CN118773516B - 一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁生产技术领域，提供了一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法，所述锻钢按照质量百分比包括：C≤0.06%，Si≤0.05%，0.60%≤Mn≤1.00%，6.0%≤Ni≤8.0%，0.80%≤Cr≤1.20%，1.0%≤Cu≤1.60%，0.15%≤Al≤0.25%，Nb≤0.05%，P≤0.005%，S≤0.005%，气体元素[O]≤15ppm、[N]≤30ppm、[H]≤1ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过科学的成分设计，结合先进的制备工艺，精确控制各步骤的参数，实现了锻钢综合性能的显著提升，最终制得了既具备高强度、高韧性又具有良好耐蚀性的大厚度锻钢。

Description

一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁生产技术领域，特别涉及一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，深海探索和石油化工领域对高性能材料的需求日益增加。特别是深海装备的下潜深度不断增加，以及石化压力容器的工作压力逐渐提高，对结构材料的性能提出了更为严苛的要求。传统的材料已经难以满足这些高端应用的需求，因此，开发新型高性能材料成为了科研领域的热点之一。

深海装备，如潜水器、海底探测器等，需要承受极高的静水压力，这就要求其耐压结构材料不仅要有足够的强度来抵抗外部压力，还必须具备优良的低温韧性和耐腐蚀性，以应对深海极端环境。同时，石化压力容器作为储存和传输高压、高温、腐蚀性介质的关键设备，其制造材料同样需要达到高强度、高韧性和良好的焊接性能，以确保设备的安全稳定运行。

随着深海装备下潜深度增加、压力容器承压增大，其结构材料强度逐渐升高，现已对800MPa级高强钢提出了应用需求。在用最大厚度为120mm的800MPa级钢板，用于深海装备耐压结构、石化压力容器制造时，现有的800MPa级高强度钢板材料在实际应用中暴露出了一些显著的问题：

（1）制造难度大：特别是当钢板厚度达到120mm以上时，采用“钢板多块成型+拼焊”工艺进行制造变得极为复杂且困难。多块钢板的拼接不仅增加了工艺步骤，还引入了更多的焊接接头，这些接头往往是结构中的薄弱环节，容易引发应力集中和裂纹扩展。

（2）成型与焊接问题：大厚度钢板的成型需要大型压力机，对设备能力提出了极高的要求。同时，大厚度钢板的焊接难度也非常大，通常需要焊前预热和焊后热处理来减少焊接应力，防止裂纹的产生。这些额外的热处理步骤不仅增加了制造成本，还延长了生产周期。

（3）材料性能要求高：深海装备和石化压力容器的工作环境复杂多变，要求材料不仅具有高强度，还需要在低温下保持良好的韧性及焊接性，以及优异的耐腐蚀性。然而，传统的800MPa级钢板在低温韧性和耐腐蚀性方面往往难以同时满足这些要求。

查阅相关专利和文献资料，发现目前关于800MPa级高强度材料的研究主要集中在钢板领域，而这些钢板大多采用轧制成型工艺生产。发明专利CN103320690A、CN104294162A、CN110616369A、CN111621711A介绍的800MPa级钢板/线材，均为轧制成型。轧制成型虽然生产效率较高，但在材料的纯净度、组织均匀性和综合性能控制方面存在一定的局限性。而锻钢采用水压机/压力机锻造成型，两者核心生产工艺有着本质区别。相比之下，锻钢采用水压机或压力机进行锻造成型，能够显著改善材料的致密性和组织均匀性，从而提高材料的综合性能。

然而，现有的高强锻钢产品在成分设计上普遍存在碳含量偏高的问题。虽然高碳含量有助于提高材料的强度，但同时也显著降低了材料的焊接性能和韧性。依据《12CrNi5MoV锻钢焊接热影响区组织和性能影响》、《超壁厚12CrNi5MoV钢锻件组织和力学性能影响研究》、《12CrNi5MoV锻钢的回火脆特性研究》等文献，船舶用785MPa级12CrNi5MoV锻钢碳(C)含量基本在0.11%以上，材料的碳含量及焊接冷裂纹敏感性高。2018年8月公开的发明专利CN108474071A提出的高强度锻钢和大型锻造零件，碳(C)含量为0.40%～0.60%、锰(Mn)含量为0.7%～1.2%，结合合理的锻造工艺和热处理制度，锻钢抗拉强度不低于850MPa，-20℃冲击吸收能量22J～109J，主要用于曲轴制造。2021年10月公开的发明专利CN113462956A提出的一种大截面高淬透性高强度中锰锻钢及其制备方法，该锻钢碳(C)含量为0.10%～0.25%、锰(Mn)含量为5.0%～9.9%，拉强度不低于1000MPa，主要用于工程机械制造。可以看出，为了保证锻钢强度，现有高强锻钢产品均具有较高含量的碳(C)含量，但焊接性能均较差。

鉴于此，开展大厚度屈服强度800MPa级高韧耐蚀锻钢的研制具有重要的现实意义。这种新型锻钢材料不仅能够满足深海装备和石化压力容器对高强度、高韧性和耐腐蚀性的要求，还能够通过整体成型工艺减少焊接工作量，降低结构应力水平，从而提高构件的建造效率和服役性能。

综上所述，开发大厚度屈服强度800MPa级高韧耐蚀锻钢是应对深海装备和石化压力容器材料挑战的有效途径，对于推动相关领域的技术进步和产业发展具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法，旨在解决深海装备耐压结构及石化压力容器对高强度、高韧性、耐腐蚀钢材的需求，以及传统钢材在制造过程中遇到的冷成型难、焊接工作量大、结构应力高等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的第一个目的在于公开一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，按照质量百分比，其化学成分包括：C≤0.06%，Si≤0.05%，0.60%≤Mn≤1.00%，6.0%≤Ni≤8.0%，0.80%≤Cr≤1.20%，1.0%≤Cu≤1.60%，0.15%≤Al≤0.25%，Nb≤0.05%，P≤0.005%，S≤0.005%，气体元素[O]不高于15ppm、[N]不高于30ppm、[H]不高于1ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的第一个目的在于公开一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，用于制备如上述所述超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，包括如下步骤：

S1：超纯净钢锭制造：采用电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+氩气保护电渣的工艺，获得目标成分化学成分的超纯净钢锭；

S2：锻造成型，步骤S1制备的超纯净钢锭通过切头、拔长、墩粗、成型、修正过程进行锻造成型；

S3：性能热处理，钢锭锻造成型后需要通过热处理进行性能调控，结合锻钢成分及性能要求，锻钢热处理工艺为“一次正火+二次正火+两相区淬火+回火”。

进一步的，在步骤S1中，采用碱性电弧炉进行钢水粗炼，获得接近目标成分化学成分，电弧炉冶炼采用过氧化操作，氩气压力控制在0.6～1.0MPa，出钢时随钢流加入Al块。

进一步的，在步骤S1中，通过LF精炼进行脱硫、成分微调，选用C粉、Al粉、扩散脱氧剂等进行钢液脱氧。

进一步的，在步骤S1中，通过VD精炼进行真空脱气，减少钢中[O]、[N]、[H]气体含量，真空度不高于2乇，保持时间不低于25min。

进一步的，在步骤S1中，采用真空进行自耗电极浇注，浇注前至少30min用氩气置换浇注系统内空气。

进一步的，在步骤S1中，采用气保电渣炉进行电极棒重熔，控制其熔速为20±3~30±3kg/min的恒熔速。

进一步的，在步骤S2中，锻造前电渣锭首尾切重量不低于7.5%，锻钢镦拔次数不少于2次，锻造比控制在9以上，锻造温度定为900℃～1050℃。

进一步的，在步骤S2中，锻后锻坯空冷至500～550℃后入炉保温不低于20h后炉冷至室温。

进一步的，在步骤S3中，正火过程，锻件需完全奥氏体化进行保温，保温时间要保证锻件能够完成奥氏体化，正火过程保温温度定为850～870℃，保温时间为3～5min/mm，通过设置两次锻钢正火次数，实现晶粒充分细化；两相区淬火过程，采用保温温度定为740～780℃，保温时间为3～5min/mm，结合水冷冷却，形成“马氏体+少量铁素体”的锻钢两相区淬火态目标组织；回火过程采用保温温度520～580℃，保温时间为6～8min/mm，水冷冷却。

相对于现有技术，本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法具有以下优势：

（1）本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，厚度可达200mm，满足深海耐压及石化需求；屈服强度超800MPa，低温冲击吸收功卓越，耐蚀性佳，腐蚀速率低；锻造成型避免冷成型与焊接难题，提升建造效率与服役性能，显著提升材料性能。

（2）本发明所述的本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，通过优化合金成分和热处理工艺，其纯净度极高，气体元素含量极低，确保了钢材的高质量，钢材的强度、韧性和耐蚀性均达到了高水平，屈服强度不低于800MPa，低温冲击韧性优异，耐蚀性能也远超过传统钢材，结合采用的锻造成型工艺，避免了焊接工作量，减少了结构应力，提高了制造效率和构件的服役性能。

（3）本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法，通过科学的成分设计，结合先进的制备工艺，精确控制各步骤的参数，实现了锻钢综合性能的显著提升，最终制得了既具备高强度、高韧性又具有良好耐蚀性的大厚度锻钢，显著提升了材料的综合性能，满足了深海装备耐压结构和石化压力容器对高强度、高韧性材料的需求。

（4）本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及生产方法，提供了一种高性能、易加工的钢材解决方案，有效推动了深海装备和石化设备的技术进步。

（5）本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，适用于深潜器耐压结构、石化压力容器制造，可实现大型构件整体成型，避免高强钢冷成型、减少焊接工作量、降低焊接难度及结构应力水平。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1锻件板横向心部位置的金相组织照片；

图2为本发明实施例1锻件板横向心部位置的晶粒度组织照片。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

鉴于深海装备耐压结构及石化压力容器对材料提出的更高性能要求，现有800MPa级钢板在制造难度、成型能力、焊接性能及综合性能上的局限性日益凸显。本发明提出了一种创新的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢及其生产方法，通过精心设计的低碳合金成分与严格的制备工艺控制，实现锻钢的高强度、高韧性、耐蚀性以及大厚度制造能力，从而满足深海装备和石化压力容器对材料性能的苛刻需求。

本发明公开的一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，按照质量百分比，其化学成分包括：碳(C)含量不高于0.06%，硅(Si)含量不高于0.05%，锰(Mn)含量为0.60%～1.00%，镍(Ni)含量为6.0%～8.0%，铬(Cr)含量为0.80%～1.20%，铜(Cu)含量为1.0%～1.60%，铝(Al)含量0.15%～0.25%，铌(Nb)含量不高于0.05%，磷(P)、硫(S)含量均不高于0.005%，气体元素[O]不高于15ppm、[N]不高于30ppm、[H]不高于1ppm，余量为铁(Fe)及不可避免的杂质。

本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，首先，铸钢采用低碳(C)设计，降低碳当量，提高锻钢焊接性；同时，6.0%～8.0%镍(Ni)、0.80%～1.20%铬(Cr)、0.8%～1.2%铜(Cu)的合理添加，一方面起到强化作用保证得到较高的强度，同时可提高铸造流动性和耐蚀性；此外，合金元素Si、杂质元素P、S，气体元素[O]、[N]、[H]超低含量控制，有利于保证钢的低温韧性；一定量合金元素Al，与Ni配合，用于弥补低碳导致的强度损失。通过这一系列科学的成分设计，结合先进的制备工艺，最终制得了既具备高强度、高韧性又具有良好耐蚀性的大厚度锻钢，显著提升了材料的综合性能。

本发明的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，厚度可达200mm，满足深海耐压及石化需求；屈服强度超800MPa，低温冲击吸收功卓越，耐蚀性佳，腐蚀速率低；锻造成型避免冷成型与焊接难题，提升建造效率与服役性能，显著提升材料性能。

本发明还公开了一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，包括如下步骤：

S1：超纯净钢锭制造：采用电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+氩气保护电渣的工艺，获得目标成分化学成分的超纯净钢锭；

S2：锻造成型，步骤S1制备的超纯净钢锭通过切头、拔长、墩粗、成型、修正过程进行锻造成型；

S3：性能热处理，钢锭锻造成型后需要通过热处理进行性能调控，结合锻钢成分及性能要求，锻钢热处理工艺为“一次正火+二次正火+两相区淬火+回火”。

本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，通过超纯净钢锭制造保证钢锭具有良好的纯净度，为后续性能调控奠定技术。首先，通过精确控制合金元素如碳、硅、锰、镍、铬、铜、铝等的含量，既保证了钢材的高强度，又提升了其低温韧性和耐蚀性。同时，严格控制磷、硫及气体元素如氧、氮、氢的含量，确保钢材的纯净度。在制备过程中，采用电弧炉冶炼、LF/VD精炼、氩气保护浇注和电渣重熔等先进工艺，进一步提纯钢液，减少夹杂物和气体含量。随后，通过多步锻造工艺提高钢的致密度和均匀性，再通过独特的热处理制度（一次正火+二次正火+两相区淬火+回火），实现晶粒细化，使钢材的强度和韧性达到最佳匹配。具体的，本申请所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，其中“电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+氩气保护电渣”，各工序良好配合才能够实现超纯净成分控制要求，“电弧炉冶炼”实现原始纯净度控制，“LF/VD精炼”有效进行钢中杂质元素及气体元素控制，“氩气保护浇注”避免大气中气体进入，“氩气保护电渣”进一步降低夹杂物含量，同时避免气体进入。锻造成型能有效提高钢的致密度及均匀性，有力保障大厚度锻钢性能均匀性，各工序要求相辅相成，“钢锭切头”有助于提升锻件纯净度及避免内部缺陷，“镦拔次数及锻造比”是提升均匀性的重要保障，“锻造温度”和“锻后热处理制度”是锻件良好质量重要保证。性能热出炉工艺参数直接决定了钢板性能是否满足要求，“一次正火+二次正火+两相区淬火+回火”组合，可以实现晶粒细化、强韧性匹配良好，各项性能满足指标要求，“正火”以细化锻钢钢锭晶粒度，“两相区淬火”将钢锭组织调整为“马氏体+少量铁素体”理想组织，少量铁素体的取值范围为10%~20%，“回火”对马氏体进行恢复，碳化物、铜的析出物、NiAl析出均匀细小析出，实现锻钢强韧性良好匹配。

在本发明的锻钢成分中，主要合金元素限定理由分别叙述如下：

碳(C)是最主要的固溶强化元素，其可以显著提高钢板的强度，但对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功不利，还显著降低钢的焊接性能。综合考虑，本发明碳含量范围限定为不高于0.06%。

硅(Si)是常用的脱氧元素之一，也有一定的强化作用，但硅会使钢的洁净度下降，韧性及可焊性变差。综合考虑，本发明将硅含量范围限定为不高于0.05%。

锰(Mn)是提高强度和淬透性的有效元素，但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不宜太高。为保证钢的淬透性及避免发生严重偏析，本发明将锰含量范围限定为0.6%～1.0%。

镍(Ni)能提高钢的强度，防止加热和锻造时的热裂，同时能够提高钢的低温韧性及耐蚀性，但过高含量的镍容易产生成分偏差，且生产成本较高。本发明将镍含量范围限定为6.0%～8.0%。

铬(Cr)能起到显著的固溶强化作用，且能显著提高钢种的淬透性及耐蚀性能，但铬含量较高会降低钢的塑韧性和焊接性。本发明中将铬含量范围限定为0.80%～1.20%。

铜(Cu)具有固溶强化和析出弥散强化作用，可提高屈服强度、抗拉强度及耐蚀性。但铜过高，容易使表面产生龟裂。本发明中将铜含量范围限定为1.0~1.6%。

铝(Al)与镍结合形成NiAl析出物，能起到析出强化作用，但由于铝的密度较低，焊接时易于浮于熔池中，从而显著降低钢焊接性。本发明中将铝含量范围限定为0.15%～0.25%。

铌(Nb)在锻造过程中能够有效延缓变形奥氏体的再结晶、阻止奥氏体晶粒长大、提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，改善钢的韧性；沉淀析出的碳氮化物粒子具有沉淀强化作用，但铌在钢中溶解度有限，过高的含量会使塑韧性恶化。本发明中将铌含量范围限定为不高于0.05%。

磷(P)和硫(S)是钢中的常见杂质元素，磷容易偏聚于晶界，降低钢的韧性；硫容易与其他元素形成夹杂物，降低强韧性匹配。本发明中将磷、硫含量限制为不高于0.005%。

氧[O]、氮[N]、氢[H]是炼钢过程进入的气体元素，氧[O]易于与合金形成氧化物（夹杂物），氮[N]易于与铌、碳形成析出物从而影响钢的低温韧性；[H]在高强钢制备过程中会发生聚集，影响钢的塑韧性，甚至导致氢脆裂纹导致材料报废。综合考虑，气体元素[O]不高于15ppm、[N]不高于30ppm、[H]不高于1ppm。

本发明所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，通过优化合金成分和热处理工艺，其纯净度极高，气体元素含量极低，确保了钢材的高质量，钢材的强度、韧性和耐蚀性均达到了高水平，屈服强度不低于800MPa，低温冲击韧性优异，耐蚀性能也远超过传统钢材，结合采用的锻造成型工艺，避免了焊接工作量，减少了结构应力，提高了制造效率和构件的服役性能。这些特点使得本发明的锻钢特别适用于深海装备耐压结构和石化压力容器的制造，能够显著提升这些设备的整体性能和可靠性。

作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，采用碱性电弧炉进行钢水粗炼，获得接近目标成分化学成分，电弧炉冶炼采用过氧化操作，氩气压力控制在0.6～1.0MPa，出钢时随钢流加入Al块。

在该工艺步骤中，利用碱性电弧炉进行钢水的粗炼，通过过氧化操作和精确控制氩气压力在0.6～1.0MPa范围内，有效隔离了周围空气，显著降低了钢水中氮气、氢气和氧气的含量；同时，在出钢时，随着钢流适时加入铝块，以防止早期加入可能导致的严重烧损。该步骤能够极大地提高了钢水的初始纯净度，为后续精炼过程奠定了坚实基础。

作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，通过LF精炼进行脱硫、成分微调，选用C粉、Al粉、扩散脱氧剂等进行钢液脱氧。在超纯净钢锭制造的步骤S1中,通过LF（钢包精炼炉）进行精炼处理，首先实现脱硫操作，有效降低钢水中的硫含量，减少了硫对钢材性能的不利影响，提升了钢材的纯净度和质量；随后，进行成分微调，确保钢水成分接近目标设计值，为生产高质量锻钢奠定了基础。在脱氧过程中，精选C粉、Al粉作为扩散脱氧剂，均匀撒入钢液中，与钢液中的氧反应，生成气体逸出，从而降低钢液中的氧含量。此过程中，特别避免了使用SiAlBaCa等传统脱氧剂，以防止因硅元素加入过多而影响钢水纯净度和最终产品的性能。

作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，通过VD精炼进行真空脱气，减少钢中[O]、[N]、[H]气体含量，真空度不高于2乇，保持时间不低于25min。在超纯净钢锭的制造过程中，VD精炼通过在高真空环境下对钢水进行脱气处理，利用真空泵将钢水中的氧气（[O]）、氮气（[N]）和氢气（[H]）等气体成分抽出，从而显著降低这些有害气体的含量。在VD精炼过程中，真空度被精确控制在不高于2乇的水平，并且保持这一真空状态的时间不少于25分钟，以确保钢水中的气体成分得到充分脱除。这种长时间、高真空度的处理，为钢水的高质量脱气提供了保证。

经过VD精炼处理的钢水,纯净度得到了显著提升，其在强度、韧性、耐蚀性等方面均表现出更加优异的性能，完全满足了超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产要求。

作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，采用真空进行自耗电极浇注，浇注前至少30min用氩气置换浇注系统内空气。在超纯净钢锭的制造过程中，采用真空进行自耗电极浇注的步骤是为了确保钢水在整个浇注过程中不暴露于空气中，从而避免空气中的氧气、氮气等杂质进入钢水中。在浇注前至少30min，优选浇注前一小时，使用氩气对浇注系统内的空气进行置换，确保浇注系统内部充满惰性气体环境，这样可以最大限度地减少钢水与空气的直接接触。氩气由于其化学性质稳定，不会与钢水发生反应，因此被选作置换气体。通过这一步骤，钢水在浇注过程中始终保持在一个低氧、低氮的环境中，从而保证钢锭的纯净度。

作为本申请的较佳示例，在步骤S1中，采用气保电渣炉进行电极棒重熔，控制其熔速为（20-30）±3kg/min的恒熔速。通过采用气保电渣炉进行电极棒重熔提升钢锭纯净度，在此过程中，电极棒被置于气保电渣炉内，通过电流产生的电阻热进行重熔，控制熔速在恒定的范围（（20-30）±3kg/min），避免了过快或过慢熔速可能带来的问题，如内部缺陷或应力集中，确保了钢锭内部结构的均匀性和完整性，同时，氩气保护被持续开启，不断置换炉内的空气，将氧含量维持在极低的水平（不高于0.5%），防止钢水在重熔过程中被氧化，也减少了其他有害气体如氮、氢的混入，确保了钢锭在重熔阶段能够保持极高的纯净度，同时降低了成分偏析的可能性。

这一系列操作对于生产超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢至关重要，这些措施共同作用，使得最终获得的钢锭具有更高的纯净度和更少的内部缺陷，为后续的热处理和锻造成型提供了更好的原材料基础,保证最终产品超纯净钢锭的优异性能，高纯净度和低偏析的钢锭在后续的锻造和热处理过程中更容易获得理想的组织和性能，满足了深海装备耐压结构和石化压力容器等高端应用对材料性能的严格要求。

作为本申请的较佳示例，在步骤S2中，锻造前电渣锭首尾切重量不低于7.5%，锻钢镦拔次数不少于2次，锻造比控制在9以上，锻造温度定为900℃～1050℃。通过实施上述锻造成型的工作流程，首先，锻造前对电渣锭进行首尾切割，切去的重量不低于7.5%，这一步骤旨在去除钢锭两端的杂质和内部缺陷较多的区域，显著提高了锻件的纯净度和整体质量；接着，通过多次镦拔和大锻造比（控制在9以上）的处理，钢锭在三向应力的作用下发生塑性变形，从而改善或消除钢锭内部的成分偏析，提升内部质量，同时降低材料的各向异性，使得钢锭内部成分更加均匀；最后，将锻造温度设定在900℃～1050℃之间，确保钢锭在此温度范围内既能充分塑形变形，又不会因温度过高导致晶粒粗大、过烧或脱碳，也不会因温度过低而增加锻造难度甚至导致开裂,确保了锻件的组织结构和力学性能达到预期目标。在锻造成型过程中，钢锭经过上述一系列精密的操作步骤以达到所需的形状和性能，使得最终得到的锻件不仅具有优良的物理和化学性能，还能满足深海装备耐压结构和石化压力容器等高端应用领域的严格要求。

作为本申请的较佳示例，在步骤S2中，锻后锻坯空冷至（500～550）℃后入炉保温不低于20h后炉冷至室温。

该步骤进一步限定了锻造后钢锭的冷却方式，锻后锻坯空冷至特定温度范围（500～550℃）后，被送入加热炉进行长时间的保温处理（不低于20小时），随后再自然冷却至室温，空冷过程有助于快速降低锻坯的表面温度，后续的炉内保温则通过提供持续而稳定的热量环境，使得锻坯内部的氢原子有足够的时间扩散至锻坯表面并逸出，从而降低钢锭中的氢含量；同时，长时间的保温还能有效释放锻坯内部的残余应力，防止在后续加工过程中因应力集中而产生裂纹，提高了锻件的加工性能和使用寿命。

该设计过程，有效降低了锻坯中的氢含量，减少了氢致裂纹的风险，避免了因应力集中而在后续加工或使用过程中产生的裂纹问题，还有助于锻坯内部组织的均匀化和稳定化，为后续的机械加工和热处理提供了更好的材料基础。

作为本申请的较佳示例，在步骤S3中，正火过程，锻件需完全奥氏体化进行保温，保温时间要保证锻件能够完成奥氏体化，正火过程保温温度定为（850～870）℃，保温时间为（3～5）min/mm，通过设置两次锻钢正火次数，实现晶粒充分细化；两相区淬火过程，采用保温温度定为（740～780）℃，保温时间为（3～5）min/mm，结合水冷冷却，形成“马氏体+（10-20%）铁素体”的锻钢两相区淬火态目标组织；回火过程采用保温温度（520～580）℃，保温时间为（6～8）min/mm，水冷冷却。

上述设置通过精确控制加热温度和保温时间，对锻钢的内部组织结构进行优化调整。首先，正火处理使锻件在特定温度下保温，促使材料内部组织发生奥氏体转变，并通过两次正火细化晶粒，提高材料的均匀性。接着，两相区淬火处理使材料快速冷却，形成高硬度的马氏体组织，同时保留少量（10-20%）铁素体以保证韧性。最后，回火处理通过控制较低的加热温度和时间，使马氏体中的碳化物析出并均匀分布，调整材料的强度和韧性至最佳平衡状态。整个过程中，各步骤的参数设定均基于钢的成分特性及热处理效应的科学分析，旨在达到预定的性能目标。通过实施“一次正火+二次正火+两相区淬火+回火”这一性能热处理工艺，结合精确控制各步骤的参数，实现了锻钢综合性能的显著提升，满足了深海装备耐压结构和石化压力容器对高强度、高韧性材料的需求。

通过采用本发明上述所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，可达到以下效果：

(1)本发明锻钢纯净度较高[O]≤15ppm、[N]≤30ppm、[H]≤1ppm，最大厚度可达200mm。

(2)本发明锻钢强韧性水平较高：屈服强度不低于800MPa，-80℃夏比冲击吸收功均值不低于170J。

(3)本发明锻钢耐蚀性能良好，年平均腐蚀速率不高于0.8mm/a。

(4)本发明锻钢可用于大型结构件成型，预期用于船舶深海装备耐压结构、石化压力容器制造。

为能清楚的说明本方案技术特点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，本发明不局限于以下实施例。

实施例1～3采用“电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+氩气保护电渣”工艺进行锻坯制备，锻坯各元素均满足设计要求；锻件的杂质元素P、S、[O]、[N]、[H]含量均较低，证明冶炼工艺合理可行。

实施例4采用“电弧炉冶炼+LF/VD精炼+大气浇注”进行锻坯制备。锻坯杂质及气体元素P、S、[O]、[N]、[H]含量均较实施例1～3明显偏高，不满足成分设计要求。

实施例5采用“电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+普通电渣”进行锻坯制备。锻坯杂质及气体元素P、S、[O]、[N]、[H]含量均较实施例4有一定程度降低，但气体元素[O]、[N]、[H]较实施例1～3明显偏高，[H]含量不满足成分设计要求。

表 1 本发明锻钢化学成分（wt%）

针对实施例1～3成分锻坯进行锻造，具体工艺参数如表2所示。表中实施例6和7与实施例1成分相同、锻造工艺不同，主要体现在较小的锻造比。

表 2 本发明锻钢锻造制度

针对实施例1～3、6、7锻坯进行性能热处理，热处理工艺参数如表3所示。表中实施例8、实施例9与实施例2成分及锻造工艺相同，但热处理工艺参数不同，主要体现在正火次数不同。

表 3 本发明锻钢壁厚及热处理工艺

本发明实施例1、2、3、6、7、8、9锻件力学性能测试结果如表4所示。（1）实施例1～3锻件强韧性匹配良好、晶粒度较为细小/纵横向差别较小，屈服强度≥800MPa，-80℃冲击吸收能量≥170J，晶粒度等级≥8.0级，可见其成分及工艺合理可行；（2）与实施例1相比，实施例6拉伸性能纵横向差别大、-80℃冲击吸收能量较低、晶粒也较为粗大，实施例7也呈现出一定的方向性，因此将锻造比控制在不低于9是十分有必要的；（3）与实施例2相比，实施例8的-80℃冲击吸收能量略低、晶粒度略粗大，实施例9与其性能基本相当，因此将正火次数定为2次合理可行。

表 4 本发明锻钢力学性能测试结果

对实施例1、2、3锻件取样在实验室条件下进行室内加速腐蚀试验，为了便于对比，同步进行了800MPa级12CrNi5MoV锻钢腐蚀速率测定，腐蚀试验介质为3.5％ NaCl溶液。试样经过30天腐蚀试验后，测得的平均腐蚀速率见表5。可以看出锻钢耐蚀性能良好，年平均腐蚀速率不高于0.80mm/a，腐蚀速率低于12CrNi5MoV锻钢。

表 5 全浸腐蚀30天后材料平均腐蚀速度

图1、图2是本发明实施例1板横向心部位置的金相组织及晶粒度组织照片，组织均为回火索氏体+16%铁素体，表明锻钢淬透性良好；晶粒度8.0级，尺寸较为均匀、细小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，其特征在于，所述超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢，按照质量百分比，其化学成分包括：C≤0.06%，Si≤0.05%，0.60%≤Mn≤1.00%，6.0%≤Ni≤8.0%，0.80%≤Cr≤1.20%，1.0%≤Cu≤1.60%，0.15%≤Al≤0.25%，Nb≤0.05%，P≤0.005%，S≤0.005%，气体元素[O]不高于15ppm、[N]不高于30ppm、[H]不高于1ppm，余量为Fe及不可避免的杂质，其生产方法包括如下步骤：

S1：超纯净钢锭制造：采用电弧炉冶炼+LF/VD精炼+氩气保护浇注+氩气保护电渣的工艺，获得目标成分化学成分的超纯净钢锭；

其中，在步骤S1中，采用碱性电弧炉进行钢水粗炼，获得接近目标成分化学成分，电弧炉冶炼采用过氧化操作，氩气压力控制在0.6～1.0MPa，出钢时随钢流加入Al块；

在步骤S1中，采用真空进行自耗电极浇注，浇注前至少30min用氩气置换浇注系统内空气；

在步骤S1中，采用气保电渣炉进行电极棒重熔，控制其熔速为20~30kg/min的恒熔速；

S2：锻造成型，步骤S1制备的超纯净钢锭通过切头、拔长、墩粗、成型、修正过程进行锻造成型；

其中，在步骤S2中，锻造前电渣锭首尾切重量不低于7.5%，锻钢镦拔次数不少于2次，锻造比控制在9以上，锻造温度定为900℃～1050℃，锻后锻坯空冷至500～550℃后入炉保温不低于20h后炉冷至室温；

S3：性能热处理，钢锭锻造成型后需要通过热处理进行性能调控，结合锻钢成分及性能要求，锻钢热处理工艺为“一次正火+二次正火+两相区淬火+回火”，其中，正火过程，锻件需完全奥氏体化进行保温，保温时间要保证锻件能够完成奥氏体化，正火过程保温温度定为850～870℃，保温时间为3～5min/mm，通过设置两次锻钢正火次数，实现晶粒充分细化；两相区淬火过程，采用保温温度定为740～780℃，保温时间为3～5min/mm，结合水冷冷却，形成“马氏体+少量铁素体”的锻钢两相区淬火态目标组织，少量铁素体的取值范围为10%~20%；回火过程采用保温温度520～580℃，保温时间为6～8min/mm，水冷冷却。

2.根据权利要求1所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，其特征在于，在步骤S1中，通过LF精炼进行脱硫、成分微调，选用C粉、Al粉、扩散脱氧剂进行钢液脱氧。

3.根据权利要求1所述的超纯净大厚度800MPa级高韧耐蚀锻钢的生产方法，其特征在于，在步骤S1中，通过VD精炼进行真空脱气，减少钢中[O]、[N]、[H]气体含量，真空度不高于2乇，保持时间不低于25min。