CN101519751B - 一种高性能海洋系泊链钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能海洋系泊链钢及其制造方法，包括如下步骤：a.出钢成分质量百分比为：C 0.16～0.27，Mn 0.40～1.05，Si 0.15～0.50，Cr 1.25～2.50，0＜Ni＜1.20，Mo 0.20～0.60，Al 0.01～0.06，N 0.004～0.015，S≤0.005，P≤0.015，0＜Cu＜0.50，余Fe；b.电炉或转炉初炼，经炉外精炼、真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯；c.入加热炉温度≤900℃，加热升温速度≤150℃/h；加热至1100～1300℃后保温40分钟以上，初轧开坯或成品轧机轧制，终轧温度≤1050℃；d.初轧坯在1000～1250℃加热后热轧或锻制成圆钢，终轧温度≤1050℃，轧后空冷或缓冷或≥600℃软化热处理。本发明成品性能达到并超过四级半和五级系泊链钢的要求。

Description

一种高性能海洋系泊链钢及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢领域，特别涉及一种高性能海洋系泊链钢及其制造方法。 

背景技术

系泊链钢按其强度级别可以分为三级(R3)、三级半(R3S)、四级(R4)，其链环整体调质后的强度级别分别为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。目前各国船级社认可的最高级别的系泊链钢为四级。 

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60～160mm大直径系泊链的需求也日益增加。另一方面，虽然海洋设施趋于大型化、高强化，然而由于其装载重量的限制，链径不可能再扩大，于是需要更高强度级别，更可靠的材料制造系泊链，以经受寒、暑和狂风巨浪。而目前国内外所生产的四级系泊链往往已经不能满足上述性能要求，从而，更高强度级别系泊链钢的研究和生产显得尤为迫切。 

目前国际上已提出草拟标准，要求系泊链整体热处理后的抗拉强度分别≥960Mpa(R4S，四级半)和≥1000Mpa(R5，五级)，屈强比(屈服与强度之比)≤0.92，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，冲击功(-20℃Akv)≥58J，慢应变速率拉伸测量HE(氢脆)和SCC(应力腐蚀开裂)等附加要求。由于大径链冷却困难，其具有的淬透性必须比相同强度级别的钢板高得多。 

目前国内外大量生产的四级钢，已形成化学成分大致为0.22C-1.5Mn-1.1Cr-0.8Ni-0.4Mo，碳当量Ceq大致≤0.88。其与中国专利申请号99116494.6中介绍的国内外常用四级链钢的成分相差不大。 

为进一步提高链钢强度，有二条途径：一、是降低回火温度；二、是继续增加淬透性，即增加组织中马氏体-下贝氏体的体积分数。但是降低回 火温度不仅使屈强比提高(如日本特许出愿公开昭60-89551实施例中回火温度为550～565℃，抗拉强度尚未达到1000MPa，屈强比已超过0.92)，何况在连续式调质炉中回火，温度低于600℃不容易保持炉温的稳定，还要防止回火脆性引起韧性下降，须更严格控制各类元素，因此五级链钢的生产不可能利用该途径；以提高C增加淬透性，会劣化韧性和增加焊接裂纹的发生概率。而增加合金元素，不仅提高成本，同时也增大Ceq，从而提高链环淬火开裂的风险，同时屈强比也往往不合格。 

从成分分析可见，除了Mn、Cr比例根本不同外，就Ni元素而言，日本专利昭60-89551中无Ni，而中国专利申请号98110160.7和中国专利申请号99116494.6中Ni含量较低。 

从力学性能对比可见，中国专利申请号99116494.6和日本特许出愿公开昭60-89551，前者的部分实验抗拉强度达到1000Mpa，然而无屈强比数据，而且热处理钢材的冲击韧性低，焊口冲击韧性则非常低。日本特许出愿公开昭60-89551直径84mm的圆钢在淬火和565℃回火的实施例中虽然有部分达到了抗拉强度1000MPa，但是相应的屈强比在0.92和0.93之间，难以满足≤0.92的要求；对于中国专利申请号98110160.7，其中直径80mm的圆钢在930℃淬火-650℃高温回火，其抗拉强度虽然达到了1000Mpa，但是对照与之成分相近的日本特许出愿公开昭60-89551的实施例和我们的生产实践，发现其数据与应有的变化规律相差甚远，由此对该批数据的准确性表示怀疑。 

从生产工艺来看，日本特许出愿公开昭60-89551实施例中回火温度为550～565℃，不易在连续式调质炉回火处理中使用(因为温度低于600℃不易保持炉温的稳定)，更低于船规允许的最低回火温度570℃。中国专利申请号98110160.7规定了电炉冶炼中氧化温度不低于1580℃，属于通用工艺；又规定钢锭加热温度1250℃，防止过烧。该专利规定在立式连续式调质炉中进行淬火加回火处理，其中淬火温度为900～930℃，水冷至室温，回火温度为620～650℃，水冷至室温。如前所述该工艺与日本特许出愿公开号昭60-89551使用的工艺及我们的实际数据差别太大，因此怀疑其可靠性。 

                                        表1原有系泊链钢专利的成分(重量％) 

                                             表2原有系泊链钢专利的力学性能 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高性能海洋系泊链钢及其制造方法，通过重新设计合金成分及调整其制造方法，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和系泊链的性能，即抗拉强度≥1000Mpa，屈强比≤0.92，延伸率≥12％，断面收缩率≥50 ％，冲击功-20℃Akv)≥58J。 

为实现上述目的，本发明的技术方案是， 

一种高性能海洋系泊链钢，其成分质量百分比为：C 0.16～0.27，Mn0.40～1.05，Si 0.15～0.50，Cr 1.25～2.50，Mo 0.20～0.60，Al 0.01～0.06，N 0.004～0.015，S≤0.005，P≤0.015，余量为Fe和不可避免杂质。 

进一步，本发明的系泊链钢还包括Nb、V、Ti、Ca中的一种或一种以上微合金化元素，其含量为Nb≤0.05，V≤0.10，Ti≤0.020，Ca≤0.004，以质量百分比计。 

本发明的系泊链钢还包括0＜Ni＜1.20，0＜Cu＜0.50，以质量百分比计。 

以下是本发明主要合金元素的作用及其限定说明： 

C 0.16～0.27％ 

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0.16％，不易达到强度要求，增加合金用量；高于0.27％，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，须严格控制C含量。 

Mn 0.40～1.05％ 

锰是作为提高钢的强度和韧性，在三～四级系泊链钢中，锰是为了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。但锰易产生成分偏析，影响组织和性能的均匀性，从而影响焊缝韧性和其他附加性能。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，因此含量不宜过高，相比原有专利，本发明大大降低了锰的含量。 

Si 0.15～0.50％ 

硅可提高钢的强度及淬透性，并和锰同样有脱氧效果，其最低含量为0.15％才能有效果，但是硅含量过高，由于硅易被氧化，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 1.25～2.50％ 

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。因此铬含量不应低于1.0％，相对现有专利，本发明提高了铬的含量。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，保证了高强链钢高居不下的屈强比明显降低，使高强钢≤0.92的屈强比指标难题得以实现。 

Ni 0＜Ni＜1.20％ 

根据船规，四级以上钢的镍含量不得小于0.20％。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，其Ceq系数较低，必要时可以用于平衡Ceq，不使Ceq过高。镍又是钢中耐候性元素，有利于保护链的水面部分。镍在闪光焊接时不易烧损，有利于提高焊缝的性能。但含量过高增加成本。 

Mo 0.20～0.60％ 

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，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，加入的意义不大，而且价格昂贵增加钢材成本。 

Cu 0＜Cu＜0.50％ 

铜在低含量时，其作用和镍相似，可以提高钢的强韧性，并且在低锡含量和加镍的钢中不会诱发表面裂纹，而且提高钢的耐候性，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。 

Al 0.01～0.06％ 

铝是主要脱氧元素，能够形成AlN，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，铝的氧化物夹杂增多，恶化钢的冲击性能。 

N 0.004～0.015％ 

钢中氮是不可避免的，形成AlN、TiN、VN、NbN，可以防止应变时效，细化晶粒和提高强度。不足0.004％时作用不明显，为防止固溶氮过多，不宜高于0.015％。 

Nb≤0.05，V≤0.10，Ti≤0.020 

上述元素是作为细化晶粒元素和析出强化元素而加入。 

Ca≤0.004％ 

用于使MnS改性，改善钢和焊缝韧性。 

O≤0.0025％ 

为降低氧化物夹杂总量，规定了氧的上限。 

S≤0.005％ 

MnS在焊接区与轴向垂直，影响焊接区的韧性。限制硫量，减少硫化物夹杂和改善耐蚀性能。 

P≤0.015％ 

硫、磷、锑、砷、锡等杂质元素，脆化原奥氏体晶界，降低韧性。含量多时还可能引起热加工裂纹。虽然希望越低越好，考虑到工业产品的成本，希望P≤0.01％。 

Sb、As、Sn规定Sb+As+Sn≤0.05％。 

另外，本发明还提供了一种高性能海洋系泊链钢的制造方法，其包括如下步骤： 

a)其出钢成分质量百分比为：C 0.16～0.27，Mn 0.40～1.05，Si0.15～0.50，Cr 1.25～2.50，Mo 0.20～0.60，Al 0.01～0.06，N0.004～0.015，S≤0.005，P≤0.015，余量为Fe和不可避免杂质； 

b)按照上述出钢目标成分配比，采用电炉或转炉初炼，经炉外精炼，真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯；为保证钢的致密度，钢锭或连铸坯的截面积与成品圆钢截面积之比(压缩比)大于9，以利于钢材组织和性能的均匀； 

c)为了防止锭、坯在冷、热装炉时的应力裂纹，钢锭或连铸坯入炉温度≤900℃，升温速度≤150℃/小时，加热至1100～1300℃高温保温，可以改善铸态组织，减轻成分偏析度；在此温度范围具有较佳的高温塑性，不易产生高温热加工开裂； 

d)初轧坯在1000～1250℃加热后热轧或锻制成直径60～160mm的圆钢，终轧温度≤1050℃，轧后空冷或缓冷或≥600℃软化热处理。 

终轧温度高于控制范围易导致轧制之后轧态晶粒粗大，同时由于增加相变硬度，容易导致裂纹。终轧温度也不可过低，造成轧机负荷增大，轧后静止空冷或缓冷或软化热处理，防止冷却裂纹。 

圆钢经砂轮磨剥和检查后，无深于0.20mm的表面缺陷。 

进一步，本发明的方法还包括，步骤e)将圆钢下料-加热-弯环-闪光对焊-编链，链条在间歇式或立式连续式调质炉中进行淬火处理，淬火温度≤1050℃，水冷，水温小于60℃。 

又，还包括步骤f)再加热到570～650℃回火，水冷，水温小于60℃。 

另，步骤f)回火前允许经过二次淬火处理。 

也可以生产直径160mm以上，符合船级社规范的圆钢，其力学性能检验在改锻成直径160mm的热处理试样上进行。 

力学性能试样取自离圆钢表面三分之一半径的位置，与圆钢轴线平行。拉伸试样直径14mm，标距为5倍直径；冲击试样为标准V型缺口试样。 

上述方法中，本发明的系泊链钢还包括Nb、V、Ti、Ca中的一种或一种以上微合金化元素，其含量为Nb≤0.05，V≤0.10，Ti≤0.020，Ca≤0.004，以质量百分比计。 

以及，还包括0＜Ni＜1.20，0＜Cu＜0.50，以质量百分比计。 

链在连续式或间歇式炉中淬火和回火后均水冷。淬火和回火温度的选取对于钢材最终的力学性能起着决定性的作用，本发明钢种在800～1050℃温度范围，奥氏体化和微合金元素部分固溶，使钢材具有较高的淬透性，获得贝氏体和马氏体组织。在570～650℃温度范围回火，获得强韧性良好配合的回火索氏体。在连续炉内保温，炉温小于600℃时往往不易稳定，因此本发明设计的成分允许链在600℃以上回火。虽然船规允许的最低回火温度为570℃。 

按照本发明的化学成分配比，以及本发明提供的制造方法，本发明系泊链钢的各项技术指标均达到并超过船级社对四级半和五级系泊链钢的要求。 

与原有对比专利对比，从成分对比可见，本发明系泊链钢的Mn、Cr、及Ni、Cu的含量，与对比专利的含量均明显不同。本发明调低了Mn含量范围，调高了Cr含量范围，其目的是提高本发明钢贝氏体相变温度，适当增加下贝氏体/马氏体淬火组织基体中上贝氏体的体积分数，保证满足 发明钢回火后的屈强比要求； 

本发明钢允许添加少量Ni，不仅符合各国船级社规范(船规)要求，而且起到不增加或少增加Ceq，在提高淬透性的同时，不增大钢的裂纹敏感性的作用。Ni又是提高钢耐候性的元素。由于是少量Ni，也排除了Ni对SCC敏感性的可能影响。 

本发明钢允许提高Cu的添加量，也可起到不增加或少增加Ceq，在提高淬透性的同时，不增大钢裂纹敏感性的作用和提高钢的耐候性。由此可见，本发明专利和原有对比专利的成分及合金元素的作用机理存在诸多不同点。 

从力学性能对比可见，本发明的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及断面收缩率均大于前述3件专利的性能。本发明钢材尺寸范围较宽(φ60～160mm)，强塑韧综合性能配合较好，抗拉强度稳定，并且屈强比满足≤0.92的要求。因此可以看出，本发明提升了系泊链钢的强度水平及其综合性能，对促进深海开发具有重大意义。 

从生产工艺来看，本发明与原有对比专利也有所不同。本发明专利在本发明的成分配比情况下，规定了钢锭或连铸坯的再加热制度和终轧温度，配合规定的钢锭或连铸坯的热加工压缩比，具有在顺利热变形的同时改善组织致密性、均匀性的作用。本发明钢的淬火-回火工艺也与原有专利不同。 

本发明的有益效果： 

本发明化学成分配比：压缩C的含量范围、降低Mn含量、增加Cr含量，还可以选择性地添加一定量的Ni和Cu，化学成分经济，一方面保证了本发明系泊链的超高强韧性；另一方面控制了贝氏体/马氏体组织的比例，保证满足屈强比≤0.92的要求，也提高了链制品的耐候性和耐蚀性。 

保证了符合钢锭(连铸坯)/成品钢材足够的断面压缩比，并辅以合理的热工参数，改善钢材内部的致密性和均匀性，保证成品钢材的性能水平。 

本发明钢材成分适合于制链后在现有装备上实施调质热处理工艺(淬火温度≤1050℃，水冷；回火温度为570～650℃，水冷)，尤其是允许在连续热处理炉中以≥600℃的回火温度进行调质热处理，保证系泊链最终获得稳定而优良的综合性能。 

合理的化学成分配比和制造工艺使得钢的性能指标明显提升，实现本发明系泊链钢的超高强韧性，达到并超过四级半和五级系泊链钢的要求，本发明系泊链钢(φ60～160mm)的整体力学性能为：抗拉强度σb≥1000Mpa，延伸率δ≥15％，断面收缩率Ψ≥55％，冲击功Akv(-20℃)≥80J，尤其是保证了σs/σb≤0.92要求。 

附图说明

图1为本发明实施例2钢材890℃奥氏体化后的CCT曲线。 

图2为本发明对比例1钢材890℃奥氏体化后的CCT曲线。 

图3为本发明实施例2钢材从900℃奥氏体化，水冷后的金相显微组织照片。 

图4为本发明对比例1钢材900℃奥氏体化，水冷后的金相显微组织照片。 

具体实施方式

成分和冷却速度(即直径大小)对性能的影响见表3、表4。 

实施例采用不同的淬火、回火温度后，包括焊缝韧性在内的所有性能全部合格。 

实施例3含铌，组织粗化温度提高；实施例7经过了两次淬火。 

对比例1-1的成分为Mn高于上限，600℃回火后屈强比不合格，且大大超过0.92。 

对比例1-2的成分为Mn高于上限，回火温度提高至610℃，抗拉强度近五级钢下限，屈强比仍不合格。 

对比例1-3的成分为Mn高于上限，提高回火温度至620℃，抗拉强度降至低于四级半钢下限，不合格；屈强比仍不合格。 

对比例2-1的成分为Cr低于下限，610℃回火后屈强比不合格。 

对比例2-2的成分为Cr低于下限，提高回火温度至620℃，抗拉强度降至低于四级半钢下限，不合格。 

参见图1、图2，可见本发明实施例的贝氏体转变温度高于对比例。 

参见图3、图4，可见本发明实施例在马氏体-下贝氏体基体中有适当 比例的上贝氏体组织。这种复合组织对钢材性能的提升，尤其是对于满足钢材屈强比≤0.92的要求起到了关键作用。 

比较图1～图4可知，由于成分组成的变化，实施例2钢材的贝氏体转变温度提高，组织中具有适当比例的上贝氏体，下贝氏体和马氏体的比例相应减少，实施例和对比例的屈强比表现明显不同。前者屈强比下降，符合船规而有宽余；后者屈强比超过船规，不易合格。屈强比通常用来表征屈服强度与抗拉强度的差值，是确定材料塑性的重要指标。材料屈服强度与抗拉强度的有适当差值，如屈强比≤0.92，材料必须经过一定的塑性变形后流变应力才会达到抗拉强度，在工程中就允许链环产生一定程度的塑性变形。实施例的延伸和断面收缩率均高于或等于对比例的数据。由材料学原理可知，复相基体组织的屈服强度主要决定于材料基体相中软相的屈服强度。本发明钢的关键之一是使贝氏体和马氏体复相基体组织中存在适当比例的上贝氏体，与下贝氏体和马氏体相比，上贝氏体中有更多的可动位错发生滑移，降低了其屈服强度和屈强比。由性能数据可知，本发明钢中分布的适当比例的上贝氏体，非但没有降低钢的强-塑-韧性，在服役条件下，这些性能反而保持稳定和得到提高。 

综上所述，本发明通过重新设计合金成分及调整其制造方法，化学成分经济，一方面保证了本发明系泊链整体热处理后的超高强韧性；另一方面控制了贝氏体/马氏体组织的比例，满足了屈强比≤0.92的要求，保证了系泊链钢使用的安全性；也提高了链制品的耐候性和耐蚀性；使得系泊链钢和系泊链的性能指标全面提升，达到并超过了四级半和五级系泊链的要求。 

                                                                             表3 

注：碳当量采用国际焊接学会公式，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 

注：实施例和对比例中的钢材均是采用100t或30t的电炉冶炼，用钢锭或连铸坯生产 

                                                                   表4 

Claims (9)

1.一种高性能海洋系泊链钢，其成分质量百分比为：C 0.16～0.27，Mn0.40～1.05，Si 0.15～0.50，Cr 1.25～2.50，Mo 0.20～0.60，Al 0.01～0.06，N 0.004～0.015，S≤0.005，P≤0.015，余量为Fe和不可避免杂质；该系泊链钢的整体力学性能为：抗拉强度σb≥1000MPa，延伸率δ≥15％，断面收缩率ψ≥55％，-20℃下的冲击功Akv≥80J，屈强比σs/σb≤0.92。

2.如权利要求1所述的高性能海洋系泊链钢，其特征是，还包括Nb、V、Ti、Ca中一种以上微合金化元素，其含量为Nb≤0.05，V≤0.10，Ti≤0.020，Ca≤0.004，以质量百分比计。

3.如权利要求1或2所述的高性能海洋系泊链钢，其特征是，还包括0＜Ni＜1.20，0＜Cu＜0.50，以质量百分比计。

4.如权利要求1所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其包括如下步骤：

a)其出钢成分质量百分比为：C 0.16～0.27，Mn 0.40～1.05，Si 0.15～0.50，Cr 1.25～2.50，Mo 0.20～0.60，Al 0.01～0.06，N 0.004～0.015，S≤0.005，P≤0.015，余量为Fe和不可避免杂质；

b)按照上述出钢目标成分配比，采用电炉或转炉初炼，经炉外精炼、真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯；钢锭或连铸坯的截面积与成品圆钢截面积之比大于9；

c)钢锭或连铸坯入加热炉温度≤900℃，在加热炉内的升温速度≤150℃/小时；加热至1100～1300℃后保温40分钟以上，经初轧机开坯，或成品轧机轧制直径60～160mm的圆钢，终轧温度≤1050℃；

d)经初轧机开坯后的初轧坯在1000～1250℃加热后热轧或锻制成直径60～160mm的圆钢，终轧温度≤1050℃，轧后空冷或缓冷或≥600℃软化热处理。

5.如权利要求4所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其特征是，还包括，步骤e)将圆钢下料-加热-弯环-闪光对焊-编链，链条在间歇式或立式连续式调质炉中进行淬火处理，淬火温度≤1050℃，水冷，水温小于60℃。

6.如权利要求5所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其特征是，还包括，步骤f)淬火处理结束再加热到570～650℃回火，水冷，水温小于60℃。

7.如权利要求6所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其特征是，步骤f)回火前还进行二次淬火处理。

8.如权利要求4所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其特征是，还包括Nb、V、Ti、Ca中一种以上微合金化元素，其含量为Nb≤0.05，V≤0.10，Ti≤0.020，Ca≤0.004，以质量百分比计。

9.如权利要求4所述的高性能海洋系泊链钢的制造方法，其特征是，还包括0＜Ni＜1.20，0＜Cu＜0.50，以质量百分比计。

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