SUP13Cr無縫管中的δ鐵素體

韓進(jìn)山,張 冰,李志群,呂傳濤,姚 勇

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津300301)

SUP13Cr無縫管中的δ鐵素體

韓進(jìn)山,張 冰,李志群,呂傳濤,姚 勇

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津300301)

SUP13Cr鋼是由普通13Cr發(fā)展而來,綜合力學(xué)性能及抗腐蝕性都有所提高,但SUP13Cr鋼中高Cr、高M(jìn)o的成分設(shè)計,使鋼具有很高的耐腐蝕性能的同時,組織中容易出現(xiàn)δ鐵素體。δ鐵素體又稱高溫鐵素體,在室溫下相對少見,但在SUP13Cr鋼中仍然有δ鐵素體保留到常溫下,由于δ鐵素體較脆,在加工及使用中易引發(fā)裂紋,并且容易引發(fā)點(diǎn)蝕,對材料的韌性造成破壞性的影響,所以一般無縫管生產(chǎn)中把δ鐵素體作為有害相加以控制。現(xiàn)以三種不同13Cr系列鋼種為試驗對象,重點(diǎn)研究SUP13Cr鋼中的δ鐵素體在熱處理過程中的含量變化,并提出了減輕SUP13Cr中δ鐵素體的熱處理措施。

SUP13Cr;δ鐵素體;熱處理;金相組織

1 引言

SUP13Cr是由普通13Cr發(fā)展而來的鋼種,該鋼種無縫鋼管主要應(yīng)用于苛刻環(huán)境的井況中,如塔里木油田。SUP13Cr在普通13Cr的基礎(chǔ)上C含量進(jìn)一步降低,Mo、Ni、Cu等合金元素含量顯著提高,使得綜合力學(xué)性能得到提高、耐腐蝕性更好。但SUP13Cr鋼中高Cr、高M(jìn)o的成分設(shè)計,使組織中容易出現(xiàn)δ鐵素體。

δ鐵素體又稱高溫鐵素體,呈脆性,在熱加工中易引發(fā)裂紋,并且容易引發(fā)點(diǎn)蝕及腐蝕開裂,所以一般都是把δ鐵素體作為有害相加以控制的。國內(nèi)學(xué)者對高Cr不銹鋼生產(chǎn)過程中δ鐵素體的控制做過理論和試驗諸多研究[1—4],但對于SUP13Cr中δ鐵素體在熱處理階段的變化的研究仍然缺乏,以下采用δ鐵素體含量較多的SUP13Cr鋼為原料,研究了δ鐵素體在不同熱處理制度下含量的變化以及變化產(chǎn)生的原因。

2 SUP13Cr中的δ鐵素體

實驗中為了對比δ鐵素體含量的差別,我們選取了兩種HP13Cr鋼作為參考,其中HP13Cr為常規(guī)鋼種,HP13Cr/1為改進(jìn)型,主要區(qū)別為提高了Ni元素含量,SUP13Cr相對兩種參考鋼種Mo含量增加一倍,Mn含量略有提高,表1為三種13Cr鋼的主要化學(xué)成分。

表1 三種13Cr鋼的化學(xué)成分(%)

根據(jù)舍夫勒組織圖(見圖1),不銹鋼中影響δ鐵素體含量的關(guān)鍵因素為Ni當(dāng)量和Cr當(dāng)量,13Cr類鋼中的Cr、Si含量相對比較近似,因此其主要影響元素為Ni和Mo含量,共性上講當(dāng)Ni含量越低時,Ni當(dāng)量越低,在一定Ni范圍內(nèi)13Cr鋼中容易形成δ鐵素體,同樣當(dāng)Mo含量越高時,Cr當(dāng)量越高,在一定Mo范圍內(nèi)13Cr鋼中容易形成δ鐵素體。

圖1 舍夫勒組織圖

三種13Cr鋼采用同樣的鍛造管坯,經(jīng)1 180℃環(huán)形爐加熱后穿孔、軋制成無縫鋼管,取典型部位進(jìn)行金相分析,金相組織見圖2所示,圖中條狀物為δ鐵素體。由圖2可知,三種13Cr鋼的金相組織都為包含有少量δ鐵素體的馬氏體組織,其中HP13Cr的δ鐵素體含量最低,SUP13Cr的δ鐵素體含量最高。

圖2 三種13Cr鋼的金相組織(A:HP13Cr;B:HP13Cr/1;C:SUP13Cr)

δ鐵素體是一種富含Mo、Cr的相,Cr含量越高鐵素體析出溫度越低,當(dāng)Cr高于一定值或奧氏體化溫度超過某一臨界點(diǎn)時,在13Cr類鋼中已不能形成單一的奧氏體,在冷卻過程中也不能發(fā)生完全的馬氏體相變,因此三種13Cr產(chǎn)品都或多或少的存在δ鐵素體相。試樣HP13Cr/1和HP13Cr中的δ鐵素體含量不同主要是因為鎳含量的不同,鎳是奧氏體形成元素,在鉻含量近似的情況下鎳當(dāng)量決定了不銹鋼中δ鐵素體含量,特別是當(dāng)化學(xué)成分略有偏差或存在成分偏析時,由于Cr、Ni當(dāng)量偏離正常成分范圍,將導(dǎo)致SUP13Cr中δ鐵素體析出量的變化。試樣SUP13Cr相對前兩種13Cr存在大量的δ鐵素體,這主要是因為增加了Mo元素的含量, Mo含量的增加提高了Cr當(dāng)量從而導(dǎo)致δ鐵素體的大量產(chǎn)生,雖然為了避免δ鐵素體的產(chǎn)生,需要控制Mo含量,但苛刻腐蝕環(huán)境下的產(chǎn)品使用需要材料有超強(qiáng)的抗CO2和H2S能力,因此SUP13Cr的成分設(shè)計會使產(chǎn)品中出現(xiàn)δ鐵素體,目前一般用戶對δ鐵素體含量要求控制在5%以內(nèi)以保證使用性能,因此在成分設(shè)計一定的情況下需要進(jìn)行其他解決的辦法,如管坯制造控制、成品熱處理工藝調(diào)整等。

3 SUP13Cr中δ鐵素體的熱處理控制

為保證SUP13Cr無縫鋼管井下的安全使用,用戶往往參考國際標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品鋼級等性能進(jìn)行要求,因此需要對SUP13Cr產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的熱處理,生產(chǎn)中往往對軋制成型后的SUP13Cr無縫鋼管進(jìn)行回火處理以滿足要求,圖3是軋態(tài)SUP13Cr無縫鋼管經(jīng)過熱處理之后的組織圖,熱處理工藝為620℃保溫90分鐘+空冷。經(jīng)過回火熱處理的SUP13Cr無縫鋼管從性能上得到了提高,但圖3中的金相組織顯示δ鐵素體含量相對軋態(tài)并沒有改變,即僅回火并不能使δ鐵素體含量滿足要求,因此需要進(jìn)行減輕δ鐵素體的處理。

圖3 SUP13Cr鋼回火處理后不同倍數(shù)下的金相組織

對13Cr類無縫鋼管的熱處理可以參考同類Cr含量在13%左右的產(chǎn)品,如鉻13型不銹鋼,此鋼種在高溫穿孔過程中,加熱溫度超過1 180℃以后會導(dǎo)致δ鐵素體的大量析出。同時經(jīng)過熱處理1 020℃～1 060℃正火后,δ鐵素體將會大幅度減少或消除。在13Cr類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中由于國內(nèi)常用的高溫?zé)崽幚頎t達(dá)到上述溫度較為困難,同時高溫正火在一定程度上降低材料的強(qiáng)度,因此一般13Cr類無縫鋼管常用的熱處理在900℃～980℃之間。為研究在較低的高溫段熱處理是否能改善δ鐵素體含量,試驗采用940℃的正火溫度,同時為了驗證試驗結(jié)果,采用淬火的方式保留高溫態(tài)的δ鐵素體,具體實驗方案為940℃保溫30分鐘后水淬。為更好的對比實驗結(jié)果,仍然采用圖1中所述的三種13Cr產(chǎn)品進(jìn)行淬火處理,取實驗樣經(jīng)拋光腐蝕后觀察見圖4所示。

從圖4中可以得知,三種13Cr類產(chǎn)品經(jīng)淬火后的δ鐵素體含量規(guī)律同軋態(tài)時的一樣,SUP13Cr仍然是δ鐵素體含量最高的鋼種。但對比圖4和圖2,三種13Cr類產(chǎn)品中的δ鐵素體都不同程度地減少,結(jié)果表明在940℃的時候保溫可以在一定程度上減輕δ鐵素體的含量。

圖4 三種13Cr鋼的淬火金相組織(A:HP13Cr;B:HP13Cr/1;C:SUP13Cr)

具體針對SUP13Cr產(chǎn)品,考慮到高溫?zé)崽幚砗蟮睦鋮s方式重新進(jìn)行了兩種熱處理工藝的試驗,分別為:1#940℃保溫30分鐘+水淬;2#940℃保溫30分鐘+空冷。圖5為兩種熱處理工藝下的金相組織,從圖中可以看出,水淬和空冷的冷卻方式得到的δ鐵素體從形貌觀察上沒有差別,說明冷卻方式對SUP13Cr中的δ鐵素體含量沒有影響。

圖5 SUP13Cr金相組織圖(A:1#熱處理、B:2#熱處理)

上述試驗SUP13Cr中的δ鐵素體在經(jīng)過淬火和正火處理后,相對軋態(tài)均有不同程度的減少,這就說明其中一部分δ鐵素體是在高溫軋制過程中由于加熱溫度過高產(chǎn)生的,所以經(jīng)過淬火或正火才能消除。消除溫度較低是由于SUP13Cr中Cr含量較高,由Fe-Cr二元相圖可知,Cr含量越高鐵素體析出溫度越低,所以消除溫度也就越低,這是建立在成分均勻的基礎(chǔ)上。如果SUP13Cr鋼管中存在成分偏析或化學(xué)成分設(shè)計不合理,那么在高溫軋制過程中產(chǎn)生的大量δ鐵素體,即使經(jīng)過淬火或正火也不可能消除和減少。

4 δ鐵素體的成分分析

利用ZESSI EVO50掃描電鏡和EDAX能譜儀對δ鐵素體進(jìn)行定性定量分析,圖6給出了不同SUP13Cr淬火及正火后的δ鐵素體的SEM照片及EDS譜圖,其中塊狀物為δ鐵素體。從δ鐵素體的EDS譜圖中可以看出:定量計算Mo含量為3.95wt%、Cr含量16.48wt%,明顯高于基體中的Mo含量(2.26wt%)、Cr含量(13.57wt%)。淬火、正火的δ鐵素體顏色較淺,δ鐵素體和馬氏體之間的邊界清晰。

5 結(jié)論

(1)研究的三種13Cr鋼的金相組織都為包含有少量δ鐵素體的馬氏體組織,其中HP13Cr的δ鐵素體含量最低,SUP13Cr的δ鐵素體含量最高。

(2)直接影響δ鐵素體形成的因素一是鋼中化學(xué)元素的含量,二是熱加工過程的溫度影響,在高溫軋制過程中由于加熱溫度過高產(chǎn)生的δ鐵素體,通過淬火或正火可以大幅度減少或消除。

(3)δ鐵素體是一種富含Mo、Cr的相,較高的Cr當(dāng)量是SUP13Cr中δ鐵素體含量較高的主要原因。

圖6 δ鐵素體的SEM像及EDS譜圖

[1] 王強(qiáng).2Cr12NiMo VNb鋼的δ鐵素體含量的控制[J].四川冶金,2001,(3):24—26.

[2] 郭元蓉,陳雨,詹勇,等.P91熱軋無縫鋼管中δ鐵素體的研究[J].鋼管,2011,40(5):17—19.

[3] 梁曉軍,焦四海.不銹鋼中δ鐵素體與奧氏體組織轉(zhuǎn)變模擬[J].材料熱處理學(xué)報,2007,28 (4):144—148.

[4] 王群娣.X12Cr MOWVNb N10—1—1鋼δ鐵素體析出規(guī)律研究[J].大型鑄鍛件,2012(6): 11—13.

Delta Ferrite in SUP13Cr Seamless Tube

HAN Jin-shan,ZHANG Bing,LI Zhi-qun,LV Chuan-tao,YAO Yong

(TianJin Pipe Corporation,Tianjin 300301,China)

SUP13Cr steel is developed from ordinary 13Cr and the comprehensive mechanical properties and corrosion resistance are improved.The composition design of high Cr and Mo in SUP13Cr steel which makes the steel has a high corrosion resistance and the structure is prone to be delta ferrite.Delta ferrite is also known as high temperature ferrite,relatively rare at room temperature,but in the SUP13Cr steel is still a delta ferrite retained to the normal temperature. Because the delta ferrite is brittle,it is easy to cause cracks in the process of use,and it is easy to lead to pitting corrosion,which has a destructive effect on the toughness of the material,so the delta ferrite is used as a harmful additive in the production of seamless pipe.The content change of the delta ferrite in SUP13Cr steel is studied on the basis of three different 13Cr steel,and heat treatment measure to reduce the content of delta ferrite is propsed..

SUP13Cr;delta ferrite;heat treatment;microstructure

1001—5108(2016)03—0041—04

TG113.1

A

韓進(jìn)山,高級工程師,銷售公司副經(jīng)理。