X80 管線鋼軋制工藝基礎研究

曹 波，楊文志，巨銀軍

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

隨著國內、國際市場對高強度、高韌性管線鋼的需求不斷增加，湘鋼X80 管線鋼是公司重要產品，其成分采用低碳微合金設計，其中軋制工藝是關鍵。因此，對X80 管線鋼進行了一系列基礎研究，為軋制實踐提供理論依據。

1 材料的化學成分

為了保證材料的強度、韌性和顯微組織要求，X80 管線鋼采用低碳成分、微合金Nb、V、Ti、Ni、Mo、Cu 復合設計。實驗用X80 管線鋼化學成分如表1所示。

表1 實驗用X80 管線鋼化學成分 %

2 X80 管線鋼奧氏體晶粒長大傾向性的研究

鋼的奧氏體化溫度是控制軋制工藝的主要參數之一。板坯加熱過程中，如果程序控制不當，會直接影響到鋼本身的性能，這也是研究中需要重點關注的項目。

2.1 實驗方法

將坯料制成規格為10 mm×10 mm×12 mm 的小試樣，在電阻式加熱爐中進行奧氏體化處理。實驗分三組進行，奧氏體化溫度分別為1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃，保溫時間分別為20 min、40 min、60 min。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 實驗結果

不同的奧氏體化溫度及保溫時間下的奧氏體晶粒度結果如表2 所示。

表2 不同的奧氏體化溫度及保溫時間下的奧氏體晶粒度級別

2.2.2 晶粒度分析

為了統計奧氏體晶粒度大小，采用了直線截點法。為了獲得合理的平均值，任意選擇3～5 個視場進行測量，所得不同加熱溫度及保溫時間下晶粒度變化曲線如圖1 及下頁圖2 所示。

圖1 不同保溫時間下加熱溫度-晶粒度大小曲線

圖2 不同溫度下保溫時間-晶粒度變化曲線

從圖1 可以看出，隨著加熱溫度的升高，實驗鋼的晶粒度均明顯的變小，相比較不同的保溫時間（20 min、40 min、60 min），可以明顯看出在相同的加熱溫度時，保溫時間最長的（60 min）實驗鋼的晶粒度最小，而保溫時間最短的（20 min）的實驗鋼的晶粒度最大，保溫時間居中的（40 min）的實驗鋼的晶粒度介于兩者之間。

從圖2 可以看出，隨著保溫時間的增加，實驗鋼的晶粒度均變小，比較不同的加熱溫度，其中加熱溫度為1 100 ℃時，實驗鋼隨著保溫時間的增加，晶粒粗化的速度最為明顯，而加熱溫度為1 250 ℃時，隨著保溫時間的增加，實驗鋼的晶粒度變小的速度十分緩慢。

2.3 小結

1）在實驗溫度范圍內，當實驗鋼的加熱溫度為950 ℃時，奧氏體晶粒相對細小均勻；隨著加熱溫度的升高，奧氏體晶粒變大的趨勢也越明顯。

2）在加熱溫度相同的條件下，隨著試樣的保溫時間的增加，奧氏體晶粒尺寸會逐漸變大。

3）要想得到較為均勻的奧氏體晶粒，實驗鋼的加熱溫度應該為1 200 ℃左右，保溫時間在60 min時較為合理，加熱溫度偏低和保溫時間偏短都會造成奧氏體晶粒的尺寸不均勻，而加熱溫度過高和保溫時間過長都可能造成奧氏體晶粒過分粗大。

3 X80 管線鋼再結晶規律研究

3.1 實驗方案

將實驗分為7 組，加熱溫度均為1 200 ℃，變形溫度為850～1 150 ℃，變形量10%～70%，采用淬水冷卻。

3.2 變形工藝參數對奧氏體再結晶百分數的影響規律

3.2.1 變形量

變形量對奧氏體再結晶百分數的影響與變形溫度有很大關系，具體如圖3 所示。變形溫度較高（如＞1 050 ℃）時，變形量不需很大，再結晶百分數就能達到很高的水平；變形溫度低時，變形量再大，再結晶百分數也很小。

圖3 不同變形溫度下相對變形量對奧氏體再結晶數量的影響規律

3.2.2 變形溫度

變形溫度對奧氏體再結晶數量的影響規律如圖4 所示，奧氏體再結晶百分數隨著變形量的增大和變形溫度的升高而增加。

圖4 不同相對變形量下變形溫度與再結晶百分數的關系

3.3 小結

1）實驗過程中，在變形量和軋后保溫時間控制得當的情況下，奧氏體再結晶的數量會隨著溫度的升高而不斷變化，并且數量上升的趨勢與變形量本身的大小有著直接的關系。當奧氏體變形量小的情況下，再結晶百分數隨著溫度的升高變動不明顯；當變形量較大的情況下，在一定溫度值的范圍內，會隨著溫度的增加而增加，超過某值域以后，增加趨勢會逐步降低。

2）在軋制溫度和軋后保溫停留時間得到控制的情況下，奧氏體再結晶的百分數增加趨勢與變形量有著直接的關系。

3）奧氏體受熱變形程度與變形量、溫度有著直接的關系。當變形量不斷加大、變形溫度不斷提升的情況下，奧氏體的組織受熱情況均勻，在一定的溫度條件下，變形量與奧氏體結晶粒呈反比，即變形量增加，結晶顆粒變小。

4 X80 管線鋼相變規律的研究

研究變形奧氏體相變規律的基本方法是測定鋼的過冷奧氏體連續轉變曲線（CCT 曲線）。軋制工藝參數如加熱溫度、變形溫度、變形量、冷卻速度等對奧氏體的相轉變溫度和微觀組織都有影響。由CCT曲線描述的相變規律是選用合適的控軋鋼種成分、衡量與之相配合的熱軋變形工藝是否恰當的依據。

4.1 X80 管線鋼連續冷卻轉變CCT 曲線

X80 管線鋼連續冷卻轉變CCT 曲線如圖5 所示。

圖5 連續冷卻轉變CCT 曲線

從圖5 中的CCT 曲線可以看出，在1～40℃/s 的冷卻范圍內，實驗鋼經過熱變形和相變，存在奧氏體、塊狀鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體和多相共存區域，鋼的連續轉變得到的最終組織是多相共存的，只不過在不同條件下，各相在組織中的比例有所不同，這是管線鋼軋制過程的基本特征。

相變溫度低、奧氏體區域大，對獲得細晶粒鐵素體較為有利。這是因為鐵在鐵素體區中的自擴散系數比在奧氏體區中高一個數量級，即在同一溫度下處于鐵素體狀態晶粒的長大要容易得多；若在晶粒扁平化溫度和相變溫度之間保證有足夠的變形量，將使A/F 轉換比值提高。因此，變形后冷卻速度的合理控制是得到細小晶粒的常溫組織的關鍵所在。

4.2 小結

1）由熱模擬實驗可知，隨著冷卻速率的提高，管線鋼的晶粒組織逐漸細化，組織構成也發生變化，由1 ℃/s 時的塊狀鐵素體組織，逐漸變為40 ℃/s 時的針狀鐵素體、塊狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，且針狀鐵素體組織比例逐漸提高。

2）對于X80 針狀鐵素體管線鋼來說，精確控制組織構成非常重要，工藝參數的制定應該以提高針狀鐵素體比例和細化晶粒為目標，冷卻速率應該大于15 ℃/s。

5 結論

1）X80 管線鋼奧氏體晶粒長大傾向性的研究為加熱工藝的選擇提供了理論依據。

2）X80 管線鋼再結晶規律研究為軋制溫度和壓下制度的選擇提供了理論依據。

3）X80 管線鋼相變規律的研究為ACC 加速冷卻工藝的選擇和軋后顯微組織的確定提供了理論依據。