻，既提高了強(qiáng)度也改善了韌性。鈦微合金化X70 管線鋼板卷的微觀組織均勻，晶粒細(xì)小，針狀鐵素體內(nèi)部具有高的位錯(cuò)密度和細(xì)小析出相粒子，且位錯(cuò)和析出相粒子交互作用，正是這種組織特征使其具有高強(qiáng)韌性匹配。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用低碳、適量錳、低鈮、高鈦的低成本成分設(shè)計(jì)，通過(guò)潔凈鋼冶煉技術(shù)提高鋼水潔凈度和鑄坯質(zhì)量，結(jié)合相應(yīng)的TMCP 工藝進(jìn)行組織調(diào)控，獲得細(xì)小均勻具有高密度位錯(cuò)的針狀鐵素體組織，在晶粒內(nèi)部彌散分布著與位錯(cuò)相互作用的納米級(jí)含鈦析出相，最終成功研發(fā)出綜合性能良好的X70級(jí)管線鋼。

（2）基于鈦微合金化設(shè)計(jì)的X70管線鋼的拉伸強(qiáng)度穩(wěn)定，低溫沖擊及落錘性能優(yōu)異（滿足-20 ℃沖擊功＞200 J，-15 ℃落錘剪切面積＞85%），具有高強(qiáng)韌性匹配。

（3）相對(duì)傳統(tǒng)的高鈮或加鉬成分設(shè)計(jì)的X70，配合潔凈鋼冶煉技術(shù)及恰當(dāng)?shù)腡MCP 工藝，采用鈦微合金化研發(fā)的X70 管線鋼在保證性能特別是低溫止裂韌性的前提下，顯著降低了生產(chǎn)成本。