CN110578097A - 一种低成本r6级系泊链用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本R6级系泊链用钢，按质量百分比计，其化学组分为：C 0.02‑0.3，Mn 0.1‑1.8，Ni 0.2‑1.2，Si 0.05‑0.5，Cr 0.2‑2.0，Mo 0.02‑0.3，Al 0.01‑0.3，Cu 0.5‑2.5，V0.01‑1.5，Ti 0.01‑1.6，S≤0.005，P≤0.015，余为Fe和不可避免的杂质。所述合金钢的制备步骤为：用电炉或转炉熔炼，后用LF炉精炼、VD炉真空脱气并铸造成钢锭；连铸坯热轧；淬火及回火热处理。本发明制造的系泊链钢抗拉强度超过1100MPa，屈强比低于0.92，延伸率大于12%，‑20℃冲击功大于100J，完全满足R6级系泊链要求，同时显著减少贵重金属元素用量，节约成本，降低碳当量，提高焊接性能和耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本R6级系泊链用钢及其制造方法，属于合金钢技术领域。
背景技术
目前，用于深海半潜式钻井平台上的R6级系泊链是当今世界上最高等级的海洋系泊链，具有高强度、高韧性、耐腐蚀和抗疲劳的技术特征。由于系泊链的特殊使用环境，其长度往往超过1000米，如果使用R5级系泊链作为锚泊定位系统的锚链，其锚链直径至少达79mm，配套的锚机尺寸和重量以及锚链舱也需随之增大，对于空间和空船重量受限的深水半潜式钻井平台来说显然不适用，因此需要采用更高等级的R6级系泊链，既能控制尺寸和重量，又满足锚泊定位要求。
R6级系泊链应具有较高的强度和韧性，其抗拉强度≥1100MPa，V型缺口冲击吸收能量≥58J。由于R6级系泊链具有较大的热处理敏感性，因此在工艺设计或执行工艺时，如果热处理工艺稍有差异，对 R6级系泊链附件性能的影响就很大。由此可见，热处理工艺是R6系泊链附件制造过程中的关键技术之一。系泊链热处理要通过淬火+高温回火的调质工艺，使材料的强韧性得到最佳的匹配效果。随回火温度升高，韧性得以提高，然而强度显著下降，要实现高强高韧的性能指标，技术难度是很大的。
依靠铜纳米团簇析出获得强化是最有效、最有前途的强化机制之一，可在不明显损害塑韧性的条件下，显著提高强度，同时兼具优异的焊接性能和耐腐蚀性能。因此在系泊链钢中利用纳米析出强化可减少所需碳及合金元素的含量，提高强度及塑韧性，降低成本。且可扩大回火温度范围，显著降低生产技术难度。
中国专利200910236675.5提供了一种R5级系泊链的热处理工艺，其链条的钢材中所含元素按重量百分比包括：C：0.12-0.30，Mn：0.20-1.95，Si：0.15-0.50，Cr：0.50-2.50，Mo：0.20-0.60，Al：0.01-0.06，N：0.004-0.015，Ni＜1.50，Cu＜0.50，S≤0.005，P≤0.015，其余为Fe。其热处理工艺包括：淬火温度1000-1050℃，保温120-150分钟；回火温度600-650℃，保温150-200分钟。
中国专利201110365430.x提供了R5级系泊链配方及热处理工艺，其链条用钢化学成分重量百分比为：C：0.12-0.3，Mn：0.20-1.95，Si：0.15-0.50，Cr：0.50-2.50，Mo：0.20-0.60，Al：0.01-0.06，N：0.004-0.015，Ni＜1.50，Cu＜0.50，S≤0.005，P≤0.015，其余为Fe。其热处理工艺包括：淬火温度980-1050℃，保温160-200分钟；回火温度600-650℃，保温160-200分钟。
上述专利提供的系泊链钢碳含量及碳当量高，影响焊接性能；合金成分总体设置较高，不仅提高制备成本，也使得材料组织在交货时必须进行回火以消除组织应力；回火温度仍在下限不低于590℃的要求内，生产工艺难度较大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种低合金元素含量的低成本R6级系泊链用钢及其制备方法，该合金钢完全满足R6级系泊链强韧性配合要求。
本发明采取的技术方案为，一种低合金元素含量的低成本R6级系泊链用钢，按重量百分比计，其化学成分为：C 0.02-0.3，Mn 0.1-1.8，Ni 0.2-1.2，Si 0.05-0.5，Cr 0.2-2.0，Mo 0.02-0.3，Al 0.01-0.3，Cu 0.5-2.5，V0.01-1.5，Ti 0.01-1.6，S≤0.005，P≤0.015，余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，以重量百分比计，所述合金钢的化学组分为C 0.06-0.2，Mn 0.35-1.0，Ni0.5-1.2，Si 0.1-0.5，Cr 0.50-1.3，Mo 0.08-0.14，Al 0.02-0.2，Cu 1.0-2.1，V0.05-0.08，Ti0.04-0.08，S≤0.005，P≤0.015，其余为Fe。
其制造方法包括以下步骤：
（1）使所述低成本R6级系泊链用钢的化学组分构成的原料组合物依次经过电炉或转炉熔炼、LF炉精炼和VD炉真空脱气；
（2）精炼所得钢水连铸成坯；
（3）连铸坯热轧；
（4）奥氏体化并水冷淬火，回火热处理。
在本发明的一个优选实施例中，初轧温度1000~1250℃；终轧温度600~850℃；变形量50~90%
在本发明的一个优选实施例中，淬火温度880-950℃，保温时间25min-120min，后水冷，水温低于50℃；回火温度500℃-720℃，回火时间10min-300min，后水冷，水温低于50℃。
本发明化学组成成分的设计依据如下：
C是最有效的强化元素，除获得常规的马氏体强化及微米级碳化物强化以外，更主要的是通过在Cu团簇周围异质形核的纳米级碳化物TiC、VC等析出相获得强化。碳含量太低将增加冶炼成本，太高则显著降低塑性、低温韧性，增加裂纹敏感性，降低焊接性能。据此设计的C含量在0.02-0.30%之间。
Cu是主要的纳米析出元素，Cu的加入亦可细化晶粒、提高冲击韧性和疲劳强度。过低的Cu（＜0.5wt.%）起不到沉淀强化效果，而过高的Cu则易产生热脆现象。据此设计的Cu含量在0.5-2.5之间。
Ni是形成金属间化合物的重要元素，通过形成β-Ni(Mn, Al)、γ’-Ni3(Al, Ti,Si)和η-Ni3(Ti, Mo)等获得强化。且Ni可强化基体，提高基体韧性。富Ni金属间化合物倾向于偏聚在富Cu纳米相周围，提高富Cu纳米相的热稳定性和强化效果。此外由于富Ni金属间化合物的析出形成了富Ni区域，成为高温回火时逆变奥氏体的形核区域，利于产生大量细小的逆变奥氏体而增加塑韧性，并降低屈强比。但含量过高增加成本，且会增加钢的吸氢能力。据此设计的Ni含量在0.2-1.2之间。
Mn在系泊链钢中一般作为提高淬透性、强度和韧性的合金元素。在本发明中Mn与Ni共同形成金属间化合物获得强化。但锰容易产生成分偏析，影响组织和性能的均匀性，从而影响韧性和其他附加性能。据此设计的Mn含量在0.1-1.8之间。
Mo也是重要的强化元素，Fe2Mo、Mo2C，提高纳米Cu析出物的稳定性和强化效果。但是Ni、Mo为贵重合金元素，会增加成本，且易形成元素偏析，恶化钢的冷、热加工工艺性能。据此设计的Mo含量在0.02-0.3之间。
Cr提高钢的淬透性和耐腐蚀性，并能提高强度和硬度。但过多的Cr影响V、Ti、Mo等强化相的析出动力，因而不利于提高强度。据此设计的Cr成分在0.2-2.0之间。
V、Ti均属于微量元素，主要作用是在回火过程中析出纳米级碳化物，从而强化、净化基体，并阻碍晶粒长大。据此设计的V、Ti含量分别为0.01-1.5%和0.01-1.6%。
Si可通过间隙固溶的形式获得强化，从而同时提高抗拉强度和屈服强度。Si能显著阻碍碳的扩散，因而保证了碳化物的细小尺度。但过高含量的Si易产生硅酸盐夹杂，严重降低塑韧性，损害冷加工成型性。据此设计的Si含量在0.05-0.50之间。
Al需保证合适的含量以形成足够数量的Ni(Mn, Al)、Ni3(Al, Ti)等金属间化合物。Ti和Al共同加入比单独加入Ti时具有更好的强化效果。Al还是脱氧的主要元素，能形成细小AlN颗粒，细化晶粒。Al含量过多时，使钢液的流动性大幅下降，带来冶炼浇铸困难，产生的氧化铝夹杂还好恶化塑性和冲击性能。据此设计的Al含量在0.01-0.3之间。
本发明制造方法的设计依据如下：
初轧温度控制在1000~1250℃，可保证钢的塑性变形能力，变形量50~90%可获得足够的变形量以减少、消除铸态缺陷，同时可避免温度过高导致晶粒粗化并降低强度和塑韧性。
终轧温度为600~850℃，可引入大量位错和空位等缺陷，保留储存能，促进奥氏体化过程中的晶粒形核，从而细化晶粒，并为回火过程中纳米相的析出提供有利条件。
奥氏体化处理须有足够的温度和时间以保证合金元素充分溶解于奥氏体基体中，但温度过高或时间过长则导致晶粒过于粗大，且位错大量回复，不利于回火过程中碳化物及纳米析出物的析出强化。从据此设计的淬火工艺为淬火温度880-950℃，保温时间25min-120min，水冷。为保证足够的冷却速率，保证形成室温过饱和固溶体，水冷时水温须保持在50℃以下。
回火须获得碳化物弥散分布的回火索氏体组织，且纳米析出物的尺寸、数量适中，达到强韧性最佳匹配。回火温度低、时间短，则基体强度太高，缺口敏感性大，不能达到系泊链对高韧性的要求。回火温度高、时间长，则基体强度不足，且纳米相过于粗化，强化效果不足，不能达到系泊链对强度的要求。回火后的冷却过程中，由于钢中含有Cr、Ni等易析出于晶界的元素，须快速冷却来抑制晶界析出、提高韧性。据此设计的回火工艺为回火温度500℃-720℃，回火时间10min-300min，水冷。
与现有系泊链用钢相比，本发明钢合金元素含量低，极大减少成本，通过纳米析出物获得强化，可显著提高强度，且不损害塑韧性。在高温回火时形成少量逆变奥氏体，提高塑韧性，且降低屈强比。因此实现强韧性能的极佳匹配，完全满足R6级系泊链的性能要求。
附图说明
图1是根据本发明实施例1制造的低成本R6级系泊链用钢的基体组织扫描电镜图。
图2是根据本发明实施例1制造低成本R6级系泊链用钢的纳米析出相的透射电镜照片。
图3是根据本发明实施例1制造低成本R6级系泊链用钢的逆变奥氏体的透射电镜照片。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实施例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
实施例1
依次进行电炉熔炼、LF炉精炼、VD炉真空脱气和铸造制得系泊链钢，铸坯的化学组成成分为C 0.12，Mn0.83，Ni 0.55，Si 0.1，Cr 1.70，Mo 0.06，Al 0.11，Cu 2.12，V 0.25，Ti0.65，S≤0.005，P≤0.015。铸坯初轧温度1000℃，终轧温度600℃，变形量60%，加热至1100℃保温60min，水冷淬火，后于720℃回火10min并水冷淬火。
本实施例生产的系泊链钢基体组织为回火索氏体组织（见图1），具有良好的韧性和塑性。其间分布大量细小弥散的析出相，平均尺寸不足20nm（见图2）。纳米析出相引起的共格畸变对位错运动产生强烈的阻碍作用，强化效果显著，又由于纳米相与基体共格关系好，可使塞积位错切过纳米相继续运动，因此具有良好的塑韧性和较高的加工硬化能力。纳米相的析出创造了大量富Ni区域，为逆变奥氏体的形核提供有利条件，促进了细长条状逆变奥氏体的形成（见图3），奥氏体含量7.8%。逆变奥氏体富含Ni、C等元素，热力学稳定性好，在回火后冷却过程中不发生马氏体相变，但在形变过程中发生马氏体相变，耗散能量，避免微孔的产生和颈缩的提前发生，从而改善塑韧性，同时降低屈强比。其力学性能为：抗拉强度1130MPa，屈强比0.88，延伸率17.4%，-20℃冲击功120J。
实施例2
其它步骤同实施例1，铸坯的化学组成成分为C 0.28，Mn0.75，Ni 1.0，Si 0.23，Cr1.1，Mo 0.02，Al 0.08，Cu 1.2，V 0.07，Ti1.6，S≤0.005，P≤0.015。铸坯初轧温度1250℃，终轧温度600℃，变形量50%，加热至1250℃保温60min，水冷淬火，后于650℃回火45min并水冷淬火。
本实施例生产的系泊链钢为回火索氏体加细小逆变奥氏体和纳米析出相的组织。纳米相平均尺寸12nm，奥氏体含量11.3%。其力学性能为：抗拉强度1168MPa，屈强比0.85，延伸率19.6%，-20℃冲击功148J。
实施例3
其它步骤同实施例1，铸坯的化学组成成分为C 0.02，Mn1.78，Ni 1.2，Si0.05，Cr1.21，Mo 0.3，Al 0.29，Cu 2.43，V 0.32，Ti 0.41，S≤0.005，P≤0.015。铸坯初轧温度1250℃，终轧温度850℃，变形量90%，加热至880℃保温120min，水冷淬火，后于500℃回火900min并水冷淬火。
本实施例生产的系泊链钢基体组织为回火索氏体，其间分布大量细小弥散纳米析出相，平均尺寸6nm。其力学性能为：抗拉强度1231MPa，屈强比0.91，延伸率15.2%，-20℃冲击功103J。
实施例4
其它步骤同实施例1，铸坯的化学组成成分为C 0.15，Mn0.14，Ni 0.2，Si0.5，Cr 0.2，Mo 1.0，Al 0.11，Cu 1.25，V 1.3，Ti 0.8，S≤0.005，P≤0.015。铸坯初轧温度1200℃，终轧温度700℃，变形量80%，加热至1050℃保温120 min，水冷淬火，后于550℃回火300min并水冷淬火。
本实施例生产的系泊链钢基体组织为回火索氏体，其间分布大量细小弥散纳米析出相，平均尺寸20nm。其力学性能为：抗拉强度1205MPa，屈强比0.91，延伸率16.8%，-20℃冲击功115J。
实施例5
其它步骤同实施例1，铸坯的化学组成成分为C 0.22，Mn0.57，Ni 0.7，Si 0.35，Cr1.46，Mo 0.21，Al 0.06，Cu 1.33，V 1.45，Ti0.01，S≤0.005，P≤0.015。铸坯初轧温度1100℃，终轧温度800℃，变形量80%，加热至800℃保温120 min，水冷淬火，后于700℃回火120min并水冷淬火。
本实施例生产的系泊链钢为回火索氏体加细小逆变奥氏体和纳米析出相的组织。纳米相平均尺寸30nm，奥氏体含量7.6%。其力学性能为：抗拉强度1154MPa，屈强比0.88，延伸率17.4%，-20℃冲击功131J。
对比例1
其它步骤同实施例1，冶炼所得铸坯化学组成成分为C 0.23，Mn0.81，Ni 0.8，Si 0.33，Cr 1.96，Mo 0.45，Al 0.06，Cu 0.13，V 1.45，Ti0.01，S≤0.005，P≤0.015。铸坯经热轧后，加热至950℃保温90min，水冷淬火，后于550℃回火60min并水冷淬火。抗拉强度1036MPa，屈服强度932MPa，延伸率21.3%，-20℃冲击功154J。
对比例2
其它步骤同实施例1，冶炼所得铸坯化学组成成分为C 0.18，Mn1.2，Ni 0.64，Si0.43，Cr 2.5，Mo 0.62，Al 0.12，Cu 1.73，V 1.6，Ti0.06，S≤0.005，P≤0.015。铸坯经热轧后，加热至900℃保温120min，水冷淬火，后于550℃回火60min并水冷淬火。抗拉强度1158MPa，屈服强度1065MPa，延伸率11%，-20℃冲击功35J。
对比例3
其它步骤同实施例1，冶炼所得铸坯化学组成成分为C 0.22，Mn1.51，Ni 0.89，Si0.22，Cr 1.04，Mo 0.35，Al 0.08，Cu 1.56，V 0.05，Ti0.09，S≤0.005，P≤0.015。铸坯经热轧后，加热至850℃保温120min，水冷淬火，后于550℃回火60min并水冷淬火。抗拉强度1058MPa，屈服强度982MPa，延伸率19.8%，-20℃冲击功159J。
对比例4
其它步骤同实施例1，冶炼所得铸坯化学组成成分为C 0.07，Mn0.5，Ni 1.11，Si 0.46，Cr 1.44，Mo 0.24，Al 0.25，Cu 2.12，V 1.2，Ti1.17，S≤0.005，P≤0.015。铸坯经热轧后，加热至1000℃保温60min，水冷淬火，后于450℃回火90min并水冷淬火。抗拉强度835MPa，屈服强度730MPa，延伸率20.9%，-20℃冲击功213J。
对比例5
其它步骤同实施例1，冶炼所得铸坯化学组成成分为C 0.14，Mn1.25，Ni 0.77，Si0.31，Cr 1.15，Mo 0.16，Al 0.19，Cu 2.0，V 0.04，Ti0.07，S≤0.005，P≤0.015。铸坯经热轧后，加热至950℃保温60min，水冷淬火，后于750℃回火60min并水冷淬火。抗拉强度1012MPa，屈服强度906MPa，延伸率15.3%，-20℃冲击功96J。
本发明所述制造方法提供的系泊链用钢的合金元素全面低于现有技术，通过廉价合金元素Cu及微量V、Ti获得强化，在降低成本的同时，本发明所述的系泊链钢抗拉强度超过1100MPa，屈强比低于0.92，延伸率大于12%，-20℃冲击功大于100J，完全满足R6级系泊链要求，同时显著减少贵重金属元素用量，节约成本，降低碳当量，提高焊接性能和耐蚀性能。
Claims (6)
1.一种低成本R6级系泊链用钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学成分为C 0.02-0.3，Mn 0.1-1.8，Ni 0.2-1.2，Si 0.05-0.5，Cr 0.2-2.0，Mo 0.02-0.3，Al 0.01-0.3，Cu0.5-2.5，V0.01-1.5，Ti 0.01-1.6，S≤0.005，P≤0.015，余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种低成本R6级系泊链用钢，其特征在于，以重量百分比计，其化学组分为C 0.06-0.2，Mn 0.35-1.0，Ni 0.5-1.2，Si 0.1-0.5，Cr 0.50-1.3，Mo 0.08-0.14，Al 0.02-0.2，Cu1. 0-2.1，V0.05-0.08，Ti0.04-0.08，S≤0.005，P≤0.015，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种低成本R6级系泊链用钢的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）使如权利要求1或2所述低成本R6级系泊链用钢的化学组分构成的原料组合物依次经过电炉或转炉熔炼、LF炉精炼和VD炉真空脱气；
（2）精炼所得钢水连铸成坯；
（3）连铸坯热轧；
（4）淬火及回火热处理。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（3）中，初轧温度1000~1250℃；终轧温度600~850℃；变形量50~90%。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（4）中，淬火温度880-1250℃，保温时间25min-120min，后水冷，水温低于50℃。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（4）中，回火温度500℃-720℃，回火时间10min-300min，后水冷，水温低于50℃。
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