Mg對(duì)X80管線鋼夾雜物和奧氏體晶粒尺寸的影響

田 俊， 蘇麗娟， 吳 靜， 黃圣瓏， 王德永

(蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院， 江蘇 蘇州 215137)

X80鋼是目前應(yīng)用最為廣泛的高級(jí)別管線鋼之一，在油氣運(yùn)輸中，管線鋼材料由X70改為X80，可將管道壁厚由20.8 mm降至18.3 mm，鋼材可節(jié)省約12%，降低材料成本7%左右[1]。為了提高管線鋼的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，要求鋼中夾雜物數(shù)量少且尺寸小。目前對(duì)X80鋼通常采用Ca處理，將Al2O3夾雜物變性為低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽，以便夾雜物上浮去除，改善澆鑄性能，同時(shí)避免鋼中出現(xiàn)A類(lèi)夾雜物[2-4]。然而，鈣處理不當(dāng)，容易使鋼中B類(lèi)夾雜物超標(biāo)，在軋制過(guò)程中形成條串狀?yuàn)A雜物，嚴(yán)重影響鋼的低溫沖擊性能和抗氫致開(kāi)裂(HIC)性能[5-7]。

管線鋼除了具有良好的力學(xué)性能外，還必須有良好的焊接性能。在焊接過(guò)程中，受材料、焊接工藝等因素的影響，焊接熱影響區(qū)(HAZ)的韌性顯著降低，雖然焊接熱影響區(qū)范圍不大，一般寬度只有幾個(gè)毫米，但該區(qū)域的韌性差，容易產(chǎn)生微裂紋，成為油氣輸送管線斷裂的主要原因之一[8-10]。為了改善管線鋼焊接熱影響區(qū)的性能，通常在鋼中添加一定的Ti，形成的TiN粒子可以抑制焊接熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大，提高焊接接頭的韌性[11-13]。

鎂處理可以使鋼中夾雜物變得細(xì)小而分散[14-16]，同時(shí)可以變性MnS夾雜[17-18]，減少長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物的數(shù)量。本文主要研究鎂處理對(duì)X80管線鋼中夾雜物及奧氏體晶粒尺寸的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為鋼中夾雜物的控制和鎂處理技術(shù)在鋼中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 鎂處理試驗(yàn)

將某鋼廠X80鋼熱軋板(成分如表1所示)約800 g在井式爐(如圖1所示)內(nèi)加熱至1600 ℃，保溫30 min后進(jìn)行鎂處理。井式爐內(nèi)全程通氬氣保護(hù)，氬氣流量為2.0 L/min。試驗(yàn)過(guò)程及取樣時(shí)間如圖2所示。采用Ni-20Mg合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)進(jìn)行鎂處理(將Ni-Mg合金用鐵皮包在鉬棒上快速插入鋼液中，并用鉬棒攪拌鋼液)。采用直徑φ15 mm、高度20 mm的石英容器進(jìn)行取樣。所取試樣立即用冰水冷卻。鎂處理前試樣編號(hào)為M0，第一次加鎂后試樣編號(hào)為M1，第二次加鎂后試樣編號(hào)為M2。采用直讀光譜儀分析鋼樣成分，采用鋼研納克ONH-3000氧氮?dú)浞治鰞x分析鋼中O、N含量，采用ICP分析鋼中Mg含量。

表1 X80鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 高溫井式電阻爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical resistance furnace

1.2 熱處理試驗(yàn)

為了研究Mg含量對(duì)管線鋼奧氏體晶粒尺寸的影響，對(duì)鎂處理前后試樣進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，以模擬焊接過(guò)程中奧氏體晶粒尺寸的變化。將上述鎂處理試樣(M0、M1、M2)在廂式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，加熱溫度為1400 ℃，保溫時(shí)間為2 min，然后進(jìn)行水淬。

1.3 顯微觀察

鎂處理試樣經(jīng)水磨、拋光后用SEM-EDS觀察分析夾雜物形貌和成分。熱處理試樣經(jīng)金相腐蝕劑腐蝕后，用蔡司顯微鏡Axio Vert.A1觀察試樣的奧氏體晶粒，并用SEM-EDS觀察夾雜物的成分和分布位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 夾雜物成分和尺寸

鎂處理試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)分析井式爐內(nèi)Al2O3坩堝中鋼樣成分，結(jié)果如表2所示。對(duì)比表1可見(jiàn)，鎂處理后鋼中Mo含量升高較多，這主要是由于在進(jìn)行鎂處理和攪拌鋼液過(guò)程中均使用了Mo棒。Al含量的減少，主要是由于在試驗(yàn)過(guò)程中Al的燒損所致。其他成分變化不大。ICP分析得到試樣M0、M1、M2中Mg含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))依次為1×10-8、8×10-8、17×10-8。

表2 兩次鎂處理后X80鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

用SEM-EDS分析試樣中夾雜物成分和尺寸(用夾雜物邊緣兩點(diǎn)最長(zhǎng)距離表示尺寸)，每個(gè)試樣隨機(jī)分析30個(gè)夾雜物，將其成分標(biāo)示于CaO-MgO-Al2O3三元相圖中，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，鎂處理前，M0試樣中夾雜物主要為鋁酸鈣類(lèi)氧化物、Al2O3和MgO·Al2O3，見(jiàn)圖3(a)中⑨、、處。鎂處理后，M1試樣中夾雜物主要為MgO·Al2O3和Al2O3，見(jiàn)圖3(b)中、、；M2試樣中夾雜物主要為MgO·Al2O3和Al2O3，見(jiàn)圖3(c)中、處。

試樣M0中鈣鋁酸鹽類(lèi)夾雜物和M1中MgO·Al2O3夾雜物的形貌和成分如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，鈣鋁酸鹽類(lèi)夾雜物呈球形，尺寸較大，MgO·Al2O3夾雜物尺寸較小。

圖4 鎂處理前后X80鋼中夾雜物形貌及成分(a)試樣M0中鈣鋁酸鹽；(b)試樣M1中MgO·Al2O3Fig.4 Morphologies and composition of inclusions in the X80 steel before and after magnesium treatment(a) calcium aluminate in specimen M0； (b) MgO·Al2O3 in specimen M1

統(tǒng)計(jì)分析鎂處理前后各試樣中夾雜尺寸(d)的分布情況，結(jié)果如圖5所示。各試樣夾雜物尺寸的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表3所示。由圖5和表3可以看出，鎂處理后，鋼中小尺寸夾雜物數(shù)量明顯增加，夾雜物尺寸平均值減小。

圖5 鎂處理前后X80鋼中夾雜物粒徑分布Fig.5 Size distributions of inclusions in the X80 steel before and after magnesium treatment

表3 鎂處理前后X80鋼中夾雜物尺寸(μm)

2.2 奧氏體晶粒尺寸

鎂處理前后各試樣經(jīng)熱處理后的奧氏體晶粒形貌如圖6所示。將晶界上最長(zhǎng)兩點(diǎn)距離作為該晶粒的尺寸，分析每個(gè)試樣中約30個(gè)晶粒的尺寸，然后求其平均值，結(jié)果如表4所示。由圖6和表4可以看出，Mg處理后，試樣的奧氏體晶粒尺寸明顯減小。

圖6 鎂處理X80鋼熱處理后奧氏體金相照片(a)試樣M0；(b)試樣M1；(c)試樣M2Fig.6 Metallographic photos of austenite in the magnesium treated X80 steel after heat treatment(a) specimen M0； (b) specimen M1； (c) specimen M2

表4 鎂處理X80鋼熱處理后奧氏體晶粒尺寸(μm)

3 分析與討論

3.1 夾雜物的形成

用FactSage 8.0軟件計(jì)算試樣凝固過(guò)程中夾雜物的析出情況，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，夾雜物類(lèi)型與圖3的結(jié)果一致。從含量上看，M0試樣中夾雜物Al2O3含量最多，其次是MgO·Al2O3、CaMg2Al16O27和少量的CaAl4O7。根據(jù)圖7(a)中夾雜物形成的先后次序，可以推測(cè)，隨著溫度的降低，先后發(fā)生的反應(yīng)為：

在1575 ℃時(shí)：

[Mg]+2[Al]+4[O]=(MgO·Al2O3)

(1)

在1556 ℃時(shí)：

[Ca]+4[Al]+7[O]=(CaAl4O7)

(2)

在1550 ℃時(shí)：

[Ca]+2[Mg]+16[Al]+27[O]=(CaMg2Al16O27)

(3)

在1500 ℃時(shí)：

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(4)

圖7 鎂處理前后X80鋼凝固過(guò)程中夾雜物的析出量(a)試樣M0；(b)試樣M1；(c)試樣M2Fig.7 Precipitated amounts of inclusions in the X80 steel specimen before and after magnesium treatment(a) specimen M0； (b) specimen M1； (c) specimen M2

由圖7(b)可以看出，M1試樣中氧化物夾雜物含量從高到低依次為MgO·Al2O3、Al2O3、CaMg2Al16O27。相比于M0試樣，MgO·Al2O3和Al2O3含量增多，CaMg2Al16O27含量減少，CaAl4O7消失。可以推測(cè)，Mg處理后，隨著溫度降低，先后發(fā)生反應(yīng)為：在1600 ℃時(shí)，發(fā)生式(1)反應(yīng)；在1550 ℃時(shí)，發(fā)生式(3)反應(yīng)；在1518 ℃時(shí)，發(fā)生式(4)反應(yīng)。

由圖7(c)可以看出，M2試樣中夾雜物含量從高到低依次為MgO·Al2O3、MgO、Al2O3。相比于M1試樣，MgO·Al2O3含量有所減少，MgO含量明顯增加，Al2O3含量明顯減少，CaMg2Al16O27消失。可以推測(cè)，繼續(xù)添加Mg后，隨著溫度降低，發(fā)生反應(yīng)為：在1600 ℃時(shí)，發(fā)生式(1)和式(5～7)的反應(yīng)，導(dǎo)致試樣中MgO形成，MgO·Al2O3和Al2O3的含量減少。在1275 ℃時(shí)，發(fā)生式(4)反應(yīng)。

[Mg]+[O]=MgO

(5)

3[Mg]+(MgO·Al2O3)=4MgO+2[Al]

(6)

3[Mg]+(Al2O3)=3MgO+2[Al]

(7)

由圖7可以看出，試樣中MnS都是在溫度降低到1350 ℃左右開(kāi)始析出。由于試樣M1、M2中C含量(0.06%)比M0中(0.048%)高，故M1和M2試樣中NbC含量有所增加。由于M1、M2中Mo含量(0.7978%)明顯比M0中(0.0985%)高，故M1、M2試樣中MoC含量增加。3個(gè)試樣中TiN含量相差不大。

綜上，鎂處理主要改變鋼中氧化物類(lèi)型和含量，對(duì)硫化物、碳化物和氮化物的類(lèi)型、析出溫度和含量影響不大。鎂處理后，MgO·Al2O3夾雜物含量增加，鈣鋁酸鹽類(lèi)夾雜物含量減少。由于MgO·Al2O3夾雜物尺寸較小，這也是導(dǎo)致鎂處理后試樣中夾雜物尺寸減少的原因。

3.2 鎂處理對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響

鋼中碳化物和氮化物粒子均有釘扎奧氏體的作用，從而減小奧氏體晶粒尺寸。由圖7可知，本試驗(yàn)鋼中碳化物主要是NbC、TiC和MoC，氮化物主要是TiN。然而這些粒子會(huì)在一定溫度下溶解，從而失去釘扎作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致晶粒突然異常長(zhǎng)大。研究表明，NbC的溶解溫度為1150 ℃[19-20]，TiC的溶解溫度為1000 ℃[21]，MoC的溶解溫度為900 ℃[20]，TiN的溶解溫度為1250～1400 ℃[21-23]。本試驗(yàn)熱處理溫度為1400 ℃。同時(shí)，3個(gè)試樣中碳化物和氮化物的類(lèi)型相同，含量相差不大，故不考慮碳化物和氮化物對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響。

圖8為鎂處理試樣(M1和M2)熱處理后鋼中奧氏體晶界處的夾雜物SEM-EDS圖。認(rèn)為這類(lèi)夾雜物具有釘扎作用，能延緩?qiáng)W氏體晶粒的長(zhǎng)大。由圖8可見(jiàn)，此類(lèi)夾雜物的尺寸均在1 μm以內(nèi)，故可以認(rèn)為，尺寸小于1 μm的夾雜物有釘扎晶界的作用。從成分上來(lái)看，該夾雜物主要是MgO·Al2O3。

鋼中夾雜物對(duì)晶界的釘扎力P可以用式(8)表示[24]：

(8)

式中：f為夾雜物體積分?jǐn)?shù)；σ為晶界能，取1.062 J/m2[25]；r為 夾雜物半徑，m。

由前面的分析計(jì)算得出試樣中夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)圖7)，根據(jù)式(9)將其轉(zhuǎn)化成體積分?jǐn)?shù)：

(9)

式中：winc為夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρinc為夾雜物密度，g/cm3；ρFe為鋼的密度，取7.85 g/cm3。

由圖8可知，本試驗(yàn)中起釘扎作用的夾雜物主要是MgO·Al2O3。由于該試驗(yàn)溫度下的熱處理不會(huì)改變氧化物的數(shù)量和形態(tài)，故根據(jù)圖7中夾雜物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用式(9)計(jì)算得到試樣中MgO·Al2O3夾雜物的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 鎂處理X80鋼熱處理后MgO·Al2O3夾雜物的體積分?jǐn)?shù)

圖8 鎂處理X80鋼奧氏體晶界處夾雜物SEM-EDS圖(a)試樣M1；(b)試樣M2Fig.8 SEM-EDS diagrams of inclusions on austenite grain boundary in the magnesium treated X80 steel(a) specimen M1； (b) specimen M2

由前面分析可知，尺寸小于1 μm的夾雜物有釘扎晶界的作用，統(tǒng)計(jì)試樣中尺寸小于1 μm的夾雜物尺寸的平均值，結(jié)果如表6所示。

表6 鎂處理X80鋼熱處理后尺寸小于1 μm夾雜物尺寸的平均值(μm)

用式(8)計(jì)算得出不同試樣中夾雜物的釘扎力，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，鎂處理后，試樣M1和M2中夾雜物的釘扎力比M0試樣大很多，二者釘扎力的平均值是M0試樣的14倍左右。由于夾雜物的釘扎作用，從而導(dǎo)致鎂處理后試樣的奧氏體晶粒尺寸明顯減小。

圖9 鎂處理X80鋼熱處理后夾雜物的釘扎力Fig.9 Pinning force of inclusions in the magnesium treated X80 steel after heat treatment

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)X80鋼進(jìn)行了鎂處理和熱處理試驗(yàn)，分析了鎂處理對(duì)鋼中夾雜物和奧氏體晶粒尺寸的影響，得出以下結(jié)論：

1) 鎂處理后，X80鋼中鈣鋁酸鹽類(lèi)夾雜物含量減少，MgO·Al2O3夾雜物含量明顯增加，硫化物、碳化物和氮化物的類(lèi)型、析出溫度和含量變化不大。

2) 鎂處理可使X80鋼中小尺寸夾雜物數(shù)量增加，夾雜物尺寸平均值減小。

3) 鎂處理X80鋼熱處理后，鋼中奧氏體晶粒尺寸明顯減小。這主要是由于經(jīng)熱處理后，鋼中夾雜物主要為尺寸小于1 μm的MgO·Al2O3，起到了釘扎晶界的作用，抑制了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。