超高强度X120管线钢的发展现状1

超高强度X120管线钢的发展现状
徐进桥郭斌郑琳
【摘要】：总结回顾了超高强度X120管线钢在世界范围的发展状况。

系统整理和分析了X 120级管线钢采用的合金化设计方案、各种不同的生产工艺和最优的选择,并从经济和技术的角度讨论了X120级管线钢的应用前景、目前仍存在的技术难点和需要进行更深入研究的关键问题。

【作者单位】：武汉钢铁(集团)公司研究院;
【关键词】：管线钢X超高强度韧性
【分类号】：TG142.45
【正文快照】：
0前言能源是经济发展的驱动力,石油和天然气已成为世界各国最重要的能源资源,不断提高长距离输送管线的经济性和安全性成为石油、天然气以及相关行业进一步发展的关键。

此类钢的生产成本较低、用途广泛，典型牌号有30CrMnSiNi2A、32Si2Mn2MoVA、
45CrNiMo1VA(D6AC)等，主要用于制造飞机结构件，如主起落架的支柱、轮叉、机翼主梁；固体火箭发动机壳体、炮筒、高压气瓶和高强度螺栓等。

(2)二次硬化型超高强度钢系指通过淬火+高温回火后，析出特殊合金碳化物而达到弥散强化(二次硬化)效果的超高强度钢。

主要包括Cr－Mo－V型中碳中合金马氏体热作模具钢、高韧性9Ni－4Co型和10Ni－14Co型高韧性超高强度钢。

①H型(Cr－Mo－V型)中合金超高强度钢是从wCr≈5％的工模具钢移植而来，由于它在高温回火下有很高的强度和较满意的塑、韧性，抗热性好，组织稳定。

用于飞机起落架和骨架零件、炮弹和火箭壳体、高应力螺杆、弹簧以及高速转子和轴等。

典型牌号有4Cr5MoSiV(H11)和4Cr5MoSiV1(H13)，主要用于热挤压模具和制造飞机、发动机承受中温强度的零部件、紧固件等。

4Cr5MoSiV是最早生产和使用的钢号，淬透性很高，一般零件经1100℃奥氏体化后，在空冷条件下即可获得马氏体组织；经500℃左右回火，析出碳化物Cr7C3和(Mo，Cr)3C，发生二次硬化效应。

钢的抗拉强度可达1960N/mm2，具有较高的中温强度，在400～500℃范围内使用，钢的瞬时抗拉强度仍可保持1300～1500N/mm2，屈服强度约为1100～1200N/mm2。

主要用于热作模具。

4Cr5MoSiV1钢是在4Cr5MoSiV的基础上提高了C和V的质量分数而发展起来的。

随V质量分数的增加，使钢中VC的数量增加，提高了耐磨性，其他性能与4Cr5MoSiV钢相似。

断裂韧度低是此类钢的主要缺点，因此当用于制造屈服强度大于1380N/mm2的结构件时，应特别注意避免表面有尖角或小裂口存在，如电镀时应防止氢脆产生。

②9Ni—4Co型(Ni—Co—Cr—Mo型)超高强度钢钢中wNi≈9％，wCo≈4％，并含有Cr、Mo、V等合金元素。

增加钢的碳质量分数，可提高钢的强度，但韧性降低。

按碳质量分数的不同，又可分为0.20％、0.25％、0.30％和0.45％四种钢，常用的是9Ni－4Co－20钢和
9Ni－4Co－30钢。

经820～850℃奥氏体化后，在空冷条件下可形成低碳马氏体组织，经500℃左右回火产生二次硬化效应，获得较高强度和较高韧性。

30Ni9Co4CrMoA钢经淬火后于550℃回火，其抗拉强度为1520～1650N/mm2，断裂韧度KIC可达100N·mm-2·m1/2以上。

30Ni9Co4CrMoA和20Ni9Co4CrMoA钢的焊接性好，具有良好的热稳定性，适于370℃以下长期使用。

③10Ni－14Co型超高强度钢其典型钢号是16Ni10Co14Cr2Mo1(AF1410)钢，Ni在钢中的作用主要是稳定奥氏体。

从奥氏体状态冷至Ms点温度均不发生相变，即使原截面零件在缓慢的冷速下也只形成单相马氏体组织，因而没有淬透性不足的问题。

Co的作用主要是升高Ms点温度和降低Mo在马氏体中的固溶度，增强Mo的强化效应，在回火过程中能抑制和延缓特殊合金碳化物的析出，阻止析出相的集聚长大。

Mo是主要二次硬化元素，Mo质量分数增加，则二次硬化峰值提高。

Cr与Mo共存时，有利于提高韧性。

这是可焊接的高合金二次硬化型超高强度钢，加热至830℃奥氏体化后，在空冷条件下形成高位错密度板条马氏体，经510℃时效析出细小弥散分布的合金碳化物M2C取代Fe3C，从而获得高强度、高韧性。

其抗拉强度达1620N/mm2以上、断裂韧度KIC大于143N·mm-2·ml/2，抗应力腐蚀性能好，应力腐蚀开裂临界断裂因子KISCC值高达84N·mm-2·m1/2，比一般超高强度钢高3倍以上，常用于制造飞机重要受力构件，如海军飞机着陆钩等。

16Ni10Co14Cr2Mo1钢为超纯净和超细晶粒度钢，实际晶粒度大于10级。

由于钢的纯净度对其断裂韧度KIC和应力腐蚀性能具有明显影响，钢中除S、P质量分数极低外，还要求wO<0.002％(20×10-6)、wN<0.0015％(15×10-6)。

因此对冶炼和锻造工艺都有特殊要求。

一般采用真空感应炉熔铸电极再经真空自耗重熔。

其热变形加工性能很好，锻造开坯温度980℃～1175℃，为控制晶粒长大，最终成品锻造温度应不超过980℃。

(3)马氏体时效钢即18Ni超低碳马氏体时效钢。

它是铁－镍基超低碳高合金超高强度钢通过马氏体相变和时效析出金属间化合物而达到强化效果的超高强度钢。

马氏体时效钢具有强度高、屈强比高、热处理工艺简单和断裂韧度高等优点。

在固溶状态下，钢的屈服强度约为800～900N/mm2，断后伸长率约为20％，断面收缩率为70％～80％，具有良好的冷塑性变形性能，适用于深冲零件。

对冷作件可直接时效处理，进一步提高其强度。

其热处理过程中零件变形小，常用于制造高精度工模具，在固溶状态下焊接性好；焊丝成分应大致与基体相似。

采用氩气保护焊接工艺，焊前不需预热，焊后通过时效处理提高焊缝接头强度，焊接强度系数可达95％以上。

适用于制造固体火箭发动机壳体，高压气瓶等。

18Ni马氏体时效钢经820℃固溶处理后可在很宽的温度范围内进行时效处理。

时效过程中析出Ni3Mo、Ni3Ti等金属化合物，提高了钢的强韧性，Co在钢中不形成化合物，不直接产生时效强化作用。

必须有Mo的存在，才能充分发挥Co的强韧化作用。

Co可降低Mo在基体中的溶解度，增加Mo的过饱和度，在时效过程中产生细小的金属间化合物Ni3Mo和
Fe2Mo，弥散而均匀分布在马氏体位错和边界上。

Co和Mo的配合，不仅能提高钢的强度，而且还改善钢的韧性。

另外Ti、A1均为强化元素，形成强化相Ni3A1、Ni3Ti等。

钢中C、S、P、Si、Mn等均属有害元素。

若碳质量分数高，当加热至900～1100℃时在奥氏体晶界形成TiC薄膜，使钢变脆。

该钢大多采用真空冶炼工艺，以降低钢中气体和非金属夹杂物质量分数，提高钢的纯净度，有效改善钢的韧性。

(4)超高强度不锈钢它是在不锈钢基础上发展起来的，具有较高的强度和耐蚀性。

依据其组织和强化机制的不同，也可分为马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢等。

由于其Cr、Ni合金元素质量分数较高，故其价格也很昂贵，通常用于对强度和耐蚀性都有很高要求的零件。