高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝

《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》是江陰興澄鋼鐵有限公司於2000年6月2日申請的專利，該專利的申請號為001090534，公布號為CN1281906，公布日為2001年1月31日，發明人是張文基、祝宜明、李國忠、郭艷、張玉峰、李峰、巨清高、馬恆毅、楊瑞珍、朱林放。

《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》鋼含有（重量%）C：0.25%－0，33%、Si：0.15%－0.30%、Mn：1.45%－1.75%、Cr：0.90%－1.40%、Ni：1.00%－1.20%、Mo：0.45%－0.65%、Nb：0.02%－0.06%、Al：0.020%－0.05%、殘餘及有害元素P：≤0.020%、S：≤0.015%、Cu：≤0.20%、Sn：≤0，03%、Sb：≤0.01%、As：≤0.04%、B：≤0.005%、[N]：≤0.009%、[0]：≤0.0020%、[H]：≤0.0002%，其餘為Fe。同時其碳當量必須大於1.40。該鋼採用EAF+LF+VD+CCM工藝生產，該發明的系泊鏈用鋼，可用於半潛式鑽井平台、單點系泊結構和浮式生產儲油輪以及其它海洋開發設施的R4級系泊鏈，亦可用於一些要求較高的船舶錨鏈。

2005年，《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》獲得第四屆江蘇省專利項目獎銀獎。

基本介紹

• 中文名：高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝
• 公布號：CN1281906
• 公布日：2001年1月31日
• 申請號：001090534
• 申請日：2000年6月2日
• 申請人：江陰興澄鋼鐵有限公司
• 地址：江蘇省江陰市濱江東路297號
• 發明人：張文基、祝宜明、李國忠、郭艷、張玉峰、李峰、巨清高、馬恆毅、楊瑞珍、朱林放
• 分類號：C22C38/48
• 代理機構：北京萬科園專利事務所
• 類別：發明專利
• 代理人：張亞軍、李昆岐

專利背景

截至2000年6月，隨著海洋資源開發的深入發展，尤其是深海採油、海洋勘探、國防建設等海洋設施需要使用大量的系泊鏈，由於海洋尤其是深海惡劣的作業環境和海洋設施的大型化，對系泊鏈用鋼的綜合性能提出了更為苛刻的要求，不僅要求強度高，韌性好，重量輕，還要求耐海水腐蝕、抗疲勞、耐磨損以及優良的焊接性能和較好的焊口低溫衝擊韌性。製造系泊鏈棒材直徑一般為φ70毫米-φ160毫米，整條鏈的長度100米-2000米。四級系泊鏈的抗拉強度要求大於860兆帕，屈服強度要求大於580兆帕，2000年6月前中國國內所生產的船用三級錨鏈鋼已遠遠不能滿足以上海洋系泊鏈性能要求。因此，海洋系泊鏈尤其R4級海洋系泊鏈用鋼的研究和生產顯得尤為重要和迫切。中國國內對R4級海洋系泊鏈用鋼曾做過一些研究，如《金屬熱處理》1990年第9期“四級錨鏈鋼的斷裂韌性”、《金屬熱處理學報》1991年第12卷第4期“四級錨鏈鋼的延性斷裂韌性與斷裂表面的分型”、《熱加工工藝》1991年第5期“新型四級錨鏈鋼的力學性能”、《特殊鋼》1992年第2期“海洋平台錨鏈鋼30MnCrV的研製和套用”。這些文獻均報導了一些用於R4級系泊鏈的鋼種，由於這些鋼種的熱處理敏感性強、焊接性能差、焊縫處的力學性能偏低，難於滿足制鏈工藝的要求，因此僅限於實驗室的小批量的試製，而未轉入工業大生產，至今此產品在中國國內尚屬空白。

中國國內所報導的幾個四級系泊鏈鋼種與《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》的鋼種之對比情況如下。

該發明鋼種與對比鋼號的成分（％）對比

元素	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Al	Nb	Sn	Sb	As	B
該發明	0.28	0.27	1.58	1.00	1.12	0.58	0.014	0.006	0.029	0.04	0.02	0.008	0.03	0.003
對比鋼1	0.26	0.31	1.64	1.04	-	0.47	0.009	0.008	0.025	-	-		-	-
對比鋼2	0.205	0.695	1.50	0.78	0.79	0.44	0.020	0.005	0.070		-	-	-	-
對比鋼3	0.22	0.67	1.49	0.84	0.80	0.50	0.022	0.005	0.075	0.028	-	-	-	-

系泊鏈的制鏈工藝過程中，棒材經閃光焊接後，製成上千米長的鏈條，整條鏈條再經淬火+回火的調質熱處理工藝．對於大型鏈條在其表面和焊縫處極易產生淬火和回火裂紋缺陷，一旦產生這樣的缺陷，其中有裂紋的鏈環必須從整個鏈條中取掉而重新製作，這將大幅度地增加能耗，降低生產效率，同時由於在焊接過程中，焊縫處主要元素（如C、Si、Mn等）的燒損和堆積，將降低焊縫處的力學性能。通過成分的最佳化設計，降低鋼種的熱處理敏感性，提高焊口部分的力學性能，是該鋼種設計的關鍵。

發明內容

專利目的

《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》的目的在於，解決2000年6月前已有技術中存在的上述問題，提供高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼及其生產工藝。

技術方案

一種高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼，其特徵在於：含有（重量％）C：0．25％-0．33％、Si：0．15％-0．30％、Mn：1．45％-1．75％、Cr：0．90％-1．40％、Ni：1．00％-1．20％、Mo：0．45％-0．65％、Nb：0．02％-0．06％、Al：0．020％-0．050％、殘餘及有害元素P：≤0．020％、S：≤0．015％、Cu：≤0．20％、Sn≤0．03％、Sb：≤0．01％、As：≤0．04％、B：≤0．005％、[N]：≤0．009％、［O］：≤0．0020％，其餘為Fe。

上述的高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼，其特徵在於，碳當量必須大於1．40，即碳當量Ce=C（％）+1／3Cr（％）+1／3Mn（％）+2／3Mo（％）。

下面，詳細說明該發明高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼化學成分的限定理由。

C：碳可提高鋼的強度，同時又可提高鋼的淬透性。低於0．25％，焊縫處的力學性能達不到四級系泊鏈的強度要求，高於0．33％，在淬火工藝中，母材易產生淬火裂紋，且閃光對焊部分殘留的碳增多，將降低焊縫處的衝擊韌性。因此碳含量確定為：0．25-0．33％。

Si：矽可提高鋼的強度及淬透性，其最低含量為0．15％，才能達到其效果，但矽含量過高特別是當其與錳、鉻元素共存時，矽固溶於奧氏體中，使奧氏體晶粒粗化，增加鋼的過熱敏感性一鋼的回火脆性。同時由於矽易被氧化，鋼中矽酸鹽夾雜的存在，將降低鋼的衝擊韌性。對比鋼2、對比鋼3的矽含量較高，這是鏈條焊縫處的衝擊韌性低，在調質處理過程中產生淬火或回火裂紋的主要原因。該發明鋼種的Si含量上限為0．30％。

Mn：作為提高強度和韌性，提高鋼的淬透性而加入，但錳含量過高易產生鋼晶粒粗化的傾向，且增加了鋼的回火脆性的敏感性，當錳含量超過1．75％時，易產生淬火裂紋，因此錳含量範圍確定為1．45-1．75％。

Cr：鉻是提高系泊鏈鋼抗海水腐蝕能力的主要元素，同時鉻可以抑制和降低碳的擴散速度，減少鋼在焊接時碳的燒損，提高焊縫處的力學性能。鉻還有提高鋼的淬透性及回火穩定性的作用。因此鉻應不低於0．90％，而較高的鉻含量所形成的氧化物夾雜滯留於焊縫處，將降低鋼的衝擊韌性，鉻上限確定為1．40％。對比鋼2、對比鋼3鉻含量偏低，相對於該發明鋼種，其回火穩定性、淬透性較低，其焊縫處的綜合力學性能不及本鋼種。

Mo：鉬可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，可明顯改善鋼材焊縫處的淬火特性，減少淬火裂紋，提高焊縫處的衝擊韌性。當鉬含量超過0．65％時，對性能改善的效果將不再增加。同時鉬元素也是作為提高鋼的耐腐蝕性能的元素之一。

Ni：鎳可提高鋼的強度，降低鋼的低溫脆性轉變溫度，亦可提高鋼的抗疲勞性能和減少對缺口的敏感性，可明顯提高鏈條的母材及焊縫處的低溫衝擊韌性，同時鎳元素也是作為提高鋼的耐腐蝕性能的元素之一。但含量過高，不僅增加成本，而且由於氧化皮下的金屬基體成為富鎳而不易氧化，從而導致氧化皮粘附，形成不易脫落的氧化皮，在焊接去毛刺的工藝製作中出現“缺肉”現象。該鋼種含量範圍確定為1．00-1．20％。對比鋼1，將鎳作為殘餘元素，而不是作為合金元素加入，相對於該發明鋼種，其鏈環的母材和焊縫處的綜合力學性能及耐腐蝕性能不及該發明鋼種。

Nb：鈮作為細化晶粒元素和沉澱強化元素而加入，對降低鋼中氣體含量及改善鋼的低溫衝擊韌性作用明顯。當其含量超過0．06％時，其改善效果不再增加。同時鈮以固定鋼中碳的作用，從而提高鋼抗晶間腐蝕的性能。對比鋼1、對比鋼2中未加入該元素，相對於該發明鋼種，其鏈環的母材和焊縫處的綜合力學性能及耐腐蝕性能不及該發明鋼種。

Al：鋁與鈮的作用相類似，主要是細化晶粒及降低鋼中氣體氧、氮含量，以改善鏈條母材及焊縫處的綜合力學性能。鋁超過0．050％時，鋁的氧化物夾雜增加，將惡化鋼材的衝擊韌性。對比鋼2、對比鋼3的鋁含量高於0．050％，焊接工藝中易導致鋁氧化物夾雜的增加。相對於該發明鋼種，其鏈環的母材和焊縫處的綜合力學性能及耐腐蝕性能不及該發明鋼種。

殘餘元素Sn、Sb、As、Cu、B、P、S：人們通過大量的試驗研究已證實，P、As、Sn、Sb，在晶間偏聚造成晶界脆化，是產生回火脆，特別是高溫回火脆的首要因素。當殘餘元素含量加AS、Sn、P超過一定含量時，還將降低鋼的低溫衝擊韌性，提高鋼的脆性轉變溫度，惡化鋼的綜合力學性能。該發明鋼種將殘餘元素控制在：Sn≤0．03％、Sb≤0．01％、As≤0．04％、Cu≤0．20％、P≤0．02％S≤0．015％。B有增加鋼的回火脆性並使奧氏體晶粒長大傾向，因此將B控制在≤0．005％以內，其對熱處理敏感性的影響即可忽略。對比鋼1、對比鋼2、對比鋼3未有敘述。該發明鋼種更具優勢。

O：在較低溫度之下，強度和塑性隨氧含量的增加而急劇地降低。氧含量對衝擊韌性也有影響，隨著氧含量的增加，衝擊值的最大值逐漸降低，脆性轉變溫度也很快地升高，脆性轉變溫度的範圍也隨著變寬。該發明及生產工藝可將氧含量控制在0．0020％（20ppm）以內。對比鋼1、對比鋼2、對比鋼3未有敘述。該發明鋼種更具優勢。

N：鋼中殘餘氮含量雖少，但對鋼的力學性能卻能產生顯著的影響。氮能使鋼產生應變時效現象，即強度和硬度提高，韌性降低，缺口敏感性增加，氮含量越高，由氮含量導致的脆性傾向就更為明顯。該發明及生產工藝可將氮含量控制在0．0090％（90ppm）以內。對比鋼1、對比鋼2、對比鋼3未有敘述。該發明鋼種更具優勢。

改善效果

按照該發明生產的系泊鏈用鋼，可獲得較高的強度、較低的屈強比，因而具有優異的低溫衝擊韌性。試料經整體調質處理後取樣，測得屈服強度σ_δ=830-860兆帕、抗拉強度σ_b=900-1070兆帕、延伸率δ₅=16-21％、斷面收縮率ψ=65-70％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為110-150焦耳。

權利要求

1．一種高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼，其特徵在於：含有（重量％）C：0．25％-0．33％、Si：0．15％-0．30％、Mn：1．45％-1．75％、Cr：0．90％-1．40％、Ni：1．00％-1．20％、Mo：0．45％-0．65％、Nb：0．02％-0．06％、Al：0．020％-0．050％、殘餘及有害元素P：≤0．020％、S：≤0．015％、Cu：≤0．20％、Sn≤0．03％、Sb：≤0．01％、As：≤0．04％、B：≤0．005％、[N]：≤0．009％、[O]：≤0．0020％，其餘為Fe。

2．權利要求1所述的高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼，其特徵在於，碳當量必須大於1．40，即碳當量Ce=C（％）+1／3Cr（％）+1／3Mn（％）+2／3Mo（％）。

3．權利要求1或2所述的一種高強度、高韌性、耐腐蝕的系泊鏈用鋼的生產工藝，其特徵在於，該工藝包括：

（1）電爐冶煉，在100t超高功率直流電弧爐中冶煉，加入廢鋼及生鐵，實現預脫氧及成分初調；

（2）LF精煉，在100tLF精煉爐中進行成分微調；

（3）VD精煉，採用100tVD爐實現真空脫氣，保證[H]≤0．0002％；

（4）連鑄，採用半徑12米的5流連鑄機，連續澆鑄成300毫米方坯；

（5）連軋，通過16機架連軋機組，軋製成系泊鏈棒材；

（6）無損檢測，採用超音波及渦流探傷機組進行軋件的表面及內部質量的檢驗。

實施方式

以下說明《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》鋼的生產工藝：

（1）電爐冶煉，在100t超高功率直流電弧爐中冶煉，加入廢鋼及生鐵，實現預脫氧及成分初調；

（2）LF精煉，在100tLF精煉爐中進行成分微調；

（3）VD精煉，採用100tVD爐實現真空脫氣，保證[H]≤0．0002％；

（4）連鑄，採用半徑12米的5流連鑄機，連續澆鑄成300毫米方坯；

（5）連軋，通過16機架連軋機組，軋製成系泊鏈棒材；

無損檢測，採用超音波及渦流探傷機組進行軋件的表面及內部質量的檢驗。

實施例1

C：0．28％、Si：0．27％、Mn：1．58％、Cr：1．00％、Ni：1．12％、Mo：0．58％、Al：0．029％、Nb：0．04％、P：0．014％、S：0．006％、Cu：0．12％、Sn：0．02％、Sb：0．008％、As：0．02％、B：0．003％、[N]：0．0056％、[O]：0．0015％、[H]0．00015％。

棒材經整體熱處理（890℃淬火600℃回火），後取樣，所獲得的力學性能如下：

σ_δ=850兆帕、抗拉強度σ_b=980兆帕、延伸率σ₅=18％、斷面收縮率Ψ=67％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為145焦耳。

實施例2

C：0．30％、Si：0．28％、Mn：1．52％、Cr：1．20％、Ni：1．15％、Mo：0．58％、Al：0．032％、Nb：0．035％、P：0．015％、S：0．008％、Cu：0．12％、Sn：0．02％、Sb：0．008％、As：0．02％、B：0．003％、[N]：0．0062％、[O]：0．0016％、[H]O．00014％。

棒材經整體熱處理（890℃淬火600℃回火），後取樣，所獲得的力學性能如下：

σ_δ=830兆帕、抗拉強度σ_b=960兆帕、延伸率σ₅=19％、斷面收縮率ψ=65％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為142焦耳。

實施例3

C：0．26％、Si：0．25％、Mn：1．52％、Cr：0．95％、Ni：1．15％、Mo：0．58％、Al：0．025％、Nb：0．045％、P：0．015％、S：0．008％、Cu：0．12％、Sn：0．02％、Sb：0．008％、As：0．02％、B：0．003％、[N]：0．0060％、[O]：0．0015％、[H]0．00012％。

棒材經整體熱處理（890℃淬火600℃回火），後取樣，所獲得的力學性能如下：

σ_δ=840兆帕、抗拉強度J_b=995兆帕、延伸率σ₅=17％、斷面收縮率Ψ=62％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為135焦耳。

為了進一步說明《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》系泊鏈用鋼的實際套用效果，以下舉例說明用本鋼種製成的系泊錨鏈成品的力學性能。

錨鏈產品的制鏈工藝為：採用閃光預熱對焊專用機組將棒材進行編環對焊，鏈條製成後，需在立式連續式調質熱處理爐中進行淬火加回火處理：淬火溫度870-920℃，水冷至室溫，580-630℃回火，水冷至室溫。在鏈環的環背及焊縫處取拉伸及衝擊試樣，其檢驗結果如下。

環背：σ_δ=830兆帕、抗拉強度σ_b=917兆帕、延伸率σ₅=22％、斷面收縮率Ψ=67％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為141焦耳。

焊縫：σ_δ=825兆帕、抗拉強度σ_b=913兆帕、延伸率σ₅=17％、斷面收縮率Ψ=58％；-20℃下的衝擊功（V型缺口）為105焦耳。

以上系泊鏈棒材生產廠（興澄鋼鐵公司）以及系泊鏈產品生產廠（鎮江錨鏈廠）均通過ABS（美國船級社）、DNV（挪威船級社）、LR（英國勞氏船級社）三個船級社的工廠認可，並獲得工廠認可和產品認可證書，其力學性能數據為上述三家船級社產品認可的實測數據。

榮譽表彰

2005年，《高強度、高韌性、耐腐蝕系泊鏈用鋼及其生產工藝》獲得第四屆江蘇省專利項目獎銀獎。