經(jīng)濟(jì)型J55鋼級(jí)低碳錳鋼研制

尹清金

(靖江特殊鋼有限公司，江蘇 靖江 214500)

某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中J55鋼級(jí)套管性能與API 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求有所不同，其有附加的沖擊性能要求，具體要求如下：全尺寸試樣室溫(溫度21 ℃)狀態(tài)下，橫向沖擊吸收能≥22 J，縱向沖擊吸收能≥32 J。常用37Mn5牌號(hào)鋼所生產(chǎn)的J55鋼級(jí)套管在熱軋狀態(tài)下不能滿足該附加沖擊性能要求。為滿足要求，可采用以下兩種措施：(1)正火處理，處理費(fèi)用約200元/噸，大幅提高生產(chǎn)成本；(2)熱軋后控冷，沖擊性能的批次不合格率達(dá)到20%及以上，且沖擊性能數(shù)值下限居多，存在較大的質(zhì)量隱患。

為滿足某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)J55鋼級(jí)套管附加沖擊性能要求，需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)新鋼種，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本及最大限度消除沖擊性能數(shù)值低所造成的質(zhì)量隱患。

1 鋼種成分設(shè)計(jì)及理論分析

為提高鋼的強(qiáng)度首先要提高鋼的屈服強(qiáng)度，這是鋼材使用的計(jì)算基礎(chǔ)，鋼的強(qiáng)化類型主要有以下幾種：(1)置換和間隙固溶的原子以點(diǎn)狀障礙物的形式固溶強(qiáng)化；(2)位錯(cuò)以線狀障礙物形式的位錯(cuò)強(qiáng)化(如冷加工變形強(qiáng)化)；(3)晶粒以面狀物形式的細(xì)晶強(qiáng)化；(4)細(xì)小析出物(如C、N化物)形式的彌散強(qiáng)化(沉淀強(qiáng)化)；(5)熱處理相變強(qiáng)化(如調(diào)質(zhì)熱處理)。J55鋼級(jí)套管要同時(shí)滿足強(qiáng)度和韌性并采取軋態(tài)交貨，鋼種設(shè)計(jì)的強(qiáng)化手段主要是固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化方式。

1.1 合金元素含量對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響

Mn是固溶元素，同時(shí)也是弱碳化物形成元素，大部分固溶，且一般固溶在鐵素體中。Si也是固溶元素，大部分固溶在鐵素體中。圖1為合金元素含量對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響[1]，圖2為合金元素含量對(duì)鐵素體韌性的影響。

圖1 合金元素含量對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響

圖2 合金元素含量對(duì)鐵素體韌性的影響

合金元素的固溶強(qiáng)化公式[1]如下：

屈服強(qiáng)度：

Rp=9.8{12.4+28C+8.4Mn+5.6Si+5.5Cr+4.5Ni+8.0Cu+55P+(3.0-0.2(h-5)}

(1)

抗拉強(qiáng)度：

Rm=9.8{(23.0+70C+8.0Mn+9.2Si+7.4Cr+3.4Ni+5.7Cu+46P+(2.1-0.14(h-5)}

(2)

其中h為產(chǎn)品厚度，單位mm，強(qiáng)度單位：MPa。

從圖1可以看出，Mn和Si元素都有強(qiáng)烈的提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的作用，從圖2可看出Mn在0～1.50%之間對(duì)鐵素體的沖擊韌性貢獻(xiàn)均為正，在0～0.90%時(shí)隨其含量的增加貢獻(xiàn)逐漸增高，而在1.0%～1.50%時(shí)隨其含量的增加貢獻(xiàn)逐漸降低，而Si含量在0～0.70%之間對(duì)鐵素體的沖擊韌性貢獻(xiàn)均為正，但隨含量的增加貢獻(xiàn)降低。

1.2 合金成分設(shè)計(jì)

根據(jù)合金元素對(duì)強(qiáng)度和韌性的作用設(shè)計(jì)鋼的成分，見表1。

表1 鋼的設(shè)計(jì)化學(xué)成分

1.2 鋼的相變點(diǎn)及軋態(tài)平衡組織比例計(jì)算

根據(jù)鋼種的設(shè)計(jì)成分計(jì)算相變點(diǎn)、組織百分比及組織轉(zhuǎn)變時(shí)間，并與37Mn5牌號(hào)生產(chǎn)的J55鋼級(jí)進(jìn)行比較，見表2。

表2 相變點(diǎn)及組織轉(zhuǎn)變比例及時(shí)間

相變點(diǎn)計(jì)算公式[2]：

Ac1=723-26Si+20Cr+16Mo+55V-14Cu-18Ni-12Mn

(3)

Ac3=910-320C-14Ni-12Cu-10Mn+5Cr+14Mo+5V+18Si

(4)

組織轉(zhuǎn)變時(shí)間公式[2]：

1gKF=3.3C-0.17Si+1.1Mn+1.3Cr+2.1Mo+0.3Ni+0.63Cu-1.931

(5)

lgKP=0.6C-Si+1.4Mn+1.3Cr+3.7Mo+0.4Ni+0.4Cu-0.869

(6)

其中KP為珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)間，KF為鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)間。

表2表明，鋼種A的鐵素體(韌性相)轉(zhuǎn)變時(shí)間比37Mn5短，在實(shí)際生產(chǎn)中得到先共析鐵素體比例高的可能性更大，同時(shí)其鐵素體相的比例也較高，故其在軋制后的沖擊性能會(huì)比37Mn5高。

1.4 流變應(yīng)力的理論分析

所謂流變應(yīng)力即材料在一定變形溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈服極限。常用鋼種的熱模擬試驗(yàn)已經(jīng)有一些資料可以借鑒，圖3為37Mn5鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[3]，流變應(yīng)力函數(shù)σ均為e為底的指數(shù)函數(shù)，形狀都具有相似性。將應(yīng)變可以簡化地看成軋制某種規(guī)格時(shí)減徑機(jī)的延伸系數(shù)，將應(yīng)變速率簡化看成是減徑機(jī)每單位軋制時(shí)間的總變形(或總減徑率)，從圖3中可以看出應(yīng)變?cè)?.3以前的強(qiáng)度增量的增加幅度較大，在真應(yīng)變0.3左右(亦即延伸系數(shù)1.30)之后，流變應(yīng)力的增加率幾乎不變或略微增加(如果變形溫度比較高且應(yīng)變速率較慢的情況下流變應(yīng)力還有可能降)，即應(yīng)變?cè)?.3以后時(shí)，也就是當(dāng)變形程度達(dá)到一定值時(shí)，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軟化作用與變形造成的變形畸變能相互抵消達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 37Mn5鋼在變形溫度為850℃時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

設(shè)計(jì)的新鋼種A與37Mn5鋼同屬低、中碳Mn鋼，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)該具有相似性，可以參照37Mn5鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在減徑機(jī)的延伸系數(shù)大于1.3后，減徑引起的變形強(qiáng)化導(dǎo)致的強(qiáng)度的增量變化將會(huì)很小或變化不大。必須說明的是，在鋼管的軋制過程中，穿孔工序和軋管工序也同樣有應(yīng)變，但由于其變形的溫度至少為1050 ℃，屬于高溫變形，其動(dòng)態(tài)回復(fù)的時(shí)間很短，只有幾秒鐘，對(duì)應(yīng)力增量造成的影響很小。

2 鋼種A試制工藝過程、性能及質(zhì)量結(jié)果

2.1 鋼種A工藝過程及性能結(jié)果

鋼種A試驗(yàn)軋制規(guī)格為244.48×8.94 mm，采用PQF連軋管機(jī)組進(jìn)行軋制，其工藝流程為：環(huán)形爐加熱-穿孔-軋管-定徑-(控制冷卻或不控制冷卻)-冷床-矯直，控制冷卻主要采取的方式為水套冷卻，熱軋軋制后機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 機(jī)械性能(均為統(tǒng)計(jì)平均值)

從表3可以看出，采用鋼種A控制冷卻工藝生產(chǎn)的鋼管平均屈服強(qiáng)度為468 MPa，平均抗拉強(qiáng)度637 MPa，平均延伸率32%，平均沖擊性能48 J；采用鋼種A不控制冷卻工藝生產(chǎn)的鋼管平均屈服強(qiáng)度488 MPa，平均抗拉強(qiáng)度641 MPa，平均延伸率31%，平均沖擊性能41 J。

采用鋼種A共生產(chǎn)檢驗(yàn)98批試樣，屈服強(qiáng)度合格率98.9%，沖擊性能合格率100%，與37Mn5鋼(控制冷卻工藝)比較，鋼種A生產(chǎn)的鋼管沖擊吸收能是標(biāo)準(zhǔn)要求的1.85倍，而37Mn5鋼僅是標(biāo)準(zhǔn)要求的1.15倍。鋼種A生產(chǎn)的鋼管沖擊性能富余量比標(biāo)準(zhǔn)要求大得多,而37Mn5鋼沖擊性能的不合格率達(dá)到20%及以上，性能穩(wěn)定性差。

2.2 鋼種A表面質(zhì)量狀況

鋼種A的煉鋼工藝與通常冶煉中碳錳鋼沒有區(qū)別，同時(shí)鋼種A與37Mn5鋼軋制J55鋼級(jí) 244.48×8.94 mm規(guī)格套管工藝沒有區(qū)別，軋制后鋼管的內(nèi)外表面質(zhì)量好，無異常現(xiàn)象。

2.3 鋼種A與37Mn5鋼的組織分析

鋼種A與37Mn5鋼的金相組織見圖4及圖5，應(yīng)用顯微鏡自帶的金相圖形分析軟件測(cè)量的兩項(xiàng)組織比例見表4。

圖4 鋼種A金相照片100X

圖5 37Mn5鋼金相照片100X

表4 鋼種A與37Mn鋼的兩項(xiàng)組織比例及晶粒度

從圖4、圖5及表4可以看出，實(shí)際生產(chǎn)的鋼種A晶粒度比鋼種37Mn5細(xì)，兩個(gè)鋼種的鐵素體和珠光體的比例與理論計(jì)算的比例基本相符，鋼種A的韌性明顯比37Mn5鋼高，同時(shí)其晶粒度比37Mn5鋼細(xì)，所以沖擊性能也比37Mn5鋼高，與實(shí)際的生產(chǎn)結(jié)果相符。

從軋制鋼種A數(shù)據(jù)看，在滿足標(biāo)準(zhǔn)性能的同時(shí)，屈服強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)相比還有較大的降低空間，所以降低Mn或Si含量也有較大余地，適當(dāng)降低Mn或Si含量可以進(jìn)一步提高鋼的沖擊性能，同時(shí)也進(jìn)一步降低成本。

3 結(jié)論

(1)采用鋼種A熱軋生產(chǎn)的J55鋼級(jí) 244.48×8.94 mm規(guī)格套管性能完全能滿足某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)采用鋼種A熱軋生產(chǎn)的J55鋼級(jí)拉伸性能相比較于某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求還有一定的富余量，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化化學(xué)元素含量，在進(jìn)一步提高沖擊性能的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。