CN101182622A

CN101182622A - 一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢及其生产工艺

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Publication number: CN101182622A
Application number: CNA2007101914575A
Authority: CN
Inventors: 何达平; 王忠英; 尹修刚; 张小华; 王刚
Original assignee: Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CN100516275C

Abstract

本发明公开了一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢及其生产工艺。其化学成分(wt％)为：C 0.18－0.25％，Si 0.10－0.35％，Mn 1.40－1.80％，Cr0.80－1.40％，Ni 0.60－1.20％，Mo 0.40－0.70％，Nb 0.02－0.06％，Al0.02－0.06％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0018％，[N]≤0.0060％，余为Fe。本发明通过成分优化设计，避免了产生马氏体组织，从而在母材不采用退火工艺的情况下，长时间放置材料组织也不会发生转变而产生中心裂纹，同时节约了贵重金属Ni。本发明采用RH/VD进行脱气和去除夹杂物，可显著提高钢的洁净度，并通过采用转炉冶炼降低能耗，节约成本。

Description

一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉及高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢钢种设计及其生产工艺。

背景技术：

随着现代工业的发展，对海洋资源的开发越来越深入。尤其是深海采油、海洋勘探、国防建设等海洋设施都需要使用大量的系泊链，由于海洋及深海的恶劣作业环境及海洋设施的大型化，尤其是恶劣的气候和超低的温度，超大的负荷，都对系泊链的综合性能提出了苛刻的要求，不仅要求材料强度高，韧性好，还要求材料具有良好的耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损以及良好的焊接性能和焊口低温冲击韧性。制造系泊链的棒材直径一般为φ70mm-φ160mm，其中70％以上都集中在φ70mm-φ130mm，整条链的长度可以达到2000m。R4级系泊链的抗拉强度要求大于等于860MPa，屈服强度大于等于580MPa。系泊链的制造工艺为：棒材下料→热弯→闪光焊→链条整体淬火→链条整体回火。对于大型链条在其表面和焊缝处极易产生淬火和回火裂纹，一旦产生这种缺陷，其中有裂纹的链环必须从整条链中去除并重新制作，因而会大幅度地增加成本，降低生产效率，同时由于焊缝处材料属于铸态组织，而且主要元素有一定的烧损和堆积，会降低焊缝处的力学性能。

目前国内能够批量生产并获得专利的R4级系泊链钢的生产厂家，只有兴澄钢铁公司(专利号：00109053.4)，其采用的工艺为电炉生产工艺。但是，由于合金成分总体设置高，导致材料的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出现马氏体转变，从而产生组织应力，导致材料出现内部裂纹，一旦出现内裂现象，材料将整体报废，同时成分中的Ni含量较高，这样不仅增加了成本，而且造成资源的浪费。

专利号：00109053.4的系泊链钢与本发明的钢种对比情况如下。(重量比％)

元素	C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	Ni	Al	Nb	Sn	Sb	As	B
元素	C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	Ni	Al	Nb	Sn	Sb	As	B	本发明	0.22	0.22	1.50	1.28	0.50	0.012	0.004	0.80	0.026	0.03	0.02	0.0006	0.005	0.0005
专利钢	0.28	0.27	1.58	1.00	0.58	0.014	0.006	1.12	0.029	0.04	0.02	0.008	0.03	0.003	本发明	0.22	0.22	1.50	1.28	0.50	0.012	0.004	0.80	0.026	0.03	0.02	0.0006	0.005	0.0005

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢及其生产工艺，通过成分优化设计，避免产生马氏体组织，从而在母材不采用退火工艺的情况下，长时间放置材料组织也不会发生转变，避免了制链母材长时间放置因组织转变造成的母材中心裂纹缺陷，同时通过成分优化设计，节约Ni资源，达到节约能源、降低成本的目的。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢，其特征在于它的化学成分(wt％)为：C 0.18-0.25％，Si 0.10-0.35％，Mn 1.40-1.80％，Cr 0.80-1.40％，Ni0.60-1.20％，Mo 0.40-0.70％，Nb 0.02-0.06％，Al 0.02-0.06％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0018％，[N]≤0.0060％，余为Fe。

棒材的直径φ＞130mm，上述钢化学成分(wt％)中的Ni含量为0.80-1.20％；棒材的直径φ≤130mm，上述钢化学成分(wt％)中的Ni含量为0.60-0.90％。

一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢的生产工艺，包括下列步骤：

(1)冶炼：在转炉或电炉中冶炼，加入铁水及废钢，实现预脱P及成分初调；

(2)LF精炼：在LF炉中脱S、脱O及成分微调；

(3)RH/VD精炼：在RH/VD中精炼，实现真空脱气，保证[H]≤0.00015％，并去除夹杂物；该步骤或放于步骤(2)前进行；

(4)连铸：在连铸机上浇成φ380mm-500mm的圆坯；

(5)轧制：采用连轧、半连轧，压缩比≥5，轧制成系泊链用钢的棒材；

(6)无损探伤：采用超声波及涡流探伤机组进行棒材的表面及内部质量的检验。

下面具体说明本发明高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢化学成分的限定理由。

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，并会降低材料的焊接性能，C是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。如果C含量低于0.18％，材料的强度和力学性能指标达不到客户使用要求，如果C含量高于0.25％，材料的塑性指标、焊接性能及低温冲击性能则达不到客户使用要求，所以本钢种C含量取0.18-0.25％。对比钢C含量为0.25％-0.33％，使系泊链母材塑性降低，低温冲击性能差，因此必须通过提高稀有金属Ni来提高材料的低温冲击性能，本发明在保证材料使用性能的前提下，通过降低C来节约贵重金属Ni，这是本发明的创新点之一。另一方面，由于对比钢中C和Ni含量高，导致材料的组织为半马氏体钢，在材料交货时应进行退火，否则材料在放置过程中会出现马氏体转变，从而产生组织应力，导致材料出现内部裂纹，一旦出现内裂现象，材料将整体报废。本钢种通过降低材料的C、Ni，使材料的组织为珠光体和铁素体，从而省去了退火工艺，又避免了材料因组织转变而导致的内裂现象。这是本发明的一大特点。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.15％才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn、Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.15-0.35％。

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于1.40％时，材料的力学性能和淬透性能均很难达到系泊链的使用要求，当Mn含量高于1.80％时，大大增加了材料的淬火裂纹倾向，且加大了工件淬火后的变形趋势，对系泊链整体淬火工艺十分不利，所以Mn含量确定为1.40-1.80％。

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，能抑制和降低C的扩散速度，减少钢在焊接时C的烧损，提高焊缝处的力学性能。Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，如果Cr低于0.80％材料淬透性达不到要求，同时材料抗腐蚀和耐磨性差，如果高于1.40％材料的塑性指标将受到影响，同时过高的Cr会形成氧化物夹杂，降低钢的冲击韧性，增加材料淬火变形，所以确定Cr含量为0.80-1.40％。

Mo：能提高钢的淬透性、热强性，并能提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向等作用。可以明显地改善钢材焊缝处的淬火特性，减少淬火裂纹，提高焊缝处的冲击韧性。当Mo含量超过0.70％时，对材料性能改善的效果不明显，所以综合考虑，本发明取Mo含量为0.40-0.70％。

Ni：与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相或γ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，可以明显的改善钢材焊缝处的冲击性能，并提高钢的耐腐蚀性能。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素。是一种重要的战略物资。作为合金化元素，能不用的尽量不用，不能不用的尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落现象，给链环制造工序增加困难。Ni是提高材料屈强比元素之一，过高的Ni含量不利于获得低的屈强比。所以本发明Ni范围取0.60％-1.20％，规格φ＞130mm，Ni含量为0.80-1.20％；φ≤130mm，Ni含量为0.60-0.90％。与对比钢相比在保证材料使用性能的前提下，大大地节约了战略物资Ni，同时Ni对提高材料的屈强比有显著作用，本钢种降低Ni含量也起到降低材料屈强比的作用，从而提高了材料的抗震和抗冲击能力。

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时提高钢的低温性能和耐蚀性能。但如果Al含量过高，容易形成硬的Al₂O₃夹杂，降低钢的疲劳寿命，恶化钢的冲击韧性。

Nb：细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的粗化晶粒温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力等。同时，Nb对降低钢中的气体含量及改善钢的低温冲击韧性有显著作用。当Nb含量高于0.06％时，作用不再增加。所以，Nb含量定为0.02％-0.06％。

残余元素P、S、Sn、Sb、As、Cu、B等，实践证明，P、S、Sn、Sb、As在晶间偏聚造成晶界脆化，会造成材料高温回火脆性，同时P、As、Sb超过一定含量时，对钢材的脆性转变温度提高很多，造成材料低温冲击韧性低，恶化钢材的综合力学性能。所以本发明对上述残余元素作了相关的规定。对于B元素当其含量高于0.005％时，在材料淬火时，如果材料断面较大淬不透时，容易在材料的心部形成针状铁素体，从而使材料的整体力学性能将大大地降低。所以本发明要求B≤0.005％。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0018％以内，这是本发明工艺的优势之一。

N：主要起固溶强化和沉淀强化的作用，但N导致钢的时效及蓝脆现象，过高的N还会造成钢的疏松和气泡。本发明及生产工艺可以将N控制在0.0060％以下。这是本发明工艺的一个优势。

按照本发明生产的系泊链棒材，性能如下：抗拉强度R_m＝890-1050MPa、屈服强度R_e1＝730-780MPa、伸长率A₅＝19-25％、断面收缩率Z＝66-72％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝145-180J。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、本发明依据系泊链对材料的整体要求，改进了生产工艺和产品配方，在不降低材料使用性能的前提下，采用较低的合金含量，得到铁素体+珠光体组织，避免了马氏体组织的出现，避免了制链母材长时间放置因组织转变造成的母材中心裂纹缺陷，省去了材料的退火工艺。

二、本发明在节约了贵金属Ni合金的前提下，采用较低的C，使材料具有较高的低温韧性。

三、本发明钢具有高强度、耐腐蚀、高韧性以及较低的屈强比，还具有塑性好，焊接性能好，低温冲击性能好的优点。

四、本发明采用RH/VD工艺，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。

五、本发明利用转炉具有高能效比的优点，既节约能源，通过工艺调整，又实现了在转炉上冶炼高合金钢(一般转炉炼钢合金比要求低于3％，本发明使转炉冶炼的材料合金比达到4％)。

具体实施方式：

实施例1：采用以下生产工艺制备：

(1)冶炼：在60吨以上的顶底复吹式转炉中，加入铁水及废钢，实现预脱P及成分初调；

(2)LF精炼：在60吨以上的LF炉中脱S、脱O及成分微调；

(3)RH/VD精炼：采用60吨以上RH/VD精炼，实现真空脱气，保证[H]≤0.00015％和去除夹杂物；

(4)连铸：采用意大利达涅利公司生产的R14m的6机6流连铸机，浇成φ380mm-500mm的圆坯；

(5)连轧：采用一架开坯，6架连轧机组，轧制成系泊链用钢的棒材；

(6)无损探伤，采用超声波及涡流探伤机组进行棒材的表面及内部质量的检验。

所得钢的化学成分：

C 0.22％，Si 0.22％，Mn 1.49％，Cr 0.97％，Ni 0.81％，Mo 0.42％，Nb0.036％，Al 0.031％，S 0.0040％，P 0.012％，B 0.0005％，Cu 0.02％，Sb 0.003％，Sn 0.0015％，As 0.006％，[O]0.0013％，[N]0.0042％，余为Fe。

φ110mm棒材经过整体调质(900℃水淬火，620℃水回火)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝895MPa、屈服强度R_e1＝740MPa、伸长率A₅＝23.5％、断面收缩率Z＝68％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝155J。

实施例2

C 0.24％，Si 0.20％，Mn 1.52％，Cr 1.10％，Ni 1.00％，Mo 0.58％，Nb0.040％，Al 0.022％，S 0.0030％，P 0.010％，B 0.0003％，Cu 0.01％，Sb 0.002％，Sn 0.0015％，As 0.006％，[O]0.0010％，[N]0.0048％，余为Fe。

φ150mm棒材经过整体调质(900℃水淬火，620℃水回火)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝930MPa、屈服强度R_e1＝840MPa、伸长率A₅＝19％、断面收缩率Z＝66％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝145J。

其余实施如实施例1。

实施例3

C 0.22％，Si 0.23％，Mn 1.50％，Cr 1.28％，Ni 0.80％，Mo 0.50％，Nb0.030％，Al 0.026％，S 0.0040％，P 0.012％，B 0.0005％，Cu 0.01％，Sb 0.006％，Sn≤0.02％，As 0.005％，[O]≤0.0014％，[N]≤0.0046％，余为Fe。

φ95mm棒材经过整体调质(900℃水淬火，620℃水回火)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝910MPa、屈服强度R_e1＝745MPa、伸长率A₅＝25％、断面收缩率Z＝71％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝148J。

其余实施如实施例1。

本发明的系泊链用钢经过正茂集团使用后，系泊链产品的性能如下：

系泊链的制链工艺为：采用闪光预热对焊专用机组将棒材进行编环对焊，链条制成后，需在立式连续式调质炉中进行调质：淬火温度870-920℃，水冷至室温，580-630℃，水冷至室温。在链环的环背及焊缝处取拉伸及冲击试样，其φ110mm棒材制成的链环，检验结果如下：

环背：抗拉强度R_m＝900MPa、屈服强度R_e1＝745MPa、伸长率A₅＝22％、断面收缩率Z＝71％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝150J。

焊缝：抗拉强度R_m＝897MPa、屈服强度R_e1＝741MPa、伸长率A₅＝18％、断面收缩率Z＝69％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝111J。

Claims

1.一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢，其特征在于：它的化学成分(wt％)为：C 0.18-0.25％，Si 0.10-0.35％，Mn 1.40-1.80％，Cr 0.80-1.40％，Ni 0.60-1.20％，Mo 0.40-0.70％，Nb 0.02-0.06％，Al 0.02-0.06％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0018％，[N]≤0.0060％，余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢，其特征在于：棒材直径φ＞130mm，所述化学成分(wt％)中的Ni含量为0.80-1.20％；棒材直径φ≤130mm，所述化学成分(wt％)中的Ni含量为0.60-0.90％。

3.根据权利要求1或2所述的一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括下列步骤：

(2)LF精炼：在LF炉中脱S、脱O及成分微调；

(4)连铸：在连铸机上浇成φ380mm-500mm的圆坯；

(5)轧制：采用连轧或半连轧，压缩比≥5，轧制成系泊链用钢的棒材；

4.根据权利要求3所述的一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢的生产工艺，其特征在于：所述的步骤(1)是在60吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，步骤(2、3)LF精炼、RH/VD精炼的设备容量与之匹配。

5.根据权利要求3所述的一种高强度、耐腐蚀、高韧性的系泊链用钢的生产工艺，其特征在于：所述的步骤(5)为采用一架开坯，6架连轧机组，轧制成系泊链用钢的棒材。