CN114438420A - 一种系泊链钢及生产工艺以及系泊链及生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系泊链钢及其生产工艺，其组份含量按照质量百分比为，C 0.18～0.32，Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr 0.45～1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40，S≤0.005，Al 0.005～0.250，(V+Ti+Nb)≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，Ca 0.0005～0.0040，REM 0.010～0.025，N 0.004～0.024，O≤0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质。以提高R3、R4、R4S级系泊钢的性价比为基础，利用Mn影响结构钢连续冷却曲线的河湾效应，即与Mo的影响规律相似，随着合金Mn含量增加到一定量时，钢的连续冷却曲线上开始出现河弯状，设计了增廉价元素Mn、Al，减贵重元素Mo、Ni的成分系，经过钢和链的试生产，获得了降低链制品成本，提高其强韧性的效果。本发明还涉及一种系泊链及其生产工艺。

Description

一种系泊链钢及生产工艺以及系泊链及生产工艺

技术领域

本发明涉及低合金钢技术领域，具体为一种系泊链钢及生产工艺以及系泊链及生产工艺。

背景技术

系泊链钢指直径在

之间的系泊链用圆钢。由于系泊链长期浸泡在海水中，服役环境恶劣，系泊链钢必须具有强度高、韧性好，耐海水腐蚀、抗析氢脆化、抗疲劳、耐磨损等特性。此外，实际应用中通常还要将其弯曲加工成环，系泊链钢还需具备良好热弯及焊接性能。

百万吨级产量的R4级系泊链钢现有产品的目标成分0.22Mn1.5Cr0.8Ni0.8Mo0.45Nb0.03 由上海第五钢铁厂提供(刘永新，徐芸，陈益丰，赵荣华，四级锚链钢热处理工艺参数的优选，《热加工工艺》1990No5 33～35)，已经在国内使用了数十年。由于海工系泊链环直径较大，淬火冷却条件受限，为了保证链环的淬透性从而获得稳定的强韧性，长年来各钢企的R4级链钢产品的MnCrNiMo系成分无明显变动。虽然从1998至2015年有5项R4级链钢的专利公开，其中中国专利申请号98110160.7规定Mn的上限1.90wt％。实际上这些专利均无实用记录。

论文Tom Lassen，Agder，Jose L.Arana，Luis Canada，Jan Henriksen，Nina KHolthe，CRACK GROWTH IN HIGH STRENGTH CHAIN STEEL SUBJECTED TO FATIGUE LOADINGIN A CORROSIVE ENVIRONMENT，Proceedings of OMAE2005 24th InternationalConference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering(OMAE 2005)June 12-17,2005,Halkidiki,Greece， OMAE2005-67242，发表了R4S级系泊链的成分：0.23Mn1.3Cr1.0Ni1.0Mo0.5V0.09，除了加入微合金元素V，该成分与上述上海第五钢铁厂的R4级链钢相似。就R3、R4、R4S级链而言，至今未见有能满足其性价比需要的新型高强韧钢。而对于大直径的R3、R4、R4S级链，则上述钢号并不能满足。

另外，系泊链钢锭、连铸坯的裂纹也始终是影响生产效率和成本的难题(例如曾海霞，杨佳，R4级系泊链钢裂纹原因分析，特钢技术，25(2019)No2))，多年来并无全面解决方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系泊链钢，以提高R3、R4、R4S级系泊钢的性价比为基础，利用Mn影响结构钢连续冷却曲线的河湾效应，即与Mo的影响规律相似，随着合金Mn含量增加到一定量时，钢的连续冷却曲线上开始出现河弯状，设计了增廉价元素Mn、Al，减贵重元素Mo、Ni的成分系，经过钢和链的试生产，获得了降低链制品成本，提高其强韧性的效果。

为达到上述发明的目的，一种系泊链钢，其组份含量按照质量百分比为，C 0.18～0.32， Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr 0.45～1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40， S≤0.005，Al 0.005～0.250，(V+Ti+Nb)≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，N0.004～0.024，O≤ 0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质。

以下是本发明主要合金元素的作用及其说明：

本发明的成分：Mn量高于现有技术。Al量或高于现有技术，Mo量低于现有技术，Cr、Ni低于或等于现有技术。

C 0.18～0.32％

碳可以提高钢、链的强度和淬透性。碳含量低于0.18％，不易达到强度要求，不仅需要增加合金用量，而且因液-固相变过程中产生包晶反应而易导致裂纹；高于0.32％，不仅会提高钢、链的脆性转变温度，降低钢的塑性和韧性，而且会加速钢、链的腐蚀速率。另外碳是最强烈降低马氏体转变温度的元素，明显增加裂纹敏感性，也不允许以均匀成分和组织为目的的钢锭和连铸坯高温加热工艺，以免过烧。因此，须严格控制C含量。为了获得稳定的组织和性能，务必在成分设计中保持碳和合金元素含量的平衡。

Mn 1.95～2.60％

在链钢中，锰曾经是作为提高淬透性、强度和韧性而加入的主要合金元素。不过其含量未曾超过1.90％。而在大直径链环淬火的场合，一度出现了降锰升铬添加钼提高贝氏体淬透性的技术。本发明则发现和利用了锰也能提高贝氏体淬透性的特点和改善闪光对焊工艺性能的技术，升锰降镍、钼、铬。提高了钢和链的性价比。锰低于1.95％，达不到上述效果；高于2.60％则产生成分偏析不易减轻或消除，从而影响组织和机械性能、工艺性能的均匀性和其他附加性能，例如氢脆敏感性。尤其应予指出的是钢、链含锰1.95％以上，组织中马氏体的含量不增反减。由于软、硬相的合理搭配，淬火-高温回火钢的屈强比可控；具有复合贝氏体(BU+BL+M)组织的钢、链的横截面的边缘和中心，母材与焊缝的强度差大幅度减小。对焊缝机械性能的考核也成为可能。总之，与现有的降锰升铬添加钼技术比较，提高的锰量与其他元素配合的本发明钢，也能提高和稳定从奥氏体化温度冷却过程中奥氏体的相变温度，增加贝氏体/马氏体淬火组织基体中贝氏体的体积分数，扩大稳定形成贝氏体相的冷却速度范围，克服超高强度钢裂纹敏感性高，热处理敏感性高，尤其是大直径链连续热处理的生产性差的难题，并为满足发明钢回火后的可控低屈强比创造了条件。尤其是碳化物形成元素铬的降低，M3C型碳化物FeCr3C减少，有利于减轻微电池效应，改善腐蚀性能。

Si 0.15～0.50％

硅可提高钢的强度及淬透性，与锰也同样有脱氧效果，而且提高海水中钢、链的腐蚀性能。本发明控制其残余含量为0.15％及以上。但是硅含量过高，将影响韧性。因此设定其上限为0.50％。

Cr 0.45～1.20％

铬也是提高链钢强度及淬透性，增加回火稳定性和海水中耐蚀性的主要元素。铬含量不应低于0.45％。由于本发明钢已经有多量锰的加入，考虑成本和效果，其上限定为1.20％。

Ni 0.02～1.20％

根据船规，四级以上链钢的镍含量不得小于0.20％。镍在闪光焊接时不易烧损，有利于提高焊缝的均匀性。但含量过高增加成本。而且由于提高链的腐蚀电位，容易受阴极过保护而影响应力腐蚀(SCC)敏感性。本发明钢规定添加量不超过1.20％。镍的碳当量(Ceq)系数较低，必要时可以用于平衡Ceq，不使Ceq过高。镍提高淬透性，又保证链环，包括焊口部分良好的应变滑移能力，降低脆性转变温度，有利于改善链环焊口的低温韧性。其固溶强化作用较弱。

Mo 0.008～0.250％

钼推迟钢的铁素体-珠光体转变，防止回火脆性，显著提高钢的冲击韧性，钼也提高钢的耐蚀性，并且是闪光焊接时不易烧损的元素。钼，钼与铬，特别是与锰组合可以稳定贝氏体含量，控制贝氏体/马氏体比例，提高相变温度，降低裂纹敏感性，有利于链环横截面上性能的稳定和屈强比的控制。由于钼归类于贵重元素，增加钢材成本。与传统链钢含钼≥0.45％，直径≥160mm时，含钼0.5％以上性能才能稳定的技术相比，本发明以锰代钼，减少了钼的一半以上用量。

(V+Ti+Nb)≤0.35％

微合金元素V，Ti，Nb的作用有强化、细化和氢陷阱作用等方面，也是近10年来海工链钢中的常用元素。由于原材料和炉衬等因素，钛是不可避免的。在本发明中钒作为强化元素，形成1～4nm的极限细小的VCN。这些VCN不仅是高能量的强氢陷阱，起限制扩散性氢脆化钢的作用，而且提高微区屈服强度，减少微区应变(微屈服)导致的氢局部聚集，从另一方面降低HE敏感性。就本发明而言，钢、链的最高抗拉强度并未达到R6级的1250MPa，与其说加钒是必要的，不如说加钒是充分的，补充的。即加钒起到扩大工艺窗口的作用。可以综合考虑成本、设备、操作等推荐决定添加与否。铌作为细化元素，可以补充铝(AlN)、钛(TiN)细化作用的不足。考虑成本因素，规定三者之和不超过0.35％。

Cu≤0.40％，

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，少量铜不会诱发表面热脆裂纹，却可以提高钢的大气耐候性，有利于链厂存储和计划安排。铜或也有利于链环在浪花飞溅区的耐腐蚀性。不过这一使用场合的数据还不多，需要积累。不超过0.4％的铜提高钢的抗海水腐蚀性能。铜Ceq系数较低，价格比镍便宜，可以适当利用。不过含量过高，可能降低链环表面氧化膜的致密性。

Al 0.005～0.250％；

铝是主要脱氧元素，而且能够形成AlN，细化晶粒，微量铝改善链条母材及焊缝处的综合力学性能，铝超过0.2％时也能够提高钢的耐蚀性能。合金结构钢钢以铌细化晶粒时，铝的作用可以仅是脱氧，允许出钢吊包时的残余铝不小于0.005％。本发明的实施显示了铝的耐海水腐蚀倾向，并且限制其≤0.250％,控制其对相变的影响。应用较高铝的前提是闪光对焊工艺到位，限制焊口氧化物夹杂的尺寸和数量不超过正常水平。

N 0.004～0.024％；

钢中氮是不可避免的，而固定成AlN、TiN、VN、NbN，可以防止应变时效，细化晶粒和/或提高强度。冶炼工程师以降低结构钢的氧、氢、氮目标。而发明人通过实际的应用感受到以固态相变核心形式存在的化合物中的氧，作为轻元素的氮，它们的潜力有待发挥。氮的利用过程中既要防止自由氮或固溶氮过多，在钢液凝固过程中形成气孔，又要防止微合金氮化物析出增加裂纹敏感性。本发明允许产品钢、链的实际氮量为0.004～0.024wt％。需要注意的是形成所需尺度范围的化合物中的有效氮与微合金元素的结合遵循化学当量规律。偏离此规律的“控制氮与微合金元素技术”达不到应有效果。

H≤0.00015％

为了防止内在氢引起钢材缺陷，规定经过炉外精炼-真空脱气后等待出钢的钢水的氢量≤ 0.00015％。

O≤0.0020％

为降低氧化物夹杂级别和总量，规定了氧的上限。

(Sn+As+Sb)≤0.06％，

与硫、磷相似，锑、砷、锡等Tramp元素也脆化原奥氏体晶界，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，其总量允许不超过0.06％。

本发明的第二个目的在于提供一种上述的系泊链钢的生产工艺，包括如下步骤，

S1、其出钢成分质量百分比为，C 0.18～0.32，Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr0.45～ 1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40，S≤0.005，Al 0.005～0.900，(V+Ti+Nb) ≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，N 0.004～0.024，O≤0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质；

S2、按照上述出钢目标成分配比，采用电炉或转炉初炼，而后经炉外精炼或真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯；

S3、将所述钢锭加热至1150～1300℃后，进行锻造或轧制成圆钢。

具体地，在步骤S1中，采用电炉或转炉初炼过程中使用的金属原料为铁水、生铁、废钢、铁合金、海绵铁、金属氧化物和矿石中的一种或任意两种以上的混合。

具体地，在步骤S2中，所述钢锭的截面积与成品圆钢的截面积之比≥7。

具体地，在步骤S3之后，还包括步骤S4、将所述圆钢进行矫直和砂轮磨剥或车削后，按照船级社规范探伤、取样和测试。

本发明的第三个目的在于一种系泊链，采用上述的系泊链钢制成的圆钢制备而成。

所述系泊链整体热处理后在三分之一半径处基体的性能和基体与焊缝的冲击功，其最小值为，

其中，ABS，美国船级社；DNVGL，挪威船级社；Rm，抗拉强度；Rp0.2，条件屈服强度；YR，屈强比；Aim value，目标值；A，延伸率；Z，断面收缩率；CVN，夏比V型缺口冲击功；B，环背；W，焊口。关于YR，本专利选择更高要求的ABS目标值。

本发明的第四个目的在于提供一种上述的系泊链的生产工艺，所述系泊链采用权利要求 1所述的泊系链钢依次经下料、加热1150～1300℃、弯环900～800℃、测温、闪光对焊、车底炉加热后保温、回火水冷，最后编链而成；其中，编成的链条在间歇式或立式连续式调质炉中进行热处理，其附件在间歇式调质炉中进行热处理。热处理步骤是：首先进行至少一次淬火处理，每次淬火温度＞890℃，水冷，水温小于50℃；淬火处理后再进行回火处理，回火温度为570～650℃，水冷或空冷。

具体地，热处理步骤是：首先进行至少一次淬火处理，每次淬火温度＞890℃，水冷，水温小于50℃；淬火处理后再进行回火处理，回火温度为570～650℃，水冷或空冷。

具体地，编成的链条及其附件在间歇式或立式连续式调质炉中进行两次次淬火处理。

本发明，与现有技术相比具有以下优点：

(1)首次生产涵盖市场所需的直径范围，提高了性能，降低了成本；

(2)本发明钢首次应用于闪光对焊工件，获得稳定强韧焊缝。原因之一是，与C0.22Mn CrNiMo钢比较，增Mn减Mo、Cr、Ni降低链环闪光对焊时的热变形阻力6～16％，容易形成结合良好的密合焊缝，焊缝韧性降低率大幅减小。原因之二是较传统钢的最终密接顶锻温度范围增加了工艺窗口，减少了保证焊缝密接稳定性的难度，稳定了焊接质量；本发明的R4 钢允许的最终密接顶锻温度约750～850℃；而传统R4钢允许的最终密接顶锻温度约800～85 0℃；

(3)实现一钢多用的简约管理：由于成分系的调整，减少了贵重合金元素的用量，因此可以实现一钢多用的简约管理。由于R3S、R4、R4S、R5级(R6级也是)钢具有相同的船级社成分和工艺规范，因此允许例如以R4级圆钢产品的成本生产R4级和R4S级钢和链；以 R3S级圆钢产品的成本生产R3S级和R4级钢和链。而这一过程在技术上只要变化回火参数就可以实现。例如各个级别的标准抗拉强度差别，R4S与R4，960-860＝100MPa，R4与R3S 相差860-770＝90MPa，高温回火温度±30℃波动范围内调整回火参数即可解决问题；便于大批量生产管理，降低制造成本，提高效率，实现链钢生产和链环制造的管理革命；

(4)消除了锭、坯表面的第3类裂纹：Nb、Al微合金化的低碳合金钢锭、坯的表面裂纹是废品的主要原因。由于增加了贝氏体淬透性，大截面锭坯不发生铁素体和珠光及相变。本发明的R3、R4、R4S(R5)钢不易发生因晶界析出铁素体而降低热塑性，在连铸矫直或锭、坯热送进加热炉的工序中不易发生低应变速率应变条件下致裂应力(外加机械应力或热应力) 导致的裂纹，消除了业内周知的低碳钢锭、坯表面的第3类裂纹，提高了产品的成坯率和生产效率，降低了成本；

(5)淬火在贝氏体区域相变的本发明横截面性能比较均匀；本发明有NbCN，AlN、TiN 单独或组合的多种阻止奥氏体晶粒长大的方法可供选择，提高综合性能和降低EAC敏感性；

(6)降低热塑性变形阻力，对大截面的闪光对焊非常有利；

(7)具有可靠的环境性能。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

本发明实施例1至实施例8和对比例1至对比例6的成分见表1：

表1：本发明的实施利和对比例的炼钢成分，wt％

实施例1～8中的系泊链钢的生产工艺如下：

S1、其出钢成分质量百分比为，C 0.18～0.32，Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr0.45～ 1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40，S≤0.005，Al 0.005～0.250，(V+Ti+Nb) ≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，N 0.004～0.024，O≤0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质；电炉，初炼过程中使用的金属原料为铁水、生铁、废钢、铁合金、矿石等。

S2、按照上述出钢目标成分配比，采用电炉初炼，而后经炉外精炼，真空脱气后浇注成钢锭，其中实施例8不脱气；所述钢锭的截面积与成品圆钢的截面积之比≥7；

S3、将所述钢锭加热至1150～1300℃后，进行锻造成圆钢；

S4、将所述圆钢进行矫直和砂轮磨剥后，进行探伤、取样和测试。

实施例1～实施例8的系泊链采用上述生产工艺制备的圆钢依次经下料、加热950～900℃、弯环完成850～800℃、测温、闪光对焊、编链、车底炉加热和淬火水冷-回火水冷；其中链条在间歇式调质炉中进行热处理。热处理步骤是：加热920℃水冷淬火，水温小于50℃；再加热至610℃回火，水冷。

现对实施例1～8和对比例1～6进行同等条件下的机械性能检测，检测结果如表1

表1

由此可见，

(1)对比例的Mn量分别超出发明范围的上下限。虽然增加了元素Cr、Ni，机械性能(屈强比或抗拉强度)仍然不能稳定达标；

(2)对比例3、4、5的成分几十年来一贯被使用。与实施例1～7比较，贵重合金元素Ni 或/和Mo的含量分别增加约一倍，相应地成本也会增加；

(3)对比例1,2的Mn量分别超出发明范围的上下限。甚至增加了元素Cr、Ni，强度仍然不能稳定达标(R4)或屈强比往往超过0.92；对比例1、5的的屈强比YR超过美国船级社ABS目标；对比例2、3、4是R4级链，其抗拉强度低于标准；对比例6是R3级链，其韧性不合格；

(4)与环背比较，焊缝韧性降低率＝1-(焊缝冲击/环背冲击)＝23～39％，仅是对比例42～ 73％的约一半。实施例机械性能稳定，塑性和韧性改善的现象显示，链环，尤其是大尺寸链环的制作中，排除焊渣的能力提升与实施例热变形阻力降低，焊缝密接性提高也有关联；

(5)对比例3、4、5的成分几十年来一贯被使用。与实施例比较，贵重合金元素Mo、Ni的含量分别增加约一倍，相应地成本也会增加。对比例1、5的的屈强比YR超过美国船级社ABS标准。对比例2、3、4是R4级链，其抗拉强度低于标准。对比例6是R3级链，其韧性不合格。对比例的焊缝韧性降低率击42～73％，对比例的Mn量分别超出发明范围的上下限。甚至增加了元素Cr、Ni，机械性能(屈强比或抗拉强度或韧性)仍然不合格。

表2为实施例5和7的海水中的腐蚀速率趋势和环境裂纹抗力性能表

表2

可见钢材和链的内在氢均在极低水平；增加Al、Cu，腐蚀速率有降低趋势；深海缺氧环境腐蚀速率降低一个数量级；提供了环境裂纹敏感性的数据。

表3为实施例和对比例横截面的r/3与心部的硬度(wt％)

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种系泊链钢，其特征在于，其组份含量按照质量百分比为，C 0.18～0.32，Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr 0.45～1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40，S≤0.005，Al 0.005～0.250，(V+Ti+Nb)≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，N 0.004～0.024，O≤0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质。

2.一种根据权利要求1所述的系泊链钢的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤，

S1、其出钢成分质量百分比为，C 0.18～0.32，Mn 1.95～2.60，Si 0.15～0.50，Cr0.45～1.20，Mo 0.008～0.250，Ni 0.02～1.20，Cu≤0.40，S≤0.005，Al 0.005～0.900，(V+Ti+Nb)≤0.35，(Sn+As+Sb)≤0.06，N 0.004～0.024，O≤0.002，H≤0.00015，余量为Fe和不可避免杂质；

S2、按照上述出钢目标成分配比，采用电炉或转炉初炼，而后经炉外精炼，和/或真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯；

S3、将所述钢锭或连铸坯加热至1150～1300℃后，进行锻造或轧制成圆钢。

3.根据权利要求2所述的系泊链钢的生产工艺，其特征在于，在步骤S1中，采用电炉或转炉初炼过程中使用的金属原料为铁水、生铁、废钢、铁合金、海绵铁、金属氧化物和矿石中的一种或任意两种以上的混合。

4.根据权利要求2所述的系泊链钢的生产工艺，其特征在于，在步骤S2中，所述钢锭或连铸坯的截面积与成品圆钢的截面积之比≥7。

5.根据权利要求2所述的系泊链钢的生产工艺，其特征在于，在步骤S3之后，还包括步骤S4、将所述圆钢进行矫直和砂轮磨剥或车削后，进行探伤、取样和测试。

6.一种系泊链，其特征在于，采用权利要求1所述的系泊链钢制成的圆钢制备而成。

7.根据权利要求6所述的一种系泊链，其特征在于，所述系泊链整体热处理后在三分之一半径处基体的性能和基体与焊缝的冲击功，其最小值为，

其中，ABS，美国船级社；DNVGL，挪威船级社；Rm，抗拉强度；Rp0.2，条件屈服强度；YR，屈强比；Aim value，目标值；A，延伸率；Z，断面收缩率；CVN，夏比V型缺口冲击功；B，环背；W，焊口。

8.一种根据权利要求6所述的系泊链的生产工艺，其特征在于，所述系泊链采用权利要求1所述的泊系链钢制成的圆钢依次经下料、加热1150～1300℃、弯环、测温、闪光对焊、编链、加热、淬火、水冷、回火、水冷或空冷；其中，编成的链条在间歇式或立式连续式调质炉中进行热处理；其附件在间歇式调质炉中进行热处理。

9.根据权利要求8所述的系泊链的生产工艺，其特征在于，热处理步骤是：首先进行至少一次淬火处理，每次淬火温度＞890℃，水冷，水温小于50℃；淬火处理后再进行回火处理，回火温度为570～650℃，水冷或空冷。

10.根据权利要求9所述的系泊链的生产工艺，其特征在于，编成的链条及其附件在间歇式或立式连续式调质炉中进行两次次淬火处理。