一种含钒r4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含钒R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法。
【背景技术】
[0002] 系泊链产品主要用于海洋石油、天然气开采用浮式生产系统、半潜式钻井平台、单 点系泊结构和浮式生产储油轮船以及其它海洋开发设施等，其产品质量关系到海上作业和 船舶航行的安全性。由于系泊链长期浸泡在海水中，条件恶劣，因此要求系泊链用钢不仅强 度高、韧性好，而且还要求具有耐海水腐蚀、抗疲劳破坏、耐磨损等特性。根据使用的强度水 平不同，系泊链产品主要有R3、R3S、R4、R4S、R5级等。
[0003] 近年来，随着深海采油、勘探的开发，对深海采油、勘探设备用高强度、大规格系泊 链（〇>90_~〇>210_)的需求逐渐增加。由于大规格系泊链产品调质冷却困难，导致系泊 链全截面全部淬透困难，目前，世界各国R4级大规格系泊链钢产品均采用高合金成分方案 (大致为0. 22C-1. 4Mn-l. 3Cr-l. 2Ni-0. 5Mo)，以提高其淬透性，从而满足大规格系泊链产 品调质后高强度、高韧性、耐疲劳的要求，但其存在以下缺陷：
[0004] (1)由于合金元素含量高，导致材料热轧态组织为半马氏体组织，材料在交货前必 须进行退火处理，否则材料在放置过程中会产生马氏体转变，产生组织应力，从而导致材料 出现内裂纹报废。
[0005] (2)由于Mn、Cr、Mo等合金元素含量高，会恶化钢的焊接性，增加焊接裂纹的发生 概率。
[0006] (3)由于合金元素含量高，提高了系泊链淬火开裂的风险，并且屈强比也往往不合 格（>0? 92)〇
[0007] (4)增加了生产成本。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种含钒R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法，利 用微量111、8、氮及少量附、(：11^〇、(>^11复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，在降 低生产成本的前提下，显著提高R4系泊链用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性， 进而显著提高R4系泊链用钢的整体性能均匀性、寿命和安全性，从而生产出低成本高性 能的R4系泊链用钢。具体技术方案如下：
[0009] 一种含钒R4系泊链用钢，按照质量百分比含有如下组分：C:0. 26~0.31，Si: 0? 15 ~0? 40,Mn:0? 60 ~0? 90,P:彡 0? 010,S:彡 0? 005,Cr:1. 00 ~1. 20,Mo:0? 20 ~ 0? 30，Ni:0? 50 ~0? 80，V:0? 11 ~0? 14，Ti:0? 010 ~0? 030，Cu:0? 25 ~0? 40，B:0? 0008 ~ 0? 0030,Als:0? 015~0? 050, [N] :0? 010~0? 015,其余为铁和不可避免杂质。
[0010] 上述含钒R4系泊链用钢的热处理工艺，包括如下步骤：
[0011] (1)淬火：系泊链用钢加热至温度880~930°C，在该温度段加热保温时间按 1. 5~2.Omin/mm计算，冷却。
[0012] (2)回火：系泊链用钢加热至温度600~650°C，在该温度段加热保温时间按2~ 2. 5min/mm计算，冷却。
[0013] 进一步地，步骤（1)和/或（2)中的加热速度为50~100°C/h。
[0014] 进一步地，步骤（1)中水冷至室温。
[0015] 进一步地，步骤（2)中空冷至室温。
[0016] 进一步地，步骤（1)中以80°C/h加热至温度910°C，加热保温时间270min，水冷。
[0017] 进一步地，步骤（2)中以80°C/h加热至温度620°C，加热保温时间420min，空冷。
[0018] 上述含钒R4系泊链用钢的生产方法，进一步地，包括如下步骤：
[0019]a.电弧炉或转炉冶炼；
[0020]b.LF炉精炼；
[0021] c.RH或VD真空脱气；
[0022] d.连铸；
[0023]e?铸坯加热炉加热；
[0024]f?圆钢轧制；
[0025]g.系泊链锻造；
[0026]h.调质热处理。
[0027] 进一步地，热处理包括如下步骤：
[0028] (1)淬火：系泊链用钢加热至温度880~930 °C，在该温度段加热保温时间按 1. 5~2.Omin/mm计算，冷却。
[0029] (2)回火：系泊链用钢加热至温度600~650°C，在该温度段加热保温时间按2~ 2. 5min/mm计算，冷却。
[0030] 与目前现有技术相比，本发明通过采用微量V、Ti、B、氮及少量Ni、Cu、Mo、Cr、Mn 复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，用细晶强化、析出强化和相变强化机制，得到具 有均匀细密索氏体+下贝氏体金相组织的组织状态，开发出了R4系泊链钢，显著提高了R4 系泊链用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高了R4系泊链的整体 性能均匀性、寿命和安全性，从而生产出了低成本高性能的R4系泊链。该技术生产的产品 完全满足相关标准的要求，增强了企业的竞争力。
【具体实施方式】
[0031] 下面对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
[0032] 在一个优选实施例中，一种含钒R4系泊链用钢及其热处理工艺，含钒R4系泊链用 钢化学成分的质量百分比（wt% )为：C:0. 26~0. 31，Si:0. 15~0. 40，Mn:0. 60~0. 90， P:彡 0? 010,S:彡 0? 005,Cr:1. 00 ~1. 20,Mo:0? 20 ~0? 30,Ni:0? 50 ~0? 80,V:0? 11 ~ 0? 14，Ti:0? 010 ~0? 030，Cu:0? 25 ~0? 40，B:0? 0008 ~0? 0030，Als:0? 015 ~0? 050, [N]: 0. 010~0. 015,其余为铁和残余的微量杂质。其中，本发明钢以多元少量的合金化原则进 行了成分设计：
[0033] (1)碳：C是主要强化元素和提高淬透性元素，但C过高会引起钢的塑性和韧性的 降低、焊接性能恶化。为保证钢的塑性、韧性和焊接性能，C含量不宜过高，损失的强度则由 其它合金元素和微合金元素来弥补。综合考虑，R4系泊链用钢的C含量范围应在0. 26%~ 0. 31%为宜。
[0034] (2)硅：Si是固溶强化作用最明显的元素，同时也是对韧性损失最大的元素。从综 合性能考虑，不采用Si作为主要强化元素，因此Si含量控制在一般较低的水平，以不超过 0. 4%为宜，范围考虑在0. 15%~0.40%。
[0035] (3)锰：Mn主要起固溶强化和提高淬透性作用。但Mn易产生成分偏析，影响组织 和性能的均匀性。特别是Mn含量偏高，会增加组织中马氏体含量，从而提高屈强比，导致 屈强比超标。因此本发明R4系泊链用钢设计Mn含量以不超过1. 0%为宜，范围可控制在 0? 60%~0? 90%〇
[0036] (4)铬：Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀 的组织。但其含量过尚，会恶化系泊链钢的焊接性。综合考虑，Cr范围可控制在1.00%~ 1. 20%〇
[0037] (5)钼：Mo能够显著的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性；同时，Mo能使钢 的晶粒细化，提尚钢的强初性，但Mo的成本$父尚，并且其含量过尚也会恶化钢的焊接性能。 综合考虑，范围可控制在〇. 20%~0. 30%。
[0038] (6)镍：Ni具有细化钢的组织、改善钢的低温性能的作用，并具有固溶强化、提高 淬透性作用，但其价格昂贵，并且Ni也提高钢屈强比的元素之一，综合考虑，范围可控制在 0. 50 ~0. 80%。
[0039] (7)铜：铜是扩大奥氏体相区的元素，但在铁中的固溶度不大，铜与碳不形成碳化 物。铜是奥氏体稳定性元素，可提高钢的淬透性，细化转变后组织，从而改善钢的低温韧性。 并且铜在a-Fe中的溶解度会随着温度的降低而急剧下降，可起到析出强化的作用，铜对临 界温度和淬透性的影响以及其固溶强化作用与镍相似，可用来代替一部分镍，以降低生产 成本。同时，在钢中加入铜还可提高钢的抗疲劳性能，因为细小的Cu沉淀阻滞了疲劳的初 期阶段脉状结构的形成，并且铜析出物具有良好的塑性，可阻碍疲劳裂纹的扩展，从而提高 钢的疲劳强度；另外，Cu还有显著的提高钢耐蚀性作用，钢中加入0. 1 %Cu即可显著提高其 耐蚀性。但Cu含量过高，钢在加热轧制或锻造过