控轧超低碳贝氏体大口径管线钢的发展

1控轧超低碳贝氏体大口径管线钢的发展新日铁钢铁公司H.Nakasugi等摘要本文对各种合金元素（如C、Mn、Nb、N等）和工艺参数对ULCB钢机械性能及显微组织的影响进行研究，介绍了实际产品试验及寒带管线适用性试验的一些结果。关键词：超低碳贝氏体，管线钢，性能新日本钢铁公司早在六十年代末期，曾对热轧贝氏体钢做过大量的研究。通过对从炼钢到轧板各工艺参数的全部控制，又成功地研制了适于寒带管线用的控轧超低碳贝氏体钢（ULCB钢）。这种ULCB钢的特点是以采用最新化学成分和钢板控制轧制方法生产的。表1就新型超低碳贝氏体钢和传统贝氏体钢的特点做了对比。表1新型超低碳贝氏体钢和常规贝氏体钢的对比钢板轧制钢类化学成分板坯加热粗轧精轧显微组织性能新型ULCB钢1.碳含量极低约0.03%2.最大限度地利用了细小弥散的TiN质点细化晶粒的作用3.合金元素如Mn、Nb、B等的最佳配合4.低碳含量通过利用细小弥散TiN质点和低加热温度，抑制奥氏体晶粒长大奥氏体晶粒细小而均匀ASTMNo.5~6通过反复再结晶细化奥氏体晶粒再结晶奥氏体晶粒细小而均匀在未再结晶奥氏体区施以大变形量，使奥氏体晶粒拉长并形成变形带高密度亚结构，细小而均匀的组织基体金属和熔接热影响区有良好的韧性因此，有良好的强度、韧性和可焊性的配合常规贝氏体钢1.碳含量高，约0.10%2.大量的合金元素如Mn、Cr、Mo等3.高碳当量大于0.55%再结晶奥氏体晶粒粗大而不均匀ASTMNo.3~0奥氏体晶粒粗大而不均匀在未再结晶奥氏体区变形量不足粗大贝氏体基体金属和焊接热影响区的韧性不好可焊性不好一般来说，传统贝氏体钢价格较贵，其焊接性和韧性对寒带管线来说也是不能令人满意的。因为要在空冷状态下得到贝氏体组织，就必须添加大量的合金元素，而且其晶粒细化也是很不够的。超低碳含量和低碳当量大大地改善了ULCB钢的可焊性。Pcm是目前低碳HSLA钢的最可靠的碳当量公式。为改善贝氏体钢的韧性，必须在贝氏体转变之前，最大限度地减小奥氏体晶粒尺寸。因为就理解断裂而言，贝氏体钢的有效晶粒尺寸和奥氏体晶粒尺寸的关系要比铁素体-珠光体2钢有更密切的关系。新研制的钢板控轧方法可有效地细化奥氏体晶粒尺寸，显著改善低温韧性。钢坯中弥散分布的细小氮化钛颗粒也可改善母材和焊接热影响（HAZ）的韧性。1ULCB钢的基本实验1.1合金元素的作用碳含量对强度和夏氏V型缺口冲击性能的影响示于图1。对韧性有利的碳含量区间为0.01~0.03%。从可焊性出发，低碳也是有利的。最新冶炼技术的发展，已为在工业上生产超低碳钢提供了可能。锰是本钢中主要合金元素之一。根据板厚和所要求强度的不同，其添加量的范围在1.5~2.0%。提高锰含量，通过抑制铁素体-珠光体转变提高去而韧性的损失不大。铌含量对强度和夏氏V型缺口转折温度的影响示于图2。铌细化晶粒而改善钢的强度和韧性。钼对强度和夏氏V型缺口转折温度的影响示于图3。钼提高钢的强度而不降低韧性。钼和锰及其他元素一起对产生细晶粒贝氏体组织，是有着重要作用的。所需钼含量也取决于板厚和强度要求。对生产高于APIX70级高强度管线钢来说，要求使用一定数量的钼。硼是贝氏体钢必要的合金元素。要保证硼的淬透性作用，必须添加与氮有更强亲和力的元素来固定钢中的氮。为此目的而加钛时，应满足如下关系：Ti-3.4N≥0。钛与氮结合形成钛氮化物，它阻止在板坯加热、热轧和焊接过程中奥氏体晶粒长大，可改善母材和焊接热影响区的韧性。1.2加热和轧制条件的影响试验用钢化学成分为：0.02%C，1.72%Mn，0.04%Nb，0.18%Mo，0.01%Ti，0.001%B。板坯加热过程中，板坯奥氏体晶粒尺寸和酸溶铌含量的变化示于图4和图5之中。随着加热温度从1150℃降到950℃，强度降低、韧性升高。在950℃低温加热热轧板的显微组织是由细小晶粒铁素体和拉长的岛状马氏体而组成的混合组织。在1050~1150℃高温加热的热轧板的显微组织则主要是贝氏体组织。950℃低温加热、在很低温度下轧制钢板中的铁素体受到强烈变形而具有胞结构的特点。转变前奥氏体晶粒尺寸和加热过程中铌固溶量的不同，是产生显微组织差异的原因。要得到强度和韧性的良好配合，在1000~1050℃低温加热对本钢的韧性是有利的。加热温度过低，由于提高断口的分层密度将降低冲击功。终轧温度的变化对强度影响不大，但对韧性却有一个最好的温度区间。这个温度约在稍高于贝氏体转变温度，即700℃左右（图6）。如果总压缩比不足，即使采取低温加热，而且在加热过程中的奥氏体保持较小的晶粒尺寸，也难以得到良好的韧性（图7）。这说明在奥氏体再结晶区域的变形对晶粒细化是有着重要影响的。2．应用于北极管线的ULCB钢管的性能3日本钢公司通过大量的基础试验研究和实际生产试验，成功地研制了ULCB钢，可用此钢制造用于北极的APIX60-X80级高强度管线。2．1生产工艺和化学成分管线的生产流程见图8。X70和X80ULCB钢的化学成分见表2。该钢用250吨氧气顶吹转炉冶炼，连铸成210毫米板坯。然后，采用新研制的控制轧制方法轧成20毫米的钢板。图8用于北极的ULCB钢管的生产流程因为化学成分和厚板轧机控制是很重要的因素，所以对化学成分区间、加热和轧制条件要严格控制。表2化学成分元素，%钢类CSiMnPSNiMoNbTiAlBNCeq1Pcm2X-700.0200.131.890.0200.002--0.0480.0160.0440.0010.00250.3350.124X-800.0180.162.010.0190.0030.320.300.0520.0180.0410.0010.00240.4340.1541．1556CuNiVMoCrMnCCeq++++++=2．BNiMoVSiCrCuMnCPcm56015103020++++++++=2．2管材基体金属的性能表3给出了ULCB钢管的机械性能。尽管是超低碳含量，但由于硼的有效作用仍然得到如APIX-70和X-80要求的高强度。高冲击功和低的转折温度可归功于超低碳含量和细小晶粒贝氏体组织。ULCB钢的应力/应变曲线具有连续屈服特性，经UO管成形后，屈服强度升高。表31420毫米大口径钢管的机械性能拉伸性能夏氏V型缺口冲击性能BDWTT钢类试验方向屈服强度（Mpa）拉伸强度（MPa）延伸率（50.8mm）%屈强比%-20℃下冲击功（J）50%剪切FATT℃-20℃下剪切断口面积率%纵向5206303883202＜-80-X-70横向5426533883141＜-80100纵向5917163583176＜-80-X-80横向6337463383131＜-801002．3焊缝的性能应用埋弧焊接工艺规范，在管的内外两面上进行单道次的纵向焊缝焊接。内侧焊接的热脱硫LD转炉真空除气连铸轧板UO—管成型4线热量约为39KJ/cm，外侧焊接的线热量约为49KJ/cm。焊接热影响区的良好韧性可通过如下两个途径获得，即①细小弥散的TiN质点细化晶粒；②降低碳含量而减少高碳马氏体岛的数量。结论为改善用于制作管线的贝氏体钢的低温韧性和可焊性，日本钢公司研制了一种具有新型化学成分的超低碳贝氏体钢，日本钢公司以新研制的控制轧制方法所生产的超低碳贝氏体钢非常适合北极作APIX60-X80级管线。该钢具有良好的强度、韧性和可焊性的配合。本文原刊于《八十年代合金钢》（加拿大），由付俊岩译，经编者适当删节。屈服强度转折温度冲击功拉伸强度板坯加热温度1150℃终轧温度710℃强度/MPa在-30℃时冲击功，/J图1、碳含量对强度和夏氏V型缺口冲击能的影响（基体成分：1.75%Mn，0.04%Nb，0.18%Mo，0.01%Ti，0.001%B）5强度/MPa50%剪切FATT，℃图2、铌对夏氏V型缺口转折温度的影响基体成分：0.02%C，1.70%Mn，0.01%Ti，0.001%B强度/MPa50%剪切FATT，℃图3、钼对强度和夏氏V型缺口转折温度的影响基体成分：0.02%C，2.0%Mn，0.05%Nb，0.01%Ti，0.001%B拉伸强度屈服强度转折温度终轧温度1000℃6铁素体-奥氏体转变不完全板坯加热温度，oF奥氏体晶粒度（ASTM）板坯加热温度，℃图4、板坯加热温度对ULCB钢奥氏体晶粒尺寸的影响板坯加热温度，℃图5、板坯加热温度对酸溶铌含量的影响酸溶铌，%板坯加热温度，oF7终轧温度，oF-20℃下冲击功/J强度/MPa终轧温度，℃图6、终轧温度对ULCB钢的强度，BDWTT转折温度和夏氏V型缺口冲击功的影响BDWTT85%剪切FATT，℃强度/MPa总压下比，板坯厚度/板厚图7总压缩比对强度和BDWTT转折温度的影响试验条件：在900℃以下压下量保持不变8