一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法

摘要

本发明涉及一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法，按照质量百分比含有如下组分：C：0.26～0.31，Si：0.15～0.40，Mn：0.60～0.90，P：≤0.010，S：≤0.005，Cr：1.00～1.20，Mo：0.20～0.30，Ni：0.50～0.80，Nb：0.055～0.075，Ti：0.010～0.030，Cu：0.25～0.40，B：0.0008～0.0030，Als：0.015～0.050，其余为铁和残余的微量杂质。热处理工艺包括如下步骤：(1)淬火：系泊链用钢加热至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，冷却。(2)回火：系泊链用钢加热至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。本发明开发出了R4系泊链钢，显著提高了R4系泊链用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性。

权利要求

1.一种含铌R4系泊链用钢，其特征在于，按照质量百分比含有如下组分：C：0.26～

0.31，Si：0.15～0.40，Mn：0.60～0.90，P：≤0.010，S：≤0.005，Cr：1.00～1.20，Mo：0.20～

0.30，Ni：0.50～0.80，Nb：0.055～0.075，Ti：0.010～0.030，Cu：0.25～0.40，B：0.0008～

0.0030，Als：0.015～0.050，其余为铁和残余的微量杂质；所述含铌R4系泊链用钢的热处理工艺包括如下步骤：(1)淬火：系泊链用钢加热至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～

2.0min/mm计算，冷却，

(2)回火：系泊链用钢加热至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。

2.如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢，其特征在于，所述热处理工艺的步骤(1)和/或(2)中的加热速度为50～100℃/h。

3.如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢，其特征在于，步骤(1)中水冷至室温。

4.如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢，其特征在于，步骤(2)中空冷至室温。

5.如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢，其特征在于，步骤(1)中以80℃/h加热至温度

930℃，加热保温时间270min，水冷。

6.如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢，其特征在于，步骤(2)中以80℃/h加热至温度

620℃，加热保温时间420min，空冷。

7.一种如权利要求1所述含铌R4系泊链用钢的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：a.电弧炉或转炉冶炼；

b.LF炉精炼；

c.RH或VD真空脱气；

d.连铸；

e.铸坯加热炉加热；

f.圆钢轧制；

g.系泊链锻造；

h.调质热处理。

8.如权利要求7所述的含铌R4系泊链用钢的生产方法，其特征在于，热处理包括如下步骤：(1)淬火：系泊链用钢加热至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～

2.0min/mm计算，冷却，

(2)回火：系泊链用钢加热至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。

说明书

一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大规格R4系泊链用钢及其热处理工艺，具体涉及一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法。

背景技术

[0002] 系泊链产品主要用于海洋石油、天然气开采用浮式生产系统、半潜式钻井平台、单点系泊结构和浮式生产储油轮船以及其它海洋开发设施等，其产品质量关系到海上作业和船舶航行的安全性。由于系泊链长期浸泡在海水中，条件恶劣，因此要求系泊链用钢不仅强度高、韧性好，而且还要求具有耐海水腐蚀、抗疲劳破坏、耐磨损等特性。根据使用的强度水平不同，系泊链产品主要有R3、R3S、R4、R4S、R5级等。

[0003] 近年来，随着深海采油、勘探的开发，对深海采油、勘探设备用高强度、大规格系泊链(Ф90mm～Ф210mm)的需求逐渐增加。由于大规格系泊链产品调质冷却困难，导致系泊链全截面全部淬透困难，目前，世界各国R4级大规格系泊链钢产品均采用高合金成分方案(大致为0.22C-1.4Mn-1.3Cr-1.2Ni-0.5Mo)，以提高其淬透性，从而满足大规格系泊链产品调质后高强度、高韧性、耐疲劳的要求，但其存在以下缺陷：

[0004] (1)由于合金元素含量高，导致材料热轧态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产生马氏体转变，产生组织应力，从而导致材料出现内裂纹报废。

[0005] (2)由于Mn、Cr、Mo等合金元素含量高，会恶化钢的焊接性，增加焊接裂纹的发生概率。

[0006] (3)由于合金元素含量高，提高了系泊链淬火开裂的风险，并且屈强比也往往不合格(>0.92)。

[0007] (4)增加了生产成本。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺和生产方法，利用微量Nb、Ti、B及少量Ni、Cu、Mo、Cr、Mn复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，在降低生产成本的前提下，显著提高R4系泊链用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高R4系泊链用钢的整体性能均匀性、寿命和安全性，从而生产出低成本高性能的R4系泊链用钢。具体技术方案如下：

[0009] 一种含铌R4系泊链用钢，按照质量百分比含有如下组分：C：0.26～0.31，Si：0.15～0.40，Mn：0.60～0.90，P：≤0.010，S：≤0.005，Cr：1.00～1.20，Mo：0.20～0.30，Ni：0.50～0.80，Nb：0.055～0.075，Ti：0.010～0.030，Cu：0.25～0.40，B：0.0008～0.0030，Als：0.015～0.050，其余为铁和残余的微量杂质。

[0010] 上述含铌R4系泊链用钢的热处理工艺，包括如下步骤：

[0011] (1)淬火：系泊链用钢加热至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，冷却。

[0012] (2)回火：系泊链用钢加热至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。

[0013] 进一步地，步骤(1)和/或(2)中的加热速度为50～100℃/h。

[0014] 进一步地，步骤(1)中水冷至室温。

[0015] 进一步地，步骤(2)中空冷至室温。

[0016] 进一步地，步骤(1)中以80℃/h加热至温度930℃，加热保温时间270min，水冷。

[0017] 进一步地，步骤(2)中以80℃/h加热至温度620℃，加热保温时间420min，空冷。

[0018] 上述含铌R4系泊链用钢的生产方法，进一步地，包括如下步骤：

[0019] a.电弧炉或转炉冶炼；

[0020] b.LF炉精炼；

[0021] c.RH或VD真空脱气；

[0022] d.连铸；

[0023] e.铸坯加热炉加热；

[0024] f.圆钢轧制；

[0025] g.系泊链锻造；

[0026] h.调质热处理。

[0027] 进一步地，热处理包括如下步骤：

[0028] (1)淬火：系泊链用钢加热至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，冷却。

[0029] (2)回火：系泊链用钢加热至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。

[0030] 与目前现有技术相比，本发明通过采用微量Nb、Ti、B及少量Ni、Cu、Mo、Cr、Mn复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，用细晶强化、析出强化和相变强化机制，得到具有均匀细密索氏体+下贝氏体金相组织的组织状态，开发出了R4系泊链钢，显著提高了R4系泊链用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高了R4系泊链的整体性能均匀性、寿命和安全性，从而生产出了低成本高性能的R4系泊链。该技术生产的产品完全满足相关标准的要求，增强了企业的竞争力。

具体实施方式

[0031] 下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

[0032] 在一个优选实施例中，提供一种含铌R4系泊链用钢及其热处理工艺，含铌R4系泊链用钢化学成分的质量百分比(wt％)为：C：0.26～0.31，Si：0.15～0.40，Mn：0.60～0.90，P：≤0.010，S：≤0.005，Cr：1.00～1.20，Mo：0.20～0.30，Ni：0.50～0.80，Nb：0.055～0.075，Ti：0.010～0.030，Cu：0.25～0.40，B：0.0008～0.0030，Als：0.015～0.050，其余为铁和残余的微量杂质。本发明钢以多元少量的合金化原则进行了成分设计：

[0033] (1)碳：C是主要强化元素和提高淬透性元素，但C过高会引起钢的塑性和韧性的降低、焊接性能恶化。为保证钢的塑性、韧性和焊接性能，C含量不宜过高，损失的强度则由其它合金元素和微合金元素来弥补。综合考虑，R4系泊链用钢的C含量范围应在0.26％～0.31％为宜。

[0034] (2)硅：Si是固溶强化作用最明显的元素，同时也是对韧性损失最大的元素。从综合性能考虑，不采用Si作为主要强化元素，因此Si含量控制在一般较低的水平，以不超过0.4％为宜，范围考虑在0.15％～0.40％。

[0035] (3)锰：Mn主要起固溶强化和提高淬透性作用。但Mn易产生成分偏析，影响组织和性能的均匀性。特别是Mn含量偏高，会增加组织中马氏体含量，从而提高屈强比，导致屈强比超标。因此本发明R4系泊链用钢设计Mn含量以不超过1.0％为宜，范围可控制在0.60％～0.90％。

[0036] (4)铬：Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织。但其含量过高，会恶化系泊链钢的焊接性。综合考虑，Cr范围可控制在1.00％～1.20％。

[0037] (5)钼：Mo能够显著的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性；同时，Mo能使钢的晶粒细化，提高钢的强韧性，但Mo的成本较高，并且其含量过高也会恶化钢的焊接性能。综合考虑，范围可控制在0.20％～0.30％。

[0038] (6)镍：Ni具有细化钢的组织、改善钢的低温性能的作用，并具有固溶强化、提高淬透性作用，但其价格昂贵，并且Ni也提高钢屈强比的元素之一，综合考虑，范围可控制在0.50～0.80％。

[0039] (7)铜：铜是扩大奥氏体相区的元素，但在铁中的固溶度不大，铜与碳不形成碳化物。铜是奥氏体稳定性元素，可提高钢的淬透性，细化转变后组织，从而改善钢的低温韧性。并且铜在a-Fe中的溶解度会随着温度的降低而急剧下降，可起到析出强化的作用，铜对临界温度和淬透性的影响以及其固溶强化作用与镍相似，可用来代替一部分镍，以降低生产成本。同时，在钢中加入铜还可提高钢的抗疲劳性能，因为细小的Cu沉淀阻滞了疲劳的初期阶段脉状结构的形成，并且铜析出物具有良好的塑性，可阻碍疲劳裂纹的扩展，从而提高钢的疲劳强度；另外，Cu还有显著的提高钢耐蚀性作用，钢中加入0.1％Cu即可显著提高其耐蚀性。但Cu含量过高，钢在加热轧制或锻造过程中容易引起热脆。综合考虑，范围可控制在
0.25～0.40％。

[0040] (8)铌：Nb对系泊链钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。同时，通过其碳氮化物的析出强化，也可显著提高钢的强度。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.055％～0.075％。

[0041] (9)钛：在钢中加入微合金元素Ti能起到固溶、偏聚和沉淀作用，当它们与碳、氮、硫等交互作用能产生细晶强化、析出物弥散强化以及夹杂物改性等，使钢的强度和韧性加强，并可提高钢的回火稳定性、改善钢的焊接性能。综合考虑，Ti的范围可控制在0.015％～0.030％。

[0042] (10)硼：当钢中含有微量的(0.0008～0.0030％)硼时，钢的淬透性可以显著提高，对于C含量为0.26～0.31％的中碳合金结构钢，加硼后其最大淬透直径可提高50％以上。对于大截面中合金系泊链用钢，存在淬不透的问题，导致大规格系泊链截面显微组织和性能不均匀，影响了系泊链的整体性能指标，因此需要通过硼合金化来进一步提高其淬透性。同时，硼合金化成本低，且硼对钢的淬裂敏感性影响很小。

[0043] 本实施例大规格含铌R4系泊链用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→圆钢轧制→系泊链锻造→调质热处理。

[0044] 本实施例关键的热处理工艺步骤如下：

[0045] (1)淬火：系泊链用钢加热(加热速度为50～100℃/h)至温度900～950℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温。

[0046] (2)回火：系泊链用钢加热(加热速度为50～100℃/h)至温度600～650℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。经过回火，可获得均匀细密回火索氏体+下贝氏体的金相组织，从而可获得良好的韧塑性及合适的强度指标。

[0047] 采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺工艺参数生产的R4系泊链用钢，测定钢材的纵向力学性能可达到：Rm≥860MPa，Rp0.2≥580MPa，Rp0.2/Rm≤0.92，A≥12％，Z≥50％，-40℃冲击吸收功KV2≥50J，腐蚀疲劳极限≥190MPa，氢脆性能Z1/Z2≥0.85(式中：
Z1——未经烘焙试样的断面收缩率；Z2——经烘焙试样的断面收缩率)，钢材的奥氏体晶粒度大于等于8.0级。R4系泊链调质(淬火+高温回火)热处理后钢的组织为回火索氏体+贝氏体，其中，系泊链近表面回火索氏体含量约在90～100％，系泊链1/2半径处回火索氏体含量约在50～70％。

[0048] 在一个优选实施例中，R4系泊链用钢的熔炼化学成分、主要热处理工艺参数与性能的实施例如下：

[0049] 热处理工艺步骤及参数为：

[0050] (1)淬火：以80℃/h加热至温度930℃，加热保温时间270min，水冷。

[0051] (2)回火：以80℃/h加热至温度620℃，加热保温时间420min，空冷。

[0052] 直径为Φ200mm的R4系泊链用钢熔炼化学成分质量百分比(wt％)见表1，R4系泊链经过以上热处理后的性能指标见表2。

[0053] 表1 R4系泊链用钢的熔炼化学成分质量百分比(wt％)

[0054]

[0055] 表2 R4系泊链热处理后性能指标

[0056]

[0057] 续表2 R4系泊链热处理后性能指标

[0058]序号 腐蚀疲劳极限/MPa Rp0.2/Rm 奥氏体晶粒度/级 组织
1 212 0.82 9.5 回火索氏体+贝氏体
2 203 0.82 10.0 回火索氏体+贝氏体
3 197 0.81 10.0 回火索氏体+贝氏体
4 215 0.82 9.5 回火索氏体+贝氏体

[0059] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。