高強度R6級系泊鏈熱處理工藝的研究

張 明，張衛(wèi)新，李 劍，邵云亮

(江蘇亞星錨鏈股份有限公司，江蘇 靖江 214533)

隨著海上油氣開采難度的提高，石油工程對系泊鏈的力學性能要求越來越高。通過近幾十年的發(fā)展，系泊鏈等級已經從最早的R3、R3S級發(fā)展到了R4、R4S、R5級，實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。目前最大規(guī)格R5級普通鏈環(huán)已經達到到171 mm，不可能再無限制地加大，因此開發(fā)更高等級的R6級系泊鏈已成為系泊鏈發(fā)展趨勢。船級社規(guī)范要求R6級系泊鏈的抗拉強度1110～1200 MPa，屈服強度與抗拉強度比≤0.92，-20 ℃焊縫低溫韌性沖擊功≥ 42 J，-20 ℃環(huán)背低溫沖擊功≥ 58 J；必須適當確定熱處理工藝，使系泊鏈獲得理想的使用性能[1]。

通過批量試驗研究，確定R6級系泊鏈生產的熱處理工藝，熱處理之后的力學性能完全符合船級社規(guī)范要求。

1 試驗材料和方法

R6系泊鏈用鋼的主要化學成分(質量分數(shù)，%)為： 0.17～0.28 C， 0.30～1.35 Mn，0.15～0.50 Si，1.25～2.50 Cr，0.2～1.2 Ni，0.20～0.60 Mo，0.01～0.06 Al，0～0.60 Cu，≤0.05 Nb，≤0.30 V，≤0.020 Ti，其余Fe。

系泊鏈環(huán)的調質熱處理在立式熱處理爐中進行，經淬火+高溫回火的調質處理，使材料的強韌性得到最佳的匹配效果。因此合理的熱處理工藝制度將直接影響系泊鏈的性能。將R6級系泊鏈按表1的9種工藝進行試驗，鏈環(huán)試樣按不同工藝熱處理后[2]，加工成標準環(huán)背和焊縫拉伸試樣各9支，環(huán)背和焊縫夏比沖擊試樣各3支，按《GB/T 228.1—2010金屬材料室溫拉伸試驗方法》和《GB/T 229—2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行各項力學試驗。

表1 R6級系泊鏈熱處理工藝

2 試驗結果和分析

2.1 試驗結果

R6級系泊鏈熱處理后的力學性能見表2。

表2 R6級系泊鏈力學性能

2.2 試驗分析

通過試驗，發(fā)現(xiàn)9#系泊鏈環(huán)力學性能合格。對該工藝分析：由于在焊接過程中，焊縫處主要元素(如C、Si、Mn 等)的燒損，將降低焊縫處的力學性能[3]。為此，需采用與之相匹配的調質熱處理工藝，以促進近焊縫區(qū)合金元素向焊縫擴散，避免焊縫成為整個鏈環(huán)的薄弱區(qū)域。淬火加熱到1050 ℃，并保溫165 min，然后進行水冷。淬火溫度1030 ℃超出Ac3臨界點150 ℃左右，不僅提高了鏈條的強度，而且使鋼中合金元素充分溶解和均勻化，取得較好的淬火效果。回火溫度655 ℃，并保溫165 min，有利于材料中的碳化物的析出和分布，能夠實現(xiàn)預期的材料內部組織的轉變，獲得回火索氏體，從而提高鏈條的綜合力學性能[4]。

設備分析：立式調質熱處理爐是半開放式的，與一般室式爐或臺車爐不同，立式調質爐分為淬火爐和回火爐兩個爐筒，淬火爐主要用天然氣加熱；回火爐主要用電加熱，整個爐璧上均勻分布著電阻帶。

R6級系泊鏈的屈強比要求≤0.92。實現(xiàn)這個指標主要從兩個方面：一是從材料方面，調整合金元素，改善基體組織，擴大貝氏體轉變區(qū)域，提高貝氏體轉變溫度，所以Cr的含量為1.25%～2.50%，鉬含量為0.20%～0.60%。另外鉬與鉻組合可以提高貝氏體含量，控制貝氏體/馬氏體比例和形成M2C型碳化物，作為氫陷阱，降低進入鋼中的擴散氫量，由于Cr與Mo配合能夠擴大貝氏體轉變區(qū)域，提高貝氏體轉變溫度。因此R6級的鋼淬火組織中上貝氏體的比例有所增加，限制了馬氏體/下貝氏體的比例，保證了高強鏈鋼高居不下的屈強比明顯降低。二是從熱處理工藝方面，控制調質參數(shù)，提高馬氏體/貝氏體的比例，達到降低屈強比的目的。

根據(jù)DNV船級社規(guī)范[5]，對9#試驗鏈環(huán)取樣進行微觀試驗。試樣取自系泊鏈焊縫區(qū)域，并需使用合適的試劑進行腐蝕，在100×和500×下觀察奧氏體和鐵素體晶粒，見圖1。根據(jù)標準ASTM E112，奧氏體晶粒應≥6。從照片中可以看出，系泊鏈組織較為均勻，主要由少量的鐵素體，貝氏體和馬氏體組成。焊縫處因為焊接時水冷電極的冷卻，冷卻速度較快，形成了較細小的組織，在隨后的淬火加熱過程中，奧氏體晶粒尺寸變小，形成了最終細化的組織，沖擊功很高。

(a)100×；(b)500×圖1 9#試樣顯微組織Fig.1 Microstructure of 9# sample

3 結論

通過R6級系泊鏈的9種熱處理工藝進行試驗，根據(jù)力學性能分析，按1030 ℃淬火+655 ℃回火的工藝對R6級鏈環(huán)進行熱處理，綜合力學性能合格，該熱處理工藝能應用于R6級系泊鏈的批量加工。