专利名称：一种大规格高性能四级海洋系泊链钢及其加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于低碳低合金钢领域，具体涉及一种大规格高性能四级海洋系泊链钢及其加工工艺。
背景技术：
近年来，随着海洋资源的深入开发，在全球范围内，深海采油、海洋勘探等用途的海洋设施的增多，对系泊这些设施的60mm 160mm大直径系泊链的需求也日益增加。另一方面，由于系泊链钢主要用于海洋环境，长期浸泡在海水中，服役条件极其恶劣，因此要求系泊链用钢不仅要求高强度、良好的韧性，而且还要求具有耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损等特性。而目前国内外所生产的四级系泊链为了保证其高性能，通过增加Ni、Mo等合金元素含量，导致钢材价格昂贵。因此，大规格低成本高性能系泊链钢的研究和生产显得尤为迫切。系泊链钢按其强度级别可以分为三级(旧)、三级半(R3s)、四级(R4)，其链环整体调质后的强度级别最低要求分别为690MPa、770MPa、860MPa，而且需要具有高的塑性、韧性及屈强比< 0. 92的安全性要求。四级系泊链钢是目前各国船级社认可的最高级别，最近也有五级系泊链钢的研究。近年来，各国通过对三级近海系泊链钢(R3)要求的基础上，结合四级系泊链钢的成分及性能要求，加入一些有益合金元素，以求满足四级锚链钢的性能及组织要求。与三级钢相比，四级系泊链钢具有更高的强度，冲击韧性及优良的综合性能。挪威船级社 (DNV)、美国船级社(ABS)、英国劳氏船级社(LR)规范对四级系泊链产品的性能要求为 Rm 彡 860Mpa, RpO. 2 彡 580Mpa, R ρ0· 2/Rm 彡 0. 92，冲击功(一 20°C Akv)彡 50J。目前三级系泊链钢的性能远远不能满足需求，因此，开发四级系泊链的研究迫在眉睫。国内对四级系泊链的研究曾经做过一些报道，《金属学报》1990年第9期“四级锚链钢的断裂韧性的研究”、《特殊钢;^〉2000年第4期“高强度高韧性海洋四级系泊锚链钢的试制及应用”、《钢铁研究》2002年第5期“四级锚链钢的实验室研究”、《特殊钢》2006年第5期 "R4海洋系泊链Φ 140mm圆钢的开发”、《热加工工艺》2009年第2期“热处理对新型系泊链钢22MnCrNiM0组织和性能的影响”。这些文献都报道了一些用于R4级系泊链生产的钢种， 其共同点是通过加入大量的M含量来保证其低温冲击韧性，有的文献中M含量高达1. 2% 左右，这样势必造成生产成本的提高，资源的浪费。上述文献中R4系泊链钢的生产，仅仅用于实验室研究阶段，并没有适用于工业大生产。目前国内能够生产并获得专利的R4级系泊链的厂家，有兴澄钢铁公司(专利号 00109053. 4)和江苏沙钢(专利号0710191457. 5)，其采用的工艺主要是电炉生产工艺。但是，由于合金成分总体较高，导致材料在放置或热处理的时候产生内部裂纹，这样造成材料的整体报废严重，同时成分中的Ni含量较高，不仅增加了成本，而且也造成了资源的浪费
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种大规格高性能四级海洋系泊链钢及其加工工艺，可以解决现有系泊链钢性能不足和热处理工艺不理想问题，全面提高整体热处理后系泊链钢性能，抗拉强度彡860MPa，屈强比<0.92，延伸率彡12%，断面收缩率彡50%, - 20°C下的夏比冲击功Akv彡50J。本发明解决以上技术问题的技术方案是
一种大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt. %为=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%,余量为 Fe。本发明的大规格高性能四级海洋系泊链钢成分中M含量为0，通过重新设计以上合金成分，且合金元素总含量较低，在不影响其高性能的条件下可大幅度降低成本。本发明主要合金元素的作用及其限定说明
C 0. 20% 0. 25%，碳可以提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性。碳含量低于 0. 2%，不易达到强度要求，增加合金用量；高于0. 25%，钢易产生冷却裂纹和制链焊接及热处理淬火裂纹，也不允许高温加热钢锭和连铸坯，以免过烧。因此，控制C含量0. 20% 0. 25%。Mn 1. 40% 1. 80%，锰是作为提高钢的强度和韧性，在四级系泊链钢中，锰是为了保证大规格钢的尺寸，提高钢的淬透性而加入的主要合金元素，其数量也相对最多，相对现有技术，Mn含量相应增加，尤其应予指出的是，Mn增加组织中马氏体的含量，从而提高屈强比。但锰易产生成分偏析，影响组织和性能的均勻性，从而影响焊缝韧性和其他附加性能， 含量不宜过高。因此，控制锰含量1. 40% 1. 80%。Si 0. 30% 0. 50%,硅可提高钢的强度及淬透性，和锰同样有脱氧效果。本合金体系中，由于Ni等合金元素总量减少，为了保证其淬透性，因此规定Si其最低含量为0. 30%, 但是硅含量过高，硅易被氧化，闪光焊时易产生硅酸盐夹杂，将降低钢的焊接断口的韧性， 因此设定其上限为0. 50%。Cr 0. 80% 1. 40%，铬是提高系泊链钢强度及淬透性的主要元素，其同时提高钢的抗腐蚀能力，并具有提高回火稳定性的作用。本专利中，考虑不加入M的含量，为保证其有较高的耐腐蚀性和相应的淬透性，因此铬含量不应低于0. 80%，相对现有技术，本发明降低了铬的含量。由于Cr与Mo配合能够扩大贝氏体转变区域，提高贝氏体转变温度，因此本发明钢淬火组织中上贝氏体的比例有所增加，限制了马氏体/下贝氏体的比例，设定Cr上限为1.40%，保证了高强链钢的屈强比明显降低，使高强钢屈强比< 0. 92指标难题得以实现。Mo 0. 30% 0. 40%，根据船规，R3S(三级半)以上系泊链钢的钼含量不得小于 0.20%。钼提高钢的淬透性，细化晶粒，防止回火脆性，显著提高钢的冲击韧性，钼也可以提高钢的耐蚀性，并且是闪光焊接时不易烧损的元素。另外钼与铬组合可以提高贝氏体含量， 控制贝氏体/马氏体比例。钼含量低于0. 20%时，作用不大，而含量高于0. 60%时，晶粒会有长大粗化的趋势，对冲击韧性有一定的影响，加入的意义不大，而且价格昂贵增加钢材成本。因此,控制Mo含量0. 30% 0. 40%οCu 0 0. 25%，铜在低含量时，其作用和镍相似，可以提高钢的强韧性，因此本设计体系中，加入Cu主要保证相应的强韧性，特别是改善系泊链潮差区域的耐候性。铜Ceq系数较低，价格比镍便宜，可以适当利用。但是当Cu含量较高时，其和钢中相应的As、Sn以及P元素一样，会引起晶界元素偏聚，从而诱发表面裂纹的产生，因此要求Cu含量上限为 0. 25%。Ti 0. 01% 0. 02%,微合金元素钛是强碳、氮化物形成元素，利用微细弥散分布析出的Tic、TiN可以减少基体中C、N间隙原子，起到细化晶粒作用，改善钢的塑性、韧性和高强度钢的耐延迟断裂性能，但是钛加入量过多容易形成粗大的Ti (C，N)夹杂物。从提高钢的强度考虑，在保证技术条件要求的前提下，应尽可能按下限控制钛含量，这样既能达到控制晶粒度，减少夹杂，提高钢质的目的，又可降低成本，故设计钛质量分数为0. 01%
0. 02%oAl 0. 0 0. 06%，铝是主要脱氧元素，提高钢的抗氧化性，亦能够形成A1N，细化晶粒，改善链条母材及焊缝处的综合力学性能。铝不足0. 01%时，作用不明显，铝超过0. 06% 时，容易形成铝的氧化物夹杂增多，降低钢的疲劳寿命，恶化钢的冲击性能。所以规定Al含量为 0. 02% 0. 06%οNi 0, Ni在钢中与!^e以无限互溶的形式存在于钢中的α相或Υ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显改善钢材焊缝处的冲击韧性，并能提高钢的耐腐蚀性能。同时镍可以提高钢的淬透性，具有提高钢的强度而不降低韧性的特点。镍在闪光焊接时不易烧损，有利于提高焊缝的性能。但M含量过高，势必会增加成本。本设计成分体系中，为了保证其相应的耐腐蚀性，增加了少量的Cr、Cu含量，保证其较高的淬透性，又增加了 Mn和Si含量。通过加入其它少量合金元素含量，而取代M元素对性能的要求，来保证该R4系泊链钢的高性能。大规格高性能四级海洋系泊链钢的加工工艺，包括冶炼、锻造和热处理，
(1)冶炼在真空中频感应炉中冶炼，在冶炼的过程中保持较高的真空度，真空度控制在0. 13 0. 67Pa,防止有害元素的进入，对冶炼的工参数进行限定，精炼温度控制在 1590 1620°C，精炼时间约为12 17min，真空感应炉冶炼相比于电弧炉冶炼，具有成本低，效率高，操作简单，炉温可准确控制，真空中频感应炉冶炼钢种，达到除气、合金化、调整成分等，能炼出高质量优质钢；
(2)锻造锻前进行无损检测，切冒口，始锻温度为1100 1200°C，终锻温度为750 850°C，锻后空冷，在锻造过程中，保证有足够的压缩比铸件/锻件=2. 5 3，锻造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之间大规格的四级系泊链用圆钢；
(3)热处理在箱式电阻炉中加热到880 930°C，淬火水冷，然后加热到620°C 660°C进行回火处理。本发明进一步限定的技术方案是
前述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量Wt. %为C :0. 25%，Si 0. 369%， Mn 1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P :0. 010%，余量为 Fe。前述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt.%为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%，余量为 Fe。前述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt.%为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%，余量为 Fe。前述的大规格高性能四级海洋系泊链钢的加工工艺，冶炼中，要求所熔炼钢锭断面尺寸为250mmX270mmX390mm的方坯，和实际生产线上棒材连铸坯尺寸相似。本发明的有益效果是⑴本发明节约成本，降低合金元素含量的前提下，采用较低的Mo，不加Ni，使材料具有较高的低温韧性；⑵本发明通过加入少量多元合金化的设计思路，使材料具有较高的淬透性，保证了制作大规格尺寸的系泊链钢，能够淬成马氏体组织； ⑶本发明钢具有高强度、高韧性以及较低的屈强比，良好的焊接性能和低温冲击性能好的优点；⑷本发明采用真空感应炉冶炼，对热处理工艺进行控制，并进行脱气和去除夹杂物， 提高了材料的洁净度，从而显著提高钢的强韧性以及材料的疲劳寿命。
具体实施例方式实施例1
本实施例的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt. %为其成分含量wt. % 为:C :0. 25%, Si :0. 369%, Mn :1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P 0. 010%，余量为 Fe。本实施例的大规格高性能四级海洋系泊链钢的加工工艺，包括冶炼、锻造和热处理，
(1)冶炼在真空中频感应炉中冶炼，在冶炼的过程中保持较高的真空度，真空度一般控制在0. 131^。防止有害元素的进入，需要对冶炼的工参数进行限定，精炼温度控制在 1590°C，精炼时间约为12min ；真空感应炉冶炼相比于电弧炉冶炼，具有成本低，效率高，操作简单，炉温可准确控制。真空中频感应炉冶炼钢种，达到除气、合金化、调整成分等，能炼出高质量优质钢，并且要求所熔炼钢锭断面尺寸为250mmX270mmX390mm的方坯，和实际生产线上棒材连铸坯尺寸相似；
(2)锻造锻前进行无损检测，切冒口，始锻温度为1100°C，终锻温度为750°C，锻后空冷，在锻造过程中，保证有足够的压缩比(铸件/锻件=2. 5)，锻造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之间大规格的四级系泊链用圆钢；
(3)热处理在箱式电阻炉中加热到880°C，淬火水冷，然后加热到620°C°C进行回火处理。棒材经过整体调质(900°C淬火水冷，然后进行620°C回火)后取样，所得的力学性能如下抗拉强度Rm=913. 02MPa、屈服强度RpO. 2=791. 64MPa、伸长率A=17.四％、断面收缩率 Z=64. 88%、-20°C下 V 型缺口冲击功 AKv= 89/108/90J (平均值 96J)。实施例2
本实施例的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt.%为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%，余量为 Fe。(1)冶炼在真空中频感应炉中冶炼，在冶炼的过程中保持较高的真空度，真空度一般控制在0.451^。防止有害元素的进入，需要对冶炼的工参数进行限定，精炼温度控制在1600°C，精炼时间约为15min ；真空感应炉冶炼相比于电弧炉冶炼，具有成本低，效率高， 操作简单，炉温可准确控制。真空中频感应炉冶炼钢种，达到除气、合金化、调整成分等，能炼出高质量优质钢，并且要求所熔炼钢锭断面尺寸为250mmX270mmX390mm的方坯，和实际生产线上棒材连铸坯尺寸相似；
(2)锻造锻前进行无损检测，切冒口，始锻温度为1150°C，终锻温度为800°C，锻后空冷，在锻造过程中，保证有足够的压缩比(铸件/锻件=2. 8)，锻造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之间大规格的四级系泊链用圆钢；
(3)热处理在箱式电阻炉中加热到900°C，淬火水冷，然后加热到640°C进行回火处理。棒材经过整体调质(900°C淬火水冷，然后进行620°C回火)后取样，所得的力学性能如下抗拉强度Rm=869MPa、屈服强度RpO. 2=777MPa、伸长率A=13%、断面收缩率 Z=56%、-20°C下 V 型缺口冲击功 AKv= 130J。实施例3
本实施例的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其成分含量wt.%为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%，余量为 Fe。(1)冶炼在真空中频感应炉中冶炼，在冶炼的过程中保持较高的真空度，真空度一般控制在0.671^。防止有害元素的进入，需要对冶炼的工参数进行限定，精炼温度控制在1620°C，精炼时间约为17min ；真空感应炉冶炼相比于电弧炉冶炼，具有成本低，效率高， 操作简单，炉温可准确控制。真空中频感应炉冶炼钢种，达到除气、合金化、调整成分等，能炼出高质量优质钢，并且要求所熔炼钢锭断面尺寸为250mmX270mmX390mm的方坯，和实际生产线上棒材连铸坯尺寸相似；
(2)锻造锻前进行无损检测，切冒口，始锻温度为1200°C，终锻温度为850°C，锻后空冷，在锻造过程中，保证有足够的压缩比(铸件/锻件=3)，锻造成尺寸在Φ 150mm Φ 160mm之间大规格的四级系泊链用圆钢；
(3)热处理在箱式电阻炉中加热到930°C，淬火水冷，然后加热到660°C进行回火处理。棒材经过整体调质后取样，所得的力学性能如下抗拉强度Rm=878MPa、屈服强度 RpO. 2=785MPa、伸长率A=14%、断面收缩率Z=58%、_20°C下V型缺口冲击功AKv= 145J。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种大规格高性能四级海洋系泊链钢，其特征在于其成分含量Wt. %为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%，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其特征在于其成分含量 wt. % 为:C :0. 25%, Si :0. 369%, Mn :1. 74%, Cr :1. 34%, Mo :0. 33%, Ti :0. 018%, S :0. 005%, P 0. 010%，余量为 Fe。
3.如权利要求1所述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其特征在于其成分含量 wt. % 为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%，余量为 Fe。
4.如权利要求1所述的大规格高性能四级海洋系泊链钢，其特征在于其成分含量 wt. % 为: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%，余量为 Fe。
5.如权利要求1-4中任一权利要求所述的大规格高性能四级海洋系泊链钢的加工工艺，包括冶炼、锻造和热处理，其特征在于(1)冶炼在真空中频感应炉中冶炼，在冶炼的过程中保持较高的真空度，真空度控制在0. 13 0. 67Pa，精炼温度控制在1590 1620°C，精炼时间约为12 17min ；(2)锻造锻前进行无损检测，切冒口，始锻温度为1100 1200°C，终锻温度为 750 850°C，锻后空冷，在锻造过程中，保证压缩比铸件/锻件=2. 5 3，锻造成尺寸在 Φ 150mm Φ 160mm之间大规格的四级系泊链用圆钢；(3)热处理在箱式电阻炉中加热到880 930°C，淬火水冷，然后加热到620°C 660°C进行回火处理。
6.如权利要求5所述的大规格高性能四级海洋系泊链钢的加工工艺，其特征在于所述冶炼中，要求所熔炼钢锭断面尺寸为250mmX 270mmX 390mm的方坯，和实际生产线上棒材连铸坯尺寸相似。
全文摘要
本发明属于低碳低合金钢领域，涉及一种大规格高性能四级海洋系泊链钢及其加工工艺，其化学成分为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%，余量为Fe。本发明通过成分优化设计，采用MnCrMoSiCu的合金体系，降低合金元素总量，具体措施为不加Ni，降低Mo，提高Mn、Si，添加Cu的设计思路。采用真空中频感应炉进行冶炼，保证其具有较高的真空度和纯净度。对冶炼得到的大方坯进行锻造加工成Φ150mm以上棒材，使其获得和轧态一样的性能。本发明所生产的圆钢具有较高的淬透性，同时其碳当量和冷裂纹敏感参数和该系列钢种(Ni含量达0.6～1.2%时)相差不大，但成本却大大降低。
文档编号C22C38/28GK102230134SQ20111018322
公开日2011年11月2日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者何宜柱, 斯松华, 李旭, 李英奎, 王发仓, 袁晓敏 申请人:南京钢铁股份有限公司, 安徽工业大学