巨彪等：微观组织对X70管线钢浆料磨损特性的影响 ·325· 适应矿浆管道用材需要.开普敦大学Alen和Ball 行.该试验机为湿砂半自由浆料磨损，工作原理如图1 将硬质粒子在法向或切向力作用下对材料表面造成的 所示.在直流电机的驱动下利用转动的橡胶轮及搅拌 损伤定义为磨料磨损.浆体管道中固体粒子作为磨料 桨带动水和石英砂的混合磨料对金属试样产生磨损， 对管壁造成磨损，主要是因较硬的磨料在与较软的材 从而对材料在特定浆料下的耐磨性进行评价，通过更 料摩擦接触时较软一方发生了微观脱落，通常有切削、 换砝码进行不同载荷条件下的实验.磨损试样尺寸为 撞击和擦伤三种类型可.清华大学曾用三体磨损试验 57mm×25.5mm×6mm,固体磨料为粒度在40~70目 机6刀来评价浆体管道的抗磨损性，并指出材料的抗 的石英砂.磨损实验前先用分析天平（精度0.1mg)称 冲蚀磨损能力不仅与硬度有关，也与材料微观组织有 量用丙酮超声波清洗并充分干燥后的原始试样质量， 关，且复相组织较强的协调变形能力有利于提高耐磨 记录后将试样装入磨损试验机，再将水和石英砂按1： 性，但对不同复相组织之间耐磨性的差异未作评论 1的体积比加入到浆料槽里，加入量以完全淹没试样夹 本工作对实验室设计、试制的X70强度级管线钢 具为限.橡胶轮直径为178mm,为保持其与试样接触 进行了力学性能测试和微观组织观察：采用改进型浆 的线速度约为2m·s,计算出实验时设定转速应为 料磨损试验机对获得的不同组织的三类钢样进行浆料 214rmin.开机磨损实验前先不加砝码，抬起悬臂 磨损实验，得出不同载荷和实验周期下实验钢磨损规 使橡胶轮不与试样接触，充分搅拌混合好水和石英砂 律及相对耐磨性：对磨损表面进行分析讨论，明确了三 后加上砝码放下悬臂：设定第一次磨损转数为6000r, 种类型的复相组织管线钢在浆料磨损情况下的磨损机 完成后取出试样用丙酮清洗和吹干，称其质量；再装回 理及造成耐磨性差异的原因. 实验机用同样方法继续磨损，每间隔3000r取出称量 1实验材料与方法 一次；直到累积磨损转数为15000r时停止实验.三种 钢均在40N和70N两种载荷砝码加载下采用上述规 1.1实验用钢的准备及组织性能测试 程进行三组重复实验.利用扫描电镜和三维白光干涉 实验用钢在高效轧制国家工程研究中心25kg真 表面形貌仪观察实验钢的磨损表面微观形貌，分析组 空感应熔炼炉冶炼，经锻造制备成80mm×80mm× 织与耐磨性的关系及磨损机理. l00mm的方坯三块，分别标记为A、B和C.取样进行 橡胶轮 化学分析后的实验钢主要合金成分（质量分数，%） 浆料槽 为：C0.070,Si0.24,Mn1.53,Cr0.26,Nb0.045,Ti 悬臂 0.016,Fe为余量.三块钢坯均在350mm热轧实验轧 机进行热轧.轧前1200℃保温2h,出炉待温度降至 1100℃开始第一阶段轧制，经三道次不间断轧制成厚 砝码 度30mm的中间坯：再待温度降至950℃时开始第二 浆料 阶段的三道次不间断轧制，最终钢板厚度为12mm;随 搅拌桨 后在模拟层流冷却装置以不同工艺控冷.A坯：轧后 试样及夹具 图1湿砂橡胶轮磨损试验机示意图 待温度降至750℃进入层流冷却装置，调节水幕喷水 Fig.I Schematic illustration of the wet sand/rubber wheel abrasion 量至冷速约15℃·s,冷至500℃后出水空冷至室温 test apparatus B坯：轧后直接进入冷速约15℃·s的层流冷却水幕 冷至500℃后出水空冷至室温.C坯：同样先待温度降 2 结果与讨论 至750℃，但冷却水量调节为冷速约30℃·s1,冷却至 400℃后出水空冷至室温.轧制过程中各设定温度均 2.1微观组织与力学性能 采用红外测温仪测量，精度在±20℃内. 三种工艺制备的实验钢微观组织见图2.A钢组 按美国API SPEC5L管线钢管规范要求，在三种 织是65%粒状贝氏体和35%多边形铁素体组成的复 钢板上取样测试力学性能.同时切取的金相试样经打 相组织：B钢主要为粒状贝氏体相，并有少量针状铁素 磨抛光后先在数字显示布氏硬度计上分别测量三种实 体（少于10%)：C钢组织为70%板条贝氏体和30% 验用钢的平均布氏硬度值(HBW):再用4%硝酸乙醇 多边形铁素体的双相组织.表1给出了三种不同组织 溶液浸蚀抛光后的表面制备成金相试样，利用扫描电 实验钢的主要力学性能。三种钢屈服强度和布氏硬度 镜观察材料的微观组织.随后对组织中不同的相进行 几近相同，抗拉强度方面B钢稍高于A钢和C钢.对 显微硬度(HV)测试. 照美国API SPEC5L管线钢管规范发现，成分相同、组 1.2磨损实验及分析方法 织有差别的A、B和C三种钢各项力学性能指标均符 磨损实验在改进型湿沙橡胶轮磨损试验机上进 合规范中对X70级油气管道用钢的要求.巨 彪等: 微观组织对 X70 管线钢浆料磨损特性的影响 适应矿浆管道用材需要． 开普敦大学 Allen 和 Ball［4］ 将硬质粒子在法向或切向力作用下对材料表面造成的 损伤定义为磨料磨损． 浆体管道中固体粒子作为磨料 对管壁造成磨损，主要是因较硬的磨料在与较软的材 料摩擦接触时较软一方发生了微观脱落，通常有切削、 撞击和擦伤三种类型［5］． 清华大学曾用三体磨损试验 机［6 － 7］来评价浆体管道的抗磨损性，并指出材料的抗 冲蚀磨损能力不仅与硬度有关，也与材料微观组织有 关，且复相组织较强的协调变形能力有利于提高耐磨 性，但对不同复相组织之间耐磨性的差异未作评论． 本工作对实验室设计、试制的 X70 强度级管线钢 进行了力学性能测试和微观组织观察; 采用改进型浆 料磨损试验机对获得的不同组织的三类钢样进行浆料 磨损实验，得出不同载荷和实验周期下实验钢磨损规 律及相对耐磨性; 对磨损表面进行分析讨论，明确了三 种类型的复相组织管线钢在浆料磨损情况下的磨损机 理及造成耐磨性差异的原因． 1 实验材料与方法 1. 1 实验用钢的准备及组织性能测试 实验用钢在高效轧制国家工程研究中心 25 kg 真 空感应熔炼炉冶炼，经锻造制备成 80 mm × 80 mm × 100 mm 的方坯三块，分别标记为 A、B 和 C． 取样进行 化学分析后的实验钢主要合金成分( 质量分数，% ) 为: C 0. 070，Si 0. 24，Mn 1. 53，Cr 0. 26，Nb 0. 045，Ti 0. 016，Fe 为余量． 三块钢坯均在 350 mm 热轧实验轧 机进行热轧． 轧前 1200 ℃ 保温 2 h，出炉待温度降至 1100 ℃ 开始第一阶段轧制，经三道次不间断轧制成厚 度 30 mm 的中间坯; 再待温度降至 950 ℃ 时开始第二 阶段的三道次不间断轧制，最终钢板厚度为 12 mm; 随 后在模拟层流冷却装置以不同工艺控冷． A 坯: 轧后 待温度降至 750 ℃ 进入层流冷却装置，调节水幕喷水 量至冷速约 15 ℃·s － 1，冷至 500 ℃后出水空冷至室温． B 坯: 轧后直接进入冷速约 15 ℃·s － 1的层流冷却水幕 冷至 500 ℃后出水空冷至室温． C 坯: 同样先待温度降 至 750 ℃，但冷却水量调节为冷速约 30 ℃·s － 1，冷却至 400 ℃后出水空冷至室温． 轧制过程中各设定温度均 采用红外测温仪测量，精度在 ± 20 ℃内． 按美国 API SPEC 5L 管线钢管规范要求，在三种 钢板上取样测试力学性能． 同时切取的金相试样经打 磨抛光后先在数字显示布氏硬度计上分别测量三种实 验用钢的平均布氏硬度值( HBW) ; 再用 4% 硝酸乙醇 溶液浸蚀抛光后的表面制备成金相试样，利用扫描电 镜观察材料的微观组织． 随后对组织中不同的相进行 显微硬度( HV) 测试． 1. 2 磨损实验及分析方法 磨损实验在改进型湿沙橡胶轮磨损试验机上进 行． 该试验机为湿砂半自由浆料磨损，工作原理如图 1 所示． 在直流电机的驱动下利用转动的橡胶轮及搅拌 桨带动水和石英砂的混合磨料对金属试样产生磨损， 从而对材料在特定浆料下的耐磨性进行评价，通过更 换砝码进行不同载荷条件下的实验． 磨损试样尺寸为 57 mm × 25. 5 mm × 6 mm，固体磨料为粒度在 40 ～ 70 目 的石英砂． 磨损实验前先用分析天平( 精度 0. 1 mg) 称 量用丙酮超声波清洗并充分干燥后的原始试样质量， 记录后将试样装入磨损试验机，再将水和石英砂按 1∶ 1的体积比加入到浆料槽里，加入量以完全淹没试样夹 具为限． 橡胶轮直径为 178 mm，为保持其与试样接触 的线速度约为 2 m·s － 1，计算出实验时设定转速应为 214 r·min － 1 ． 开机磨损实验前先不加砝码，抬起悬臂 使橡胶轮不与试样接触，充分搅拌混合好水和石英砂 后加上砝码放下悬臂; 设定第一次磨损转数为 6000 r， 完成后取出试样用丙酮清洗和吹干，称其质量; 再装回 实验机用同样方法继续磨损，每间隔 3000 r 取出称量 一次; 直到累积磨损转数为 15000 r 时停止实验． 三种 钢均在 40 N 和 70 N 两种载荷砝码加载下采用上述规 程进行三组重复实验． 利用扫描电镜和三维白光干涉 表面形貌仪观察实验钢的磨损表面微观形貌，分析组 织与耐磨性的关系及磨损机理． 图 1 湿砂橡胶轮磨损试验机示意图 Fig． 1 Schematic illustration of the wet sand / rubber wheel abrasion test apparatus 2 结果与讨论 2. 1 微观组织与力学性能 三种工艺制备的实验钢微观组织见图 2． A 钢组 织是 65% 粒状贝氏体和 35% 多边形铁素体组成的复 相组织; B 钢主要为粒状贝氏体相，并有少量针状铁素 体( 少于 10% ) ; C 钢组织为 70% 板条贝氏体和 30% 多边形铁素体的双相组织． 表 1 给出了三种不同组织 实验钢的主要力学性能． 三种钢屈服强度和布氏硬度 几近相同，抗拉强度方面 B 钢稍高于 A 钢和 C 钢． 对 照美国 API SPEC 5L 管线钢管规范发现，成分相同、组 织有差别的 A、B 和 C 三种钢各项力学性能指标均符 合规范中对 X70 级油气管道用钢的要求． · 523 ·