廖德勇，吳紅，王善寶，袁琴，趙波，解德剛

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

近年來隨著經濟的高速發(fā)展，國家基本建設的規(guī)模越來越大，對超高強度高韌性無縫鋼管的需求量也越來越多，并且不斷向更高強度級別、更優(yōu)綜合性能方向發(fā)展。具有良好綜合性能和較高附加值的BJ770和BJ890等超高強度無縫鋼管已成為重要的工程機械用鋼管，并在履帶式起重機臂架上大量使用[1-4]。

世界上先進工業(yè)國家的超高強度高韌性結構用無縫鋼管一般是在低碳錳鋼基礎上添加適量Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素，利用Mn、Cr、W、Ni、Mo等元素的固溶強化及Nb、V、Ti等微合金元素的析出強化和細晶強化作用來實現無縫鋼管優(yōu)異的性能。為達到超高強度高韌性的性能要求，目前超高強度無縫鋼管的生產工藝一般都是采用連鑄坯通過熱軋或者熱軋+冷加工成型后再進行離線調質熱處理，組織為回火索氏體。在成分設計時一般都會考慮加入Nb、V、Ti等元素進行微合金化處理，目的是在熱軋和淬火加熱時阻止奧氏體晶粒長大，明顯提高鋼的粗化溫度[5]。尤其是采用Nb元素進行微合金處理的調質鋼，雖然Nb對提高強度的貢獻不大，但在淬火加熱時能明顯阻止奧氏體晶粒長大，起到細晶強化和提高低溫韌性的效果。

在生產實踐中發(fā)現，采用含Nb合金成分的連鑄坯軋制的BJ890超高強度無縫鋼管外表面出現裂紋缺陷的幾率較高，造成鋼管探傷不合格率偏高。這和含Nb鋼的特性有關，與普碳鋼相比，含Nb鋼連鑄坯中Nb元素的碳氮化物析出會導致鑄坯脆性提高，從而增加表面裂紋發(fā)生率。通過優(yōu)化連鑄工藝，在一定程度上可以改善連鑄坯的表面質量，但由于鑄坯缺陷的影響因素復雜，尤其是在連鑄機設備老化導致生產操作過程不可預見時都無法徹底消除這一缺陷，嚴重影響了產品質量。

為避免這一問題，更好地滿足產品質量要求，提出一種不加Nb合金成分設計生產BJ890超高強度無縫鋼管的工藝，并通過分析淬火溫度對鋼管性能的影響，提出了優(yōu)化后的熱處理工藝制度，確保鋼管的性能，尤其是-40℃低溫沖擊韌性完全滿足產品要求。

1 兩種BJ890超高強度無縫鋼管質量對比

1.1 BJ890超高強度無縫鋼管的生產工藝

BJ890超高強度無縫鋼管的生產工藝為：轉爐冶煉→爐外精煉（LF/RH+VD）→連鑄圓坯（連鑄方坯→軋制圓坯）→環(huán)形爐加熱→穿孔→PQF三輥限動芯棒連軋管機連軋→脫管→定（減）徑→冷卻→鋸切→矯直→檢查、包裝→鋼管調質熱處理→矯直→性能檢驗→探傷→檢查。

1.2 BJ890超高強度無縫鋼管化學成分

采用含Nb鋼與不含Nb鋼生產BJ890超高強度無縫鋼管的化學成分見表1。

表1 BJ890超高強度無縫鋼管的化學成分（質量分數）%

1.3 BJ890鋼管表面質量情況

為了掌握Nb合金元素對低合金超高強度鋼中高溫熱塑性的影響，在Gleeble 3800熱模擬機上進行了含Nb和不含Nb成分的BJ890鋼的高溫熱塑性試驗，兩種成分連鑄方坯的熱塑性曲線如圖1所示。從圖1可以看出，含Nb成分的BJ890鋼在880～930℃以及1 110～1 130℃的溫度范圍存在脆性區(qū)，而不含Nb成分的BJ890鋼不存在這一情況?；诤琋b鋼的這種特性，這就要求在連鑄過程中鑄機狀態(tài)、連鑄工藝要有一個良好的保證。從生產統(tǒng)計的情況看，采用含Nb鋼生產的鑄坯在后序軋制時出現裂紋的比例較大，由此帶來的裂紋廢品率達到6.0%左右，典型的含Nb合金的BJ890鋼管外表面探傷不合格的缺陷外貌及金相組織如圖2所示；而采用不加Nb鑄坯軋制的鋼管外表面裂紋情況有明顯改善，由此帶來的裂紋廢品率不到1.0%。

圖1 BJ890連鑄方坯熱塑性曲線

圖2 含Nb合金的BJ890鋼管外表面探傷不合格的缺陷外貌及金相組織

1.4 BJ890鋼管力學性能

在對連鑄工藝優(yōu)化后仍無法徹底解決含Nb鋼鑄坯表面裂紋缺陷的情況下，為提高BJ890低合金超高強度無縫鋼管的探傷合格率，在成分設計時考慮取消Nb合金元素也是一個解決問題的辦法，但關鍵的問題是不加Nb后如何保證鋼管的性能指標滿足要求，這是需要解決的問題。

前期采用不含Nb成分的鑄坯進行試生產，并采用與含Nb鋼相同的調質工藝進行熱處理，其力學性能數據見表2。從表2可見，在相同熱處理工藝下，采用含Nb鋼生產的鋼管力學性能優(yōu)于不含Nb鋼，尤其是低溫沖擊性能表現得更為明顯。這就說明了在調質鋼中，采用Nb進行微合金處理的作用還是比較明顯的，那對于不含Nb鋼采用什么樣的熱處理工藝可以滿足產品性能的要求，這是需要研究的課題。

表2 采用含Nb和不含Nb合金成分生產的Φ159 mm×16 mm BJ890鋼管力學性能數據

2 熱處理工藝研究

2.1 相變點測試

從實際生產的情況可以看到，對于含Nb鋼和不含Nb鋼的BJ890產品采用同一熱處理制度進行處理后性能數據有明顯的差異，尤其是不含Nb鋼的低溫沖擊性能明顯偏低。為制定合理的淬火加熱溫度，分別對不含Nb和含Nb的BJ890鋼進行了相變點的測試，具體數據見表3。根據測定的相變點繪制了相應的CCT曲線，具體如圖3所示。從測試的數據看，在其他成分基本相同的情況下，含Nb和不含Nb的BJ890鋼Ac3變化很小，這種變化可以忽略。

圖3 不同冷卻速度條件下BJ890鋼的CCT曲線

表3 BJ890鋼的相變點溫度 ℃

2.2 不同加熱溫度下奧氏體晶粒的長大情況

為找到含Nb和不含Nb的BJ890鋼采用同一調質工藝處理后性能差異較大的原因，將1號含Nb和2號不含Nb的BJ890鋼加工成Φ6 mm×3 mm的小圓柱試樣，在880～960℃不同溫度下保溫5～20 min后采用激光共聚焦顯微鏡對奧氏體晶粒長大情況進行觀察（圖4～6）。從圖4～5可以看出，1號鋼在880～960℃加熱時奧氏體晶粒大小沒有明顯變化；而2號鋼在880～960℃加熱時奧氏體晶粒大小有明顯變化，在920℃以上奧氏體晶粒有明顯長大趨勢（圖4～6中的黑點是在試驗過程中試樣加熱氧化造成的）。

圖4 1號BJ890鋼不同加熱溫度下奧氏體組織

對整個保溫過程進行觀察，同一溫度下，在5～20 min的保溫時間，無論是含Nb鋼還是不含Nb鋼的奧氏體晶粒都沒有長大，這從圖6所示在930℃保溫10 min和930℃保溫20 min奧氏體晶粒的變化情況可以看出，說明在一定的時間范圍，加熱時間對奧氏體晶粒長大的影響較小。

圖6 2號BJ890鋼不同保溫時間下奧氏體組織

將試樣在不同的溫度下加熱并保溫10 min，待試樣冷卻后進行奧氏體晶粒大小的評級，奧氏體晶粒度變化情況如圖7所示。從圖7中可以看出，在880～950℃的溫度范圍，1號鋼的奧氏體晶粒大小基本沒有變化，到了960℃才開始有長大趨勢；而2號鋼的奧氏體晶粒在同一溫度下比1號鋼要大1.0～2.0級，且在920℃就開始有長大趨勢，并且在930℃以上出現了明顯的混晶現象（圖5～6），這對低溫沖擊韌性非常不利。

圖5 2號BJ890鋼不同加熱溫度下奧氏體組織

圖7 不同加熱溫度對BJ890鋼奧氏體晶粒的影響

從對1號和2號BJ890鋼在不同溫度下檢測的奧氏體晶粒結果看出，淬火加熱溫度偏高是影響不含Nb的BJ890鋼低溫沖擊性能指標不佳的主要原因。

2.3 含Nb與不含Nb BJ890無縫鋼管析出物特征

2.3.1熱軋狀態(tài)下析出物的形貌特征

分別取含Nb和不含Nb超高強度BJ890熱軋無縫鋼管試樣，采用萃取復型技術制取相應碳膜，在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察鋼中析出相的形貌和尺寸，并通過能量色散X射線分析儀（EDX）對析出物成分進行分析（圖8～9）。由圖8可見：熱軋狀態(tài)下含Nb鋼中含有數量較多的方形、球形及橢球形等不同形狀的第二相粒子，其尺寸從幾納米到幾百納米不等。圖8（a）中的析出物尺寸較小，一般在10 nm左右，從X射線能譜分析儀推測該析出物為NbC，是熱軋過程中由應變誘導產生的；圖8（b）中的析出物，從X射線能譜分析儀推測該析出物是以TiN為核心的TiNb（C，N）復合析出物，該類析出物尺寸較大，一般為50～300 nm。而微合金元素的碳化物和氮化物的晶體結構一般都為NaCl型面心立方結構，晶格常數相近，可以相互溶解，這就形成了以TiN為核心TiNb（C，N）復合析出物[6]。

圖8 含Nb的BJ890鋼管熱軋狀態(tài)析出物的TEM形貌和EDX能譜

不含Nb的BJ890鋼管熱軋狀態(tài)析出物的TEM形貌和EDX能譜如圖9所示。由圖9可見：在透射電鏡TEM下就只觀察到方形TiN粒子，其尺寸從幾十納米到幾百納米不等，多數為彌散分布的50～200 nm的粒子，個別粒子達到600 nm以上。

圖9 不含Nb的BJ890鋼管熱軋狀態(tài)析出物的TEM形貌和EDX能譜

從透射電鏡觀察鋼可以看出，無論是含Nb鋼還是不含Nb鋼中，雖然都加入了V進行微合金化處理，但在熱軋狀態(tài)下都未見V的碳氮化物粒子析出。依據含V鋼的有關資料顯示[6-8]：當N含量0.009%甚至達到0.02%，V的析出強化效果最佳，V:N的理想化學配比為4:1。V在析出時，高溫下平衡析出的V（C，N）明顯富N，低溫下明顯富C，且N含量較高時更易形成VN。本文涉及BJ890鋼坯是采用轉爐生產，N含量一般在0.005 0%左右，而且一部分N已形成TiN析出，所以絕大部分V沒有以氮化物粒子析出，只是以固溶形式存在于鋼中，起到提高鋼淬透性的作用。

2.3.2調質處理狀態(tài)下析出物的形貌特征

取含Nb和不含Nb超高強度BJ890調質熱處理狀態(tài)的無縫鋼管試樣，采用萃取復型技術制取相應碳膜，在透射電子顯微鏡TEM下觀察鋼中析出相的形貌和尺寸，并通過EDX能譜分析儀對析出物成分進行分析，如圖10～11所示。

從圖10可以看出，對于含Nb鋼，在采用920℃淬火+620℃回火的調質處理狀態(tài)下，BJ890鋼中仍保留有10 nm的NbC粒子（圖10a）和40～100 nm的TiNb（C，N）復合粒子（圖10b），同時在晶界和晶內還有大量Cr、Mn、Mo等碳化物析出，這些析出物的形狀主要有桿棒狀、球狀、橢球狀等，尺寸一般在50～300 nm（圖10c）。

圖10 含Nb的BJ890鋼管調質狀態(tài)析出物TEM形貌和EDX能譜

由圖11可見，對于不含Nb鋼，在采用890℃淬火+620℃回火的調質處理狀態(tài)下，鋼中除TiN粒子和少量VC粒子外（圖11a），大量析出了Cr、Mn、Mo等碳化物，其形狀和大小與含Nb鋼的狀態(tài)相似（圖11b）。

圖11 不含Nb的BJ890鋼管調質狀態(tài)析出物TEM形貌和EDX能譜

3 分析討論

由于淬火溫度對奧氏體晶粒長大、奧氏體均勻化程度、微合金元素碳氮化物析出及回溶、力學性能有較大的影響，因而制定合理的淬火加熱制度十分重要。對于只采用V、Ti而不加入Nb元素進行微合金化處理的BJ890鋼來說，在熱軋及冷卻過程中，只有從鋼液和連鑄凝固過程中形成的較為粗大的Ti（C，N）粒子保留下來（圖9），而沒有其他細小的碳氮化物粒子析出，導致了在后續(xù)淬火加熱過程中對阻止奧氏體晶粒長大的能力較弱，這從前面所做的不同加熱溫度下奧氏體晶粒長大情況的試驗中可以看出，在920℃以上就出現奧氏體晶粒長大現象。只有加入Nb元素進行微合金化處理后，在熱軋及冷卻過程中，才會有細小的Nb（C，N）粒子析出（圖8）。相關文獻[5]顯示，不同微合金元素碳氮化物完全固溶的溫度是不同的，如NbC為1 106℃，NbN為1 099℃，Nb（C，N）為1 220℃，VC為784℃，VN為977℃。所以在一般的淬火溫度930℃，甚至950℃以下，即使保溫達到平衡狀態(tài)下這些細小的Nb（C，N）粒子仍不會溶解，而且該加熱溫度和時間下其Ostwald熟化程度甚小，能起到阻止奧氏體晶粒長大的作用。同時細小Nb（C，N）粒子的析出與滲碳體相比對韌性的損害也要小得多。

而對于采用V、Ti而不含Nb元素的鋼，如果鋼中的N含量不夠高的話，一般情況下在熱軋及冷卻過程中就不會有VN的析出物，即使有少量的VC粒子析出，那在淬火加熱過程中也會完全溶解，起不到阻止奧氏體晶粒長大的作用。因此，對沒有采用Nb合金元素進行微合金處理的鋼，在保證鋼完全奧氏體化的前提下淬火溫度應盡量選擇較低的溫度。

對于所設計的BJ890成分鋼種，根據所測的相變點溫度和所觀察到的不同加熱溫度下奧氏體晶粒長大情況，淬火溫度應該控制在880～910℃，這樣才能保證BJ890鋼管的低溫沖擊性能良好。由于溫度范圍比較窄，就需要在淬火加熱時做到爐溫的精準控制。而對含Nb鋼來說，選擇880～930℃的淬火加熱溫度是可行的，為生產控制帶來了較大的寬容性，能保證BJ890鋼管的一次性能合格率較高，這也是在調質鋼中采用Nb元素進行微合金化的優(yōu)勢所在。

4 優(yōu)化后不含Nb BJ890鋼管的力學性能

為使碳及合金元素充分溶解和擴散，一般情況下淬火溫度設定在Ac3+（30～50）℃溫度范圍[9]。從所測定的BJ890相變點溫度看，對于含Nb和不含Nb鋼選擇890～930℃的淬火溫度都應該是可行的。但結合含Nb和不含Nb超高強度BJ890鋼不同加熱溫度下奧氏體晶粒的長大情況，不含Nb的超高強度BJ890鋼進行淬火熱處理時淬火溫度不能與含Nb鋼一樣，應盡量選擇低一點，這樣才能確保淬火加熱時奧氏體晶粒不長大。結合生產現場的實際情況，對不含Nb超高強度BJ890無縫鋼管的淬火加熱溫度設計為880～910℃，最佳淬火溫度按890℃執(zhí)行，保溫時間根據具體規(guī)格確定。按優(yōu)化后的淬火工藝進行處理，鋼管的性能指標得到明顯改善，-40℃的低溫沖擊性能可以完全滿足用戶要求，但與含Nb鋼相比平均值略低，這可能是溫度控制范圍太窄帶來的性能波動。具體性能數據見表4，金相組織如圖12所示，均為回火索氏體組織。

圖12 BJ890無縫鋼管調質處理后的回火索氏體金相組織

表4 采用優(yōu)化淬火工藝生產的BJ890鋼管力學性能數據

5 結論

（1）在連鑄工藝裝備等條件不能完全滿足生產的情況下，對于BJ890超高強度無縫鋼管可以考慮不加入Nb元素進行微合金化處理。通過生產實踐證明，這對提高鋼管的探傷合格率，改善鋼管外表面裂紋缺陷有明顯的效果。

（2）采用激光共聚焦顯微鏡對不同溫度下奧氏體晶粒長大情況進行觀察發(fā)現，含Nb合金的BJ890鋼在960℃以下奧氏體晶粒均沒有長大，而不含Nb鋼在920℃就開始發(fā)生長大現象，說明淬火溫度偏高是造成不含Nb合金B(yǎng)J890超高強度無縫鋼管-40℃低溫沖擊韌性偏低的主要原因。

（3）為確保不含Nb合金B(yǎng)J890超高強度無縫鋼管的性能滿足要求，鋼管的淬火溫度應比含Nb鋼的低。根據相變點溫度的測試結果，設計了淬火溫度范圍應控制在880～910℃。實踐證明，采用890℃的淬火溫度和620℃回火溫度進行調質處理，鋼管可獲得較優(yōu)的綜合力學性能。