一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼及其加工工藝的制作方法

專利名稱：一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼及其加工工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于低碳低合金鋼領域，具體涉及一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼及其加工工藝。
背景技術：
近年來，隨著海洋資源的深入開發，在全球范圍內，深海采油、海洋勘探等用途的海洋設施的增多，對系泊這些設施的60mm 160mm大直徑系泊鏈的需求也日益增加。另一方面，由于系泊鏈鋼主要用于海洋環境，長期浸泡在海水中，服役條件極其惡劣，因此要求系泊鏈用鋼不僅要求高強度、良好的韌性，而且還要求具有耐海水腐蝕、抗疲勞、耐磨損等特性。而目前國內外所生產的四級系泊鏈為了保證其高性能，通過增加Ni、Mo等合金元素含量，導致鋼材價格昂貴。因此，大規格低成本高性能系泊鏈鋼的研究和生產顯得尤為迫切。系泊鏈鋼按其強度級別可以分為三級(舊)、三級半(R3s)、四級(R4)，其鏈環整體調質后的強度級別最低要求分別為690MPa、770MPa、860MPa，而且需要具有高的塑性、韌性及屈強比< 0. 92的安全性要求。四級系泊鏈鋼是目前各國船級社認可的最高級別，最近也有五級系泊鏈鋼的研究。近年來，各國通過對三級近海系泊鏈鋼(R3)要求的基礎上，結合四級系泊鏈鋼的成分及性能要求，加入一些有益合金元素，以求滿足四級錨鏈鋼的性能及組織要求。與三級鋼相比，四級系泊鏈鋼具有更高的強度，沖擊韌性及優良的綜合性能。挪威船級社 (DNV)、美國船級社(ABS)、英國勞氏船級社(LR)規范對四級系泊鏈產品的性能要求為 Rm 彡 860Mpa, RpO. 2 彡 580Mpa, R ρ0· 2/Rm 彡 0. 92，沖擊功(一 20°C Akv)彡 50J。目前三級系泊鏈鋼的性能遠遠不能滿足需求，因此，開發四級系泊鏈的研究迫在眉睫。國內對四級系泊鏈的研究曾經做過一些報道，《金屬學報》1990年第9期“四級錨鏈鋼的斷裂韌性的研究”、《特殊鋼;^〉2000年第4期“高強度高韌性海洋四級系泊錨鏈鋼的試制及應用”、《鋼鐵研究》2002年第5期“四級錨鏈鋼的實驗室研究”、《特殊鋼》2006年第5期 "R4海洋系泊鏈Φ 140mm圓鋼的開發”、《熱加工工藝》2009年第2期“熱處理對新型系泊鏈鋼22MnCrNiM0組織和性能的影響”。這些文獻都報道了一些用于R4級系泊鏈生產的鋼種， 其共同點是通過加入大量的M含量來保證其低溫沖擊韌性，有的文獻中M含量高達1. 2% 左右，這樣勢必造成生產成本的提高，資源的浪費。上述文獻中R4系泊鏈鋼的生產，僅僅用于實驗室研究階段，并沒有適用于工業大生產。目前國內能夠生產并獲得專利的R4級系泊鏈的廠家，有興澄鋼鐵公司(專利號 00109053. 4)和江蘇沙鋼(專利號0710191457. 5)，其采用的工藝主要是電爐生產工藝。但是，由于合金成分總體較高，導致材料在放置或熱處理的時候產生內部裂紋，這樣造成材料的整體報廢嚴重，同時成分中的Ni含量較高，不僅增加了成本，而且也造成了資源的浪費
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對以上現有技術存在的缺點，提出一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼及其加工工藝，可以解決現有系泊鏈鋼性能不足和熱處理工藝不理想問題，全面提高整體熱處理后系泊鏈鋼性能，抗拉強度彡860MPa，屈強比<0.92，延伸率彡12%，斷面收縮率彡50%, - 20°C下的夏比沖擊功Akv彡50J。本發明解決以上技術問題的技術方案是
一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt. %為=C :0. 20% 0. 25%，Si 0. 30% 0. 50%, Mn :1. 40% 1. 80%, Cr :0. 80% 1. 40%, Mo :0. 30% 0. 40%, Ti :0. 01% 0. 02%, Al 0. 02% 0. 06%, Cu 彡 0. 25%, S 彡 0. 006%, P 彡 0. 010%,余量為 Fe。本發明的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼成分中M含量為0，通過重新設計以上合金成分，且合金元素總含量較低，在不影響其高性能的條件下可大幅度降低成本。本發明主要合金元素的作用及其限定說明
C 0. 20% 0. 25%，碳可以提高鋼的強度，同時又可以提高鋼的淬透性。碳含量低于 0. 2%，不易達到強度要求，增加合金用量；高于0. 25%，鋼易產生冷卻裂紋和制鏈焊接及熱處理淬火裂紋，也不允許高溫加熱鋼錠和連鑄坯，以免過燒。因此，控制C含量0. 20% 0. 25%。Mn 1. 40% 1. 80%，錳是作為提高鋼的強度和韌性，在四級系泊鏈鋼中，錳是為了保證大規格鋼的尺寸，提高鋼的淬透性而加入的主要合金元素，其數量也相對最多，相對現有技術，Mn含量相應增加，尤其應予指出的是，Mn增加組織中馬氏體的含量，從而提高屈強比。但錳易產生成分偏析，影響組織和性能的均勻性，從而影響焊縫韌性和其他附加性能， 含量不宜過高。因此，控制錳含量1. 40% 1. 80%。Si 0. 30% 0. 50%,硅可提高鋼的強度及淬透性，和錳同樣有脫氧效果。本合金體系中，由于Ni等合金元素總量減少，為了保證其淬透性，因此規定Si其最低含量為0. 30%, 但是硅含量過高，硅易被氧化，閃光焊時易產生硅酸鹽夾雜，將降低鋼的焊接斷口的韌性， 因此設定其上限為0. 50%。Cr 0. 80% 1. 40%，鉻是提高系泊鏈鋼強度及淬透性的主要元素，其同時提高鋼的抗腐蝕能力，并具有提高回火穩定性的作用。本專利中，考慮不加入M的含量，為保證其有較高的耐腐蝕性和相應的淬透性，因此鉻含量不應低于0. 80%，相對現有技術，本發明降低了鉻的含量。由于Cr與Mo配合能夠擴大貝氏體轉變區域，提高貝氏體轉變溫度，因此本發明鋼淬火組織中上貝氏體的比例有所增加，限制了馬氏體/下貝氏體的比例，設定Cr上限為1.40%，保證了高強鏈鋼的屈強比明顯降低，使高強鋼屈強比< 0. 92指標難題得以實現。Mo 0. 30% 0. 40%，根據船規，R3S(三級半)以上系泊鏈鋼的鉬含量不得小于 0.20%。鉬提高鋼的淬透性，細化晶粒，防止回火脆性，顯著提高鋼的沖擊韌性，鉬也可以提高鋼的耐蝕性，并且是閃光焊接時不易燒損的元素。另外鉬與鉻組合可以提高貝氏體含量， 控制貝氏體/馬氏體比例。鉬含量低于0. 20%時，作用不大，而含量高于0. 60%時，晶粒會有長大粗化的趨勢，對沖擊韌性有一定的影響，加入的意義不大，而且價格昂貴增加鋼材成本。因此,控制Mo含量0. 30% 0. 40%οCu 0 0. 25%，銅在低含量時，其作用和鎳相似，可以提高鋼的強韌性，因此本設計體系中，加入Cu主要保證相應的強韌性，特別是改善系泊鏈潮差區域的耐候性。銅Ceq系數較低，價格比鎳便宜，可以適當利用。但是當Cu含量較高時，其和鋼中相應的As、Sn以及P元素一樣，會引起晶界元素偏聚，從而誘發表面裂紋的產生，因此要求Cu含量上限為 0. 25%。Ti 0. 01% 0. 02%,微合金元素鈦是強碳、氮化物形成元素，利用微細彌散分布析出的Tic、TiN可以減少基體中C、N間隙原子，起到細化晶粒作用，改善鋼的塑性、韌性和高強度鋼的耐延遲斷裂性能，但是鈦加入量過多容易形成粗大的Ti (C，N)夾雜物。從提高鋼的強度考慮，在保證技術條件要求的前提下，應盡可能按下限控制鈦含量，這樣既能達到控制晶粒度，減少夾雜，提高鋼質的目的，又可降低成本，故設計鈦質量分數為0. 01%
0. 02%oAl 0. 0 0. 06%，鋁是主要脫氧元素，提高鋼的抗氧化性，亦能夠形成A1N，細化晶粒，改善鏈條母材及焊縫處的綜合力學性能。鋁不足0. 01%時，作用不明顯，鋁超過0. 06% 時，容易形成鋁的氧化物夾雜增多，降低鋼的疲勞壽命，惡化鋼的沖擊性能。所以規定Al含量為 0. 02% 0. 06%οNi 0, Ni在鋼中與!^e以無限互溶的形式存在于鋼中的α相或Υ相中，使之強化，并通過細化α相的晶粒，改善鋼的低溫性能，特別是韌性，可以明顯改善鋼材焊縫處的沖擊韌性，并能提高鋼的耐腐蝕性能。同時鎳可以提高鋼的淬透性，具有提高鋼的強度而不降低韌性的特點。鎳在閃光焊接時不易燒損，有利于提高焊縫的性能。但M含量過高，勢必會增加成本。本設計成分體系中，為了保證其相應的耐腐蝕性，增加了少量的Cr、Cu含量，保證其較高的淬透性，又增加了 Mn和Si含量。通過加入其它少量合金元素含量，而取代M元素對性能的要求，來保證該R4系泊鏈鋼的高性能。大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼的加工工藝，包括冶煉、鍛造和熱處理，
(1)冶煉在真空中頻感應爐中冶煉，在冶煉的過程中保持較高的真空度，真空度控制在0. 13 0. 67Pa,防止有害元素的進入，對冶煉的工參數進行限定，精煉溫度控制在 1590 1620°C，精煉時間約為12 17min，真空感應爐冶煉相比于電弧爐冶煉，具有成本低，效率高，操作簡單，爐溫可準確控制，真空中頻感應爐冶煉鋼種，達到除氣、合金化、調整成分等，能煉出高質量優質鋼；
(2)鍛造鍛前進行無損檢測，切冒口，始鍛溫度為1100 1200°C，終鍛溫度為750 850°C，鍛后空冷，在鍛造過程中，保證有足夠的壓縮比鑄件/鍛件=2. 5 3，鍛造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之間大規格的四級系泊鏈用圓鋼；
(3)熱處理在箱式電阻爐中加熱到880 930°C，淬火水冷，然后加熱到620°C 660°C進行回火處理。本發明進一步限定的技術方案是
前述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量Wt. %為C :0. 25%，Si 0. 369%， Mn 1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P :0. 010%，余量為 Fe。前述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt.%為C:0.22%，Si 0. 33%, Mn 1. 58%, Cr :0. 87%, Mo :0. 32%, Ti :0. 03%, Nb :0. 03%, Al :0. 019%, S :0. 002%, P 0. 008%，余量為 Fe。前述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt.%為C:0.21%，Si 0. 32%, Mn 1. 49%, Cr :1. 18%, Mo :0. 36%，Ti :0. 0197%，Nb :0. 02%，Al :0. 035%，S :0. 002%，P 0. 010%，余量為 Fe。前述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼的加工工藝，冶煉中，要求所熔煉鋼錠斷面尺寸為250mmX270mmX390mm的方坯，和實際生產線上棒材連鑄坯尺寸相似。本發明的有益效果是⑴本發明節約成本，降低合金元素含量的前提下，采用較低的Mo，不加Ni，使材料具有較高的低溫韌性；⑵本發明通過加入少量多元合金化的設計思路，使材料具有較高的淬透性，保證了制作大規格尺寸的系泊鏈鋼，能夠淬成馬氏體組織； ⑶本發明鋼具有高強度、高韌性以及較低的屈強比，良好的焊接性能和低溫沖擊性能好的優點；⑷本發明采用真空感應爐冶煉，對熱處理工藝進行控制，并進行脫氣和去除夾雜物， 提高了材料的潔凈度，從而顯著提高鋼的強韌性以及材料的疲勞壽命。
具體實施例方式實施例1
本實施例的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt. %為其成分含量wt. % 為:C :0. 25%, Si :0. 369%, Mn :1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P 0. 010%，余量為 Fe。本實施例的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼的加工工藝，包括冶煉、鍛造和熱處理，
(1)冶煉在真空中頻感應爐中冶煉，在冶煉的過程中保持較高的真空度，真空度一般控制在0. 131^。防止有害元素的進入，需要對冶煉的工參數進行限定，精煉溫度控制在 1590°C，精煉時間約為12min ；真空感應爐冶煉相比于電弧爐冶煉，具有成本低，效率高，操作簡單，爐溫可準確控制。真空中頻感應爐冶煉鋼種，達到除氣、合金化、調整成分等，能煉出高質量優質鋼，并且要求所熔煉鋼錠斷面尺寸為250mmX270mmX390mm的方坯，和實際生產線上棒材連鑄坯尺寸相似；
(2)鍛造鍛前進行無損檢測，切冒口，始鍛溫度為1100°C，終鍛溫度為750°C，鍛后空冷，在鍛造過程中，保證有足夠的壓縮比(鑄件/鍛件=2. 5)，鍛造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之間大規格的四級系泊鏈用圓鋼；
(3)熱處理在箱式電阻爐中加熱到880°C，淬火水冷，然后加熱到620°C°C進行回火處理。棒材經過整體調質(900°C淬火水冷，然后進行620°C回火)后取樣，所得的力學性能如下抗拉強度Rm=913. 02MPa、屈服強度RpO. 2=791. 64MPa、伸長率A=17.四％、斷面收縮率 Z=64. 88%、-20°C下 V 型缺口沖擊功 AKv= 89/108/90J (平均值 96J)。實施例2
本實施例的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt.%為C :0. 22%，Si 0. 33%, Mn 1. 58%, Cr :0. 87%, Mo :0. 32%, Ti :0. 03%, Nb :0. 03%, Al :0. 019%, S :0. 002%, P 0. 008%，余量為 Fe。(1)冶煉在真空中頻感應爐中冶煉，在冶煉的過程中保持較高的真空度，真空度一般控制在0.451^。防止有害元素的進入，需要對冶煉的工參數進行限定，精煉溫度控制在1600°C，精煉時間約為15min ；真空感應爐冶煉相比于電弧爐冶煉，具有成本低，效率高， 操作簡單，爐溫可準確控制。真空中頻感應爐冶煉鋼種，達到除氣、合金化、調整成分等，能煉出高質量優質鋼，并且要求所熔煉鋼錠斷面尺寸為250mmX270mmX390mm的方坯，和實際生產線上棒材連鑄坯尺寸相似；
(2)鍛造鍛前進行無損檢測，切冒口，始鍛溫度為1150°C，終鍛溫度為800°C，鍛后空冷，在鍛造過程中，保證有足夠的壓縮比(鑄件/鍛件=2. 8)，鍛造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之間大規格的四級系泊鏈用圓鋼；
(3)熱處理在箱式電阻爐中加熱到900°C，淬火水冷，然后加熱到640°C進行回火處理。棒材經過整體調質(900°C淬火水冷，然后進行620°C回火)后取樣，所得的力學性能如下抗拉強度Rm=869MPa、屈服強度RpO. 2=777MPa、伸長率A=13%、斷面收縮率 Z=56%、-20°C下 V 型缺口沖擊功 AKv= 130J。實施例3
本實施例的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其成分含量wt.%為C:0.21%，Si 0. 32%, Mn 1. 49%, Cr :1. 18%, Mo :0. 36%, Ti :0. 0197%, Nb :0. 02%, Al :0. 035%, S :0. 002%, P 0. 010%，余量為 Fe。(1)冶煉在真空中頻感應爐中冶煉，在冶煉的過程中保持較高的真空度，真空度一般控制在0.671^。防止有害元素的進入，需要對冶煉的工參數進行限定，精煉溫度控制在1620°C，精煉時間約為17min ；真空感應爐冶煉相比于電弧爐冶煉，具有成本低，效率高， 操作簡單，爐溫可準確控制。真空中頻感應爐冶煉鋼種，達到除氣、合金化、調整成分等，能煉出高質量優質鋼，并且要求所熔煉鋼錠斷面尺寸為250mmX270mmX390mm的方坯，和實際生產線上棒材連鑄坯尺寸相似；
(2)鍛造鍛前進行無損檢測，切冒口，始鍛溫度為1200°C，終鍛溫度為850°C，鍛后空冷，在鍛造過程中，保證有足夠的壓縮比(鑄件/鍛件=3)，鍛造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之間大規格的四級系泊鏈用圓鋼；
(3)熱處理在箱式電阻爐中加熱到930°C，淬火水冷，然后加熱到660°C進行回火處理。棒材經過整體調質后取樣，所得的力學性能如下抗拉強度Rm=878MPa、屈服強度 RpO. 2=785MPa、伸長率A=14%、斷面收縮率Z=58%、_20°C下V型缺口沖擊功AKv= 145J。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
權利要求
1.一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其特征在于其成分含量Wt. %為C: 0. 20% 0. 25%, Si 0. 30% 0. 50%, Mn :1. 40% 1. 80%, Cr :0. 80% 1. 40%, Mo :0. 30% 0. 40%, Ti 0. 01% 0. 02%, Al :0. 02% 0. 06%, Cu 彡 0. 25%, S 彡 0. 006%, P 彡 0. 010%，余量為Fe。
2.如權利要求1所述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其特征在于其成分含量 wt. % 為:C :0. 25%, Si :0. 369%, Mn :1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P 0. 010%，余量為 Fe。
3.如權利要求1所述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其特征在于其成分含量 wt. % 為C :0. 22%, Si :0. 33%, Mn :1. 58%, Cr :0. 87%, Mo :0. 32%, Ti :0. 03%, Nb :0. 03%, Al 0. 019%, S 0. 002%, P 0. 008%，余量為 Fe。
4.如權利要求1所述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼，其特征在于其成分含量 wt. % 為:C :0. 21%, Si :0. 32%, Mn :1. 49%, Cr :1. 18%, Mo :0. 36%, Ti :0. 0197%, Nb :0. 02%, Al 0. 035%, S 0. 002%, P 0. 010%，余量為 Fe。
5.如權利要求1-4中任一權利要求所述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼的加工工藝，包括冶煉、鍛造和熱處理，其特征在于(1)冶煉在真空中頻感應爐中冶煉，在冶煉的過程中保持較高的真空度，真空度控制在0. 13 0. 67Pa，精煉溫度控制在1590 1620°C，精煉時間約為12 17min ；(2)鍛造鍛前進行無損檢測，切冒口，始鍛溫度為1100 1200°C，終鍛溫度為 750 850°C，鍛后空冷，在鍛造過程中，保證壓縮比鑄件/鍛件=2. 5 3，鍛造成尺寸在 Φ 150mm Φ 160mm之間大規格的四級系泊鏈用圓鋼；(3)熱處理在箱式電阻爐中加熱到880 930°C，淬火水冷，然后加熱到620°C 660°C進行回火處理。
6.如權利要求5所述的大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼的加工工藝，其特征在于所述冶煉中，要求所熔煉鋼錠斷面尺寸為250mmX 270mmX 390mm的方坯，和實際生產線上棒材連鑄坯尺寸相似。
全文摘要
本發明屬于低碳低合金鋼領域，涉及一種大規格高性能四級海洋系泊鏈鋼及其加工工藝，其化學成分為C0.20%～0.25%，Si0.30%～0.50%，Mn1.40%～1.80%，Cr0.80%～1.40%，Mo0.30%～0.40%，Ti0.01%～0.02%，Al0.02%～0.06%，Cu≤0.25%，S≤0.006%，P≤0.010%，余量為Fe。本發明通過成分優化設計，采用MnCrMoSiCu的合金體系，降低合金元素總量，具體措施為不加Ni，降低Mo，提高Mn、Si，添加Cu的設計思路。采用真空中頻感應爐進行冶煉，保證其具有較高的真空度和純凈度。對冶煉得到的大方坯進行鍛造加工成Φ150mm以上棒材，使其獲得和軋態一樣的性能。本發明所生產的圓鋼具有較高的淬透性，同時其碳當量和冷裂紋敏感參數和該系列鋼種(Ni含量達0.6～1.2%時)相差不大，但成本卻大大降低。
文檔編號C22C38/28GK102230134SQ20111018322
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者何宜柱, 斯松華, 李旭, 李英奎, 王發倉, 袁曉敏 申請人:南京鋼鐵股份有限公司, 安徽工業大學