加热温度和冷却速度对X80级弯管用钢组织与性能的影响.pdf

焊管 第3 1 卷第6 期 2 0 0 8 年1 1 月 试 验 与 研 究 加热温度和冷却速度对 X 8 0级弯管用钢组织与性能的影响 乔桂英，王 旭 一，付彦宏，张婷婷，肖福仁，廖 波(1 燕山大学，秦皇岛 0 6 6 0 0 4；2 华北第一机械厂，河北 青县 0 6 2 6 5 8)摘要：采用 G l e e b l e一 3 5 0 0型热模拟试验机，研究了加热温度和冷却速度对两种弯管用钢组 织和性能的影响，结果表明：加热温度和冷却速度对钢的强度有较大影响，随加热温度的升高 和冷却速度的增加，钢的强度增加，而加热温度和冷却速度对冲击韧性影响不大。当温度 高于 9 6 0，冷却速度大于 1 5 s时，两种钢的性能均能达到 X 8 0级钢的性能要求，该结果对 X 8 0 级钢热煨弯管的研制具有一定的参考价值。关键词：弯管；X 8 0；工艺参数；性能 中图分类号：T G 1 4 2 1 文献标志码：A文章编号：1 0 0 1 3 9 3 8(2 0 0 8)0 6 0 0 1 5-0 4 0 前言 弯管是长输管道 的重要组成部分-2 ，自西 气东输工程开始，国内大直径弯管制造技术取得 了长足的发展，已批量 生 产 出了 X 7 0钢级 的弯 管 J。西气东输二线工程采用 X 8 0级钢管，最小 壁厚 2 2 m m，这对弯管制造也提出了更 高的技术 要求。目前 国内对生产 X 8 0级弯管 的材料及工 艺 尚缺乏系统的研究，因此，开展弯管工艺研究对 保证国家重大工程的建设具有重要意义。热弯管在加热弯制过程中，控制轧制钢板组织 会发生显著改变。影响热煨弯管产品性能的因素 较多，主要有原材料化学成分、力学性能、加热温 度、冷却方 式、推制 速度、加热带 宽、弯后 热处理 等。弯管在制造过程 中，其不同部位 的变形方 式(拉伸或压缩)、变形速度和变形程度均有所不 同。笔者采用热模拟试验机，研究加热温度和冷却 速度对两种 X 8 0级钢不变形区域组织和性能的影 响，为X 8 0 钢级热煨弯管的开发提供试验参数。验在 G l e e b l e 一3 5 0 0型热模拟试验机上进行，试样 分别为 4,1 0 m n1 0 0 m m圆棒样和 1 0 mm1 0 m m 1 0 0 m m矩形试样，试样沿钢板横向取样。为模拟热煨弯管的工艺过程，试样加热速度设 定为 4 5 s，加热到试验温度。试验温度范 围为 9 5 01 0 2 0 o C，保温 6 0 S。保温结束后，试样分别按 5 s，1 5 s 和 2 5 s的冷却速度冷却至室温。热模拟试样再经 5 5 0 o C，2 h回火处理后，分别加工 成拉伸和冲击试样，测定拉伸强度和 一2 O冲击 韧性。利用金相显微镜观察试样组织形态。表 1 试验用钢的化学成分 1 试 验材 料及 方法 2 试验结果 试验采用 两种 国内生产 的控轧 控冷管线 钢(分别为 1 和 2 钢)，其化学成分见表 1。热模拟试 2 1 力学性能 图 1 给出了两种材料的拉伸试验结果。由图 焊 管 2 0 0 8 年1 1 月 可见，随加热温度的升高，材料的强度升高，而且当 温度高于9 9 0 时，强度升高更显著。因此从强度 的角度考虑，应采用高温弯曲工艺。另外，随冷却 速度的增加，强度也显著增加，但当冷却速度大于 l 5 s 时，材料的强度增加幅度减小。对 比两种 材料，1 钢的整体强度低于 2 钢。对于 1 钢，只有 当加热温度高于 9 6 0，冷却速度大于 1 5 C s时 才能到达 X 8 0级钢的强度要求。而对于 2 钢，强 度明显高于1 钢。上述结果说明，对弯管用钢，微 量的成分变化就会对工艺提出更高的要求。图 2给出了加热温度和冷 却速度对 冲击功(C V N)的影响。由图可见，加热温度和冷却速度 对钢的低温冲击功影响不大，但 1 钢的冲击功略 高于2 钢，说明强度增加韧性略有降低。然而，两种钢的低温冲击功均高于 2 5 0 J，能够满足 X 8 0 级钢的技术要求。(a)1 钢(b)2 钢 图 1 加 热温度、冷却速度对材料 强度 的影 响 图 2 加热温度、冷却速度对材料冲击韧眭影响 2 2金 相组 织 图 3为 1 钢经不 同工 艺处理后 的金 相组织 照片。由图可见，在不同工艺条件下，所得到的组 织均以针状铁素体为主。加热温度升高时，组织 略有粗化的趋势，但变化不明显，说明随加热温度 的升高，原奥氏体 晶粒没有发生快速长大。在相 同的加热温度条件下，随冷却速度的增加，组织细 化。当冷却速度 高于 1 5 s时，随冷却速度 的 增加，组织变化不明显。图4为2 钢经不同工艺处理后的典型金相 组织照片，该钢的组织变化规律与 1 钢的变化规 律基本一致，但在低 的加热温度和冷却速度条件 下，组织较粗化，组织表现为较大的块状铁素体上 分布着岛状组织，而在高的冷却速度条件下，组织 较 1 钢更加细化，组织上的这种微小变化是导致 性能变化的根本原因。3 试 验结果分析 由上述试验结果可见，加热温度和冷却速度 第 3 1 卷第 6期 乔桂英等：加热温度和冷却速度对 X 8 0级弯管用钢组织与性能的影响 1 7 (a)9 5 0 ，5 s (d)l 0 2 0，5 s (b)9 5 0，1 5 s (e)1 0 2 0 ，1 5 s (c)9 5 0 ，2 5 s 图 3 1 钢经 不同工艺处理后的金相组织(a)9 5 0 ，5 s (d)1 0 2 0 ，5 s (b)9 5 0 ，l 5 s (e)1 0 2 0 ，1 5 s (f)1 0 2 0，2 5 s (c)9 5 0 ，2 5 s 图 4 2 钢经 不同工艺处理后的金相组织(f)1 0 2 0 ，2 5 0 焊 管 2 0 0 8 年1 1 月 对管线钢的强度有较大的影响(见图 1)，但对低 温冲击功的影响较小(见 图2)。随加热温度 的升 高和冷却速度的增加，两种钢的强度均有 明显增 加的趋势。对于钢铁材料，加热温度的高低直接 影响材料奥氏体 中合金元素 的含量和均匀性，随 加热温度的升高，奥氏体合金含量增加，奥氏体稳 定性增加，组织转变温度降低，组织细化，强度增 加。但加热温度提高会使原奥 氏体晶粒增 大，导 致强度和韧性 降低。而对这种低碳 微合金控 轧 钢，在轧制及轧后 的冷却过程 中析 出的均匀细小 的碳化物，对加热过程 中奥氏体 晶粒 的长大有较 强的阻碍作用。按文献 6 对 N b C(N)固溶温度 计算 的结果表 明，两种钢 的 N b C(N)的完全 固溶 温度均高于 1 3 0 0，故在本试验 的加 热温度范 围内，奥氏体晶粒不可能发生显著长大，这在组织 分析结果 中也得 到了证实(见 图 3和图 4)。因 此，加热温度对韧性影响较小。当加热温度高于 9 9 0 c c时，两种钢的强度有 显著增加的趋势，特别是 2 钢变化更显著(见图 I 和图 2)。对 比两种钢的化学成分可见，两种钢的 V含量差异较大。对 V C完 全固溶温度计算结果 表明，V C完全 固溶 温度 分别为 9 9 5 o C(1 钢)和 1 0 5 0 q C(2 钢)。对 于 2 钢，当加 热 温 度 达 到 1 0 2 0时，大量 的 V C溶解，固溶 V在 回火时析 出细小碳化物能显著提高钢的强度。这是加热温 度高于 9 9 0 o C时，强度显著增加 的原 因之一。综 合两种钢的试验结果，当加热温度高于 9 6 0时，其强度能较好地满足 X 8 0级钢的技术要求。从金 相 组 织 分 析 结 果 看，当冷 却 速 度 为 5 s 时，组织较 为粗 大。特别是 在加热温度较 低 的条件下，组织以较粗大块状铁素体为主，导致 其强度较低。随冷却速度增加，两种钢的组织均 以细小 的针状铁素体为主，强度均显著增加。而 当冷却速度高于 1 5 C s 时，强度增加趋势 降低。因此，为使钢 的强 度达到 X 8 0级钢 的技术要求，其冷却速度应大于 1 5 s。另外，两种试验用钢的成分仅有微小的差别，其 C E(n w)分别 为 0 4 0 1和 0 4 1 0，在相同工艺 条件下，强度相差约 2 0 MP a(对 比图 1和图2)，可 见成分对 X 8 0级 弯管 的生产具 有显 著 的影 响。因此，实际生产过程 中，对 X 8 0级弯管用钢 的成 分设计，应考虑适 当增加碳 当量，以保证 X 8 0级 弯管的稳定生产。4 结论(1)加热温度和冷却速度对钢的强度有显著 影响。当加热温度高于 9 6 0 c C、冷却速度大于 1 5 s 时，两种试验用钢的强度和韧性均能够达 到 X 8 0级钢 的强度 和韧性要 求。加热温 度及冷 却速度过低，奥氏体化不充分，冷却时粗大的块状 铁素体转变，是导致强度较低的原因。(2)微量合金元素含量变化对弯管用钢 的性 能影响较为明显，适 当增加碳 当量有利于保证弯 管 用 钢 的强 度，实 际 弯 管 用 钢 成 分 设 计 时，C E(I I W)应大于 0 4 I。参考文献：1 刘迎来，李平全 感应加热弯管的生产技术现状与发 展 C 石油管道工程应用基础研究论文集 北京：石油工业 出版社，2 0 0 1：1 8 1 2 纪美术，冯斌，杜则裕 控轧钢钢管热煨弯管的应用与 发展趋势 J 焊接技术，2 0 0 7，3 6(5)：6 1 6 3 3 杨才荣，范向红 西气东输工程用大 口径热煨 国产弯 管情况分析 J 通用机械，2 0 0 4(9)：7 1 7 3 4 邵靖利，丛相州 弯管制造工艺对 X 7 0钢弯管性能 的 影响 J 机械工人，2 0 0 5，(1 0)：7 1 7 4 5 赵春，霍春勇，虞毅，等 回火温度对 X 7 0管线钢感应 加热弯管组织性能的影响 J 热加工工艺，2 0 0 7，3 6 (2 2)：6 3 6 5，6 9 6 雍歧龙，马鸣图，吴宝榕 微合金钢 一物理和力学冶金 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 9：2 0 9，3 4 1 作者简介：乔桂 英(1 9 6 6一)，女，山东诸城 人，博 士，副研 究员，主要从事金属材料的组织与性能研究工作。收稿 日期：2 0 0 8 0 71 9 编辑：黄勇 欢 迎订 阅 欢迎刊 登广 告