摘  要：通过对钢的强韧化分析，得V、Nb可同时提高钢的强韧性，为此设计了3种非调质钢。对其进行工业试验表明，通过调整轧制和控制冷却工艺及其参数，采用36Mn2V、35Mn2VNb可分别生产出合格的非调质N80油管和接箍料管。

关键词：微合金钢；非调质钢；强韧化机制；油井管；接箍料管

l  前言   

    在石油工业用钢总量中，油井管约占40％。近年来J55钢级油井管已不能满足深井、超深井和特殊情况采集的要求，其用量在不断减少，而以N80为代表的更高钢级的油井管数量在不断增加。但用42MnM07钢生产的N80油管和接箍料管，韧性较低，不能满足标准和用户要求。为此，在无凋质设备情况下，通过调整工艺生产出高韧性的非调质N80油管和接箍料管。

2  钢种成分设计

2．1设计原则

    成分设计遵循以下原则：

    (1)在原使用42MnMo7钢成分基础上，选用与N80油井管性能相当的非凋质钢牌号，通过调整钢中元素含量，在保证强度适中的前提下，尽量提高钢的韧性、塑性。

    (2)钢中保持一定的氮含量，在加入微合金化元素(V、Ti、Nb等)后，使钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化合物．既能在加热过程巾有效阻止奥氏体晶粒长大，又可在铁素体中析出．起到沉淀强化及细化晶粒作用。并在钢中加入Mn、Mo，使钢中产生固溶强化。最终得到珠光体+铁素体组织类型的非调质钢，使其切削加工性能也能满足要求。

    (3)减少硫、磷及其他有害元素含量，控制[S]≤0．015％、[P]≤0．01 5％、[Cu]≤0．15％、[Sn] ≤0．020％、[As]≤0．020％、[Sn]+[As]+[Pb]+[Sb]+[Bi]≤0．050％。进一步降低材料的脆性。

    (4)在成分设计最佳化的基础上降低成本。

2．2  非调质N80钢管坯的试制

    根据上述成分设计原则，经多次试验、修正，湖南衡阳钢管(集团)有限公司于2000年炼制了36Mn2V、30MnVNb、35Mn2VNb  各一炉中130mm水平连铸圆管坯。其化学成分见表1。

    钢中的Ti和N为残余含量，生产中应尽可能对其进行控制。衡钢一般控制N含量在(50～100)×10^-6，Ti在0．02 %左右。由此生产的管坯各方面性能均满足《衡钢内控标准HK01—1999》要求。

3  轧管工艺设计

    3种非调质钢在衡钢Φ89分厂连轧机组和Φ108分厂三辊轧管机组分别进行油管和接箍料管轧制试验。轧管工艺流程为：管坯→1250℃加热→穿孔→轧管→930℃再加热→减径(定径) →冷却→矫直→成品。

3．1  工艺设计

    在中89分厂共没计3种工艺，中108分厂设计了8种工艺，见表2。

3．2  工艺试验

    在Φ89分厂试轧30MnVNb、36Mn2V钢管120支、规格为Φ73mm×5．51mm×9200～9400mm；在Φ108分厂试轧30MnVNb和35Mn2VNb管坯，成品钢管规格为Φ88．9mm×12．5mm。将每种工艺生产的钢管各取3个拉伸试样和2个冲击试样，拉伸试样加工成19．05mm纵条试样，冲击样加工成纵条10mm×5mm×55mm试样，冲击试验温度为0℃，并利用冲击后的试样做金相检验，试验结果见表3～表5。

    36Mn2V油管试验采用工艺B，其试验检验结果：σ_0.5为633～685MPa，σ_b为830～900Mpa δ₅₀为22．4％～24．2％；冲击功A_KV为23～39J，硬度为HB244～259；金相组织为F+P，晶粒度为8．5～10级。

    从表3～表5及上述检验结果可看出：用30MnVNb生产的油管力学性能均满足API5CT要求，但强度偏下限，冲击功则明显高于标准要求。用36Mn2V生产的油管各项性能均满足API 5CT要求。用35Mn2VNb生产的接箍料管力学性能也达到API 5CT对N80钢级的要求，并且其冲击功有所提高，在采用在线常化和加大终轧变形量进行控制轧制时，其横向冲击功可达到25J以上。

4  结果分析

4．1非调质钢的强韧化

    原采用的42MnMo7油井管，因其热轧状态下的组织为粗大的上贝氏体、珠光体、铁素体、魏氏组织及连续分布的淬火马氏体条带，组织粗大，故韧性较低。而改为非调质钢后，强度得以保留，而韧性有较大提高。

4．1．1组织强韧化

    所设计的非调质钢为中碳微合金钢，钢的热轧组织主要为铁素铁+珠光体，珠光体可达60％，对钢的性能起主导作用。当钢中加入V、Ti、Nb后，可固定钢中一部分C、N，从而影响钢中铁素体与珠光体的相对量，并改变铁素体的分布和形态。固溶于奥氏体中的V和Nb可提高过冷奥氏体稳定性，降低转变温度，使珠光体团粒细化，从而对钢的强度和韧性产生明显影响。

4．1．2  沉淀强化

    沉淀强化可提高TiN的稳定性，细化奥氏体晶粒。沉淀强化是非调质钢中V、Ti、Nb的碳氮化物主要作用之一，也是非调质钢与其他机械结构钢在强化机制方面的不同之处。研究结果还表明，V能在相对低温下溶入奥氏体，从而当冷却至铁素体区域时，能全部参与沉淀强化，通常是沉淀强化作用优先考虑的元素。随着钢中碳含量的增加，V微合金钢析出强化效果显著提高，这是由于钢中的C延迟了珠光体的形成，因而可以在较长时间内使铁素体中保有较高的固溶C含量，获得更大的强化效果。

4．1．3复合强韧化

    V、Ti或Nb、Ti或Nb、V复合加入时，其强化效果要比单独加入时高许多。Ti含量在0．02％左右时，具有最佳抑制奥氏体晶粒粗化效果，但不产生明显强化作用，将Ti与V复合使用，可得到强韧性的最佳配合。

    以上强化机制对性能的影响主要受珠光体和铁素体的比例、铁素体晶粒和珠光体团的尺寸等多种因素影响，只有细化铁素体晶粒和珠光体团尺寸，才能既提高强度又改善韧性。

4．2微合金化元素对非调质钢组织和性能的影响

    钢中各元素含量的确定：很多研究者认为，在保证钢必要强度的前提下．应尽量降低C含量,一般控制在0．5％以下，在0．35％左右。Si虽可提高钢的强度，但其含量过高会降低钢的塑性和韧性。因此对N80钢级油井管，Si含量一般不应超过1％。Mn是中碳锰钒钢中的主要添加元素,其在钢中具有重要的强化作用，但其含量超过1．5%～1．6％时，或当Mn>1．5+(Cr，Ni)时会生成贝氏体。这种组织可使钢的强度提高，但韧性降低。贝氏体的形态对非凋质钢的韧性影响也较明显。因而对铁素体+珠光体非调质钢，除应控制组织中生成的贝氏体量，还应控制其形态。同时，Mn可使铁素体晶粒变细，珠光体片层间距减小，有利于提高钢的韧性。所以，通常采用降低C含量、提高Mn含量的方法，Mn含量一般控制在1．1％～2．0％。V、Nb、Ti等元素也是微合金非调质钢中常加的元素，其通常以碳化物、氮化物、碳氮化物等形式存在，在一般加热过程中，有的部分固溶，有的完全固溶，有的不固溶。固溶物在加工后的冷却过程中析出，起析出强化作用。不固溶物在普通的加热条件下仍以弥散细小的颗粒状态存在，可细化钢的最终组织，提高钢的韧性。在中碳珠光体+铁素体钢中，V的主要作用是细化晶粒组织，也起沉淀强化作用，以弥补C含量降低后对钢强度的损失。另外，应尽量减少P、S和其他有害元素含量。

    所以，在研制的钢中加入一定的V、Nb，并降低了C含量，设计的非调质钢为36Mn2V和35Mn2VNb。从试验结果可看出：在相同轧制工艺条件下，用非调质钢轧制的钢管晶粒度要明显优于用42MnMo7轧制的钢管。

4．3  控轧控冷

4．3．1钢管的控制轧制

    非调质N80油井管的加热温度为1250℃；粗轧时，降低平均轧制温度和增加压下量以细化奥氏体晶粒。精轧开始温度为950～850℃，并尽可能降低，必要时终轧温度确定在880℃左右。轧管过程中尽可能采用大变形量(特别是终轧)和较低的终轧温度。

    在油管和接箍料管生产中，其轧制分配如表6所示。从表6可以看出，油管的总轧制比较大，达11，终轧(减径)轧制比也达1．5，而轧接箍料管时总轧制比为4．4，用原工艺生产时的终轧(减径)轧制比只有1．1，改变后的轧制比为1．3。

4．3．2钢管的控制冷却

    在对未再结晶奥氏体进行控制冷却时，铁素体会明显细化，控制冷却从A₃以上温度开始，在相变终了温度附近(550～500℃)结束，然后进行空冷。

    冷却方式主要影响V的沉淀强化及显微组织的转变，冷却速度过慢会导致沉淀相和显微组织粗化；冷却速度过快会导致马氏体出现。因而为获得细晶组织和足够数量的先共析铁素体，轧后在700℃以上快速冷却，然后缓冷到600℃以下，因为600～700℃相当于铁素体珠光体转变温度，在此温度范围内冷却速度太快，不利于铁素体析出。

4．3．3  在线常化

    在线常化技术是一种典型的控轧控冷技术。Φ108分厂轧制接箍料管时，即采用了这种技术。在线常化工艺中有目的地使冷却过程相对较长，约需10min，在这段时间内奥氏体晶粒必然长大，因而在钢中加入Nb、V、Ti等微合金元素后会生成Nb(C，N)、TiN、AlN、VN等析出物，以在钢的冷却和加热过程中阻止奥氏体晶粒长大。

4．4   非调质钢的性能分析

中89分厂在热轧状态下，用36Mn2V钢生产N80钢级中73mm×5．51mm油管时，其强度和韧性符合要求；改用30MnVNb和35Mn2VNb钢时，其韧性远远高于标准要求，强度也满足要求；而用常规工艺生产30MnVNb和35Mn2VNb接箍料管时，其韧性虽比42MnM07生产的钢管高，但仍不能达到API Spec 5CT要求，这是因为不采用控制冷却技术．仅靠调节材料成分来提高韧性是有限的。由于中89分厂生产油管时管坯经穿孔、轧管、减径，各道次的变形量均较大，总轧制比大于10，特别是终轧减径变形量较大，可使最终组织细小均匀，从而使钢材具有更好的强韧性。同时，由于油管的壁厚仅约为接箍料管的1／2左右，其终轧冷却速度也相对怏得多，有利于晶粒细化和细小颗粒状析出物的析出，也提高了钢的强度和韧性，所以，啷9分厂连轧机组生产油管的晶粒度比中108分厂生产接箍料管的晶粒度高4级左右。而用非调质钢生产的油管和接箍料管在一定的控轧控冷条件下均能达到高强度、高韧性的要求。

4．5工艺路线和参数调整

    以Φ130mm管坯在Φ108分厂轧制接箍料管(Φ88．9mm×12．5mm)为例，由于受工艺限制，无法采用大变形量工艺，轧制比一般在4左右，无法满足接箍料管对冲击功的要求。为此，成分设计时多加入细化晶粒元素，同时采用在线常化工艺。钢管进再加热炉前，其温度控制在600℃以下，使其在轧后和入步进炉前发生相变，细化品粒。另外，尽可能降低终轧温度，即把再加热温度从940℃降为880℃，这样可抑制再结晶奥氏体晶粒长大，形变位错仍得以保留，从而使材料强度和韧性得以提高，在轧制接箍料管时，尽可能采用Φ130、Φ140mm大管坯。还应尽可能加大终轧道次变形量，从而更好地发挥控轧控冷效果。

5  结论

    (1)微量合金元素V、Nb在钢中具有使组织强韧化、沉淀强化及复合强韧化功能，能同时提高微合金钢的强度和韧性。

    (2)由于非调质钢的C含量降低，使马氏体转变温度升高，并且钢中不含Mo，，使贝氏体转变的最小冷却速度降低，从而使非调质钢在热轧状态下得到F十P。通过成分设计和工艺改进得出，非调质N80油管和接箍料管，可分别采用36Mn2V和35Mn2VNb生产。

    (3)42MnM07生产的油井管韧性较低的原因是其热轧组织为贝氏体、马氏体，而非调质钢韧性较好是由于其热轧组织为细小的F+P。

    (4)在线常化和增大终轧变形量对细化晶粒、提高钢的强度和韧性均有较好的作用。