P91 厚壁钢管混晶组织分析

某钢管公司生产的 P91 厚壁钢管复验时其显微组织不合格，粗晶 1 级，细晶 8 级。在对供用户使用的所有钢管进行的金相检验中，发现有大批钢管存在着混晶现象。本文针对产品出现的混晶现象，着眼于解决实际问题，兼顾经济效益与生产效率，提出消除混晶的办法。

实验材料及方法

选用某厂皮尔格轧制生产的 P91 钢管， 该钢管出现了混晶组织， 其主要化学成分( 质量分数，% )为C 0. 10，Cr 8. 92，Mo 0. 95，Si 0. 32，Mn 0. 45，V 0. 21，Nb0. 08，余量为铁。从出现混晶组织的母体上取条形试样( 如图 1 所示) 进行热处理实验， 采用一系列的正火与回火工艺，观察金相组织，看是否消除了混晶，并把适宜的实验工艺推广到工厂台式炉。同时为了排除坯料种类对实验结果的影响，特此做了锻坯与连铸坯的对比实验。最后对比分析穿孔跟皮尔格轧制两个变形过程的组织，确定出现混晶的工艺阶段。

热处理工艺对 P91 钢管组织的影响

观察热处理后试样的金相组织，从图 2 中可以发现，正火温度对 P91 钢的显微组织影响不大，试样均是回火马氏体组织，晶粒均匀，没有出现混晶。

根据 P91 钢含碳量可以确定为亚共析钢， 一般选用的正火温度为 Ac3 + ( 30 ～ 50) ℃。在加热速率快的情况下，工件温差大，容易出现加热不足。另外，加热速率快，起始晶粒细，也容许采用较高加热温度。同时， 为了使合金元素溶入奥氏体中，更好发挥合金元素的作用，将 P91 钢的正火温度设定为1050℃ 左右。如果温度太低 ( 低于1000℃ ) ，会导致大量合金元素不能溶入奥氏体中，使钢的淬透性降低；同时耗时太长，不但造成很大的能源浪费，而且增加了 P91 钢的氧化和脱碳倾向， 同时会有 Cr 的复型碳化物 ( 如Cr23C6，( Fe， Cr) 23C6 等) 沿晶界析出或造成杂质元素 P，S的偏聚，使材料发生晶间腐蚀，对后续使用造成的影响比较大。若温度选择太高( 超过1100℃ ) ，则在高温下晶界具有流体性质， 容易导致晶粒快速长大而造成晶粒粗化。使钢的力学性能下降。

P91 钢正火后获得的组织不能直接使用， 需要进行回火， 以降低脆性， 提高塑性和韧性， 获得强韧性的配合后才能实际使用。材料经不同温度回火后， 组织性能不同。P91 钢常在 600 ℃ 左右服役，通常情况下，材料的最终热处理温度要高于服役温度 100 ℃ 以上，故选择 760 ℃ 的高温回火。

通过不同温度( 1010 ～ 1090℃ ) 正火及回火的 P91 钢管的热处理实验结果， 可以发现通过重新热处理， P91 钢管的组织变得均匀， 钢管的混晶组织可以消除。于是， 选取规格为φ559 mm ×95 mm的存在严重混晶的 P91 钢管在工厂的台车式热处理炉内进行重新热处理， 选用的热处理工艺同图 2c 试样工艺． 结果发现钢管仍然存在着严重的混晶组织， 如图 3 所示．

通过台式炉的热处理， P91 钢管的混晶组织没有消除． 由此次实验得到， 出现混晶组织的 P91钢管在实验室热处理炉重新进行热处理， 低温可以避免再出现混晶， 但在生产确认实验时又出现， 取存在混晶的 P91 钢管的试样在实验室热处理炉内进行实验． 观察改进热处理后试样的金相组织， 结果如图 4 所示． 从图中可以发现， 正火保温时间延长后， 在原来出现混晶的区域再次出现混晶， 体现出“组织遗传性”的特征． 这和正火加热的速率及温区选择密切相关。

P91 钢管的正火加热速率总是缓慢的， 在 Ac3( 890 ～ 940 ℃ ) 温度以上不远的温区， 板条马氏体转变为新生奥氏体， 新生奥氏体的晶粒尺寸恢复了原动态回复与动态再结晶的晶粒尺寸．

在更高的温区， 新生奥氏体会发生再结晶而使晶粒进一步细化， 这个温度已接近 P91 钢的正火加热温度。因此， P91 钢管在正火 + 高温回火热处理时， 原动态回复与动态再结晶的极细或细的晶粒尺寸可能会被遗传．此次实验由于延长了正火保温时间， 使得奥氏体晶粒长大， 导致粗大的晶粒被遗传。因此，选择适宜的正火温度为 1050 ～ 1090 ℃，保温约 60min; 回火温度 750 ～ 780℃ ， 保温约 60 min。

混晶组织的消除
      P91 钢管热轧后出现了混晶组织， 通过后续的正火 + 回火热处理， 不能完全消除， 必须将钢管原始的非平衡组织先转变为平衡组织， 然后进行热处理． 钢的平衡态组织为珠光体 + 铁素体， 在Ac1以上将通过形核与长大变为奥氏体． 因 P91 钢的合金元素含量过高， 除珠光体外， 还有大量稳定的残留奥氏体存在， 在慢加热时， 残留的奥氏体将长大， 恢复原来粗大的奥氏体晶粒． 因此， 将非平衡组织转变为平衡组织可有效地消除混晶组织．预退火处理工艺: 将 P91 钢管加热到 970 ℃ 保温， 得到奥氏体组织， 然后缓慢降温至 750 ℃等温．规格为φ559 mm × 95 mm 的 P91 钢管( 原始组织存在混晶组织) ， 先进行预退火处理， 然后进行正常的热处理， 检验钢管的金相组织， 结果如图9 所示． 从图中可以发现， 经过预处理后， 钢管的组织为铁素体 + 碳化物( 珠光体， 即平衡组织) ，预处理 + 正常热处理后的组织为均匀的回火马氏体组织， 原始的粗大晶粒得到了消除．

结 论

1) 延长正火保温时间，使得奥氏体晶粒长大，导致粗大的晶粒被遗传。适宜的正火温度为1050 ～ 1090 ℃，保温 60 min；回火温度 750～780 ℃，保温 60 min。

2) 在相同的轧制条件下，锻坯和连铸坯的差异不会导致 P91 组织的差异，皮尔格轧制工艺阶段出现混晶现象。
      3) 穿孔结束后快冷下来的 P91 钢管晶粒比较细小。在周期轧制中， 由于轧制速度较快，发生回复和部分再结晶的晶粒由于变形量不适当就会产生巨大的晶粒，甚至会越轧越粗，造成混晶。
      4) P91 钢管热轧后出现的混晶现象，可以通过预处理工艺，将钢管的非平衡组织转变为平衡组织，然后配合后续的正火 + 回火工艺使混晶组织得以消除。