一种EH36优化材料钢锭自由锻成板形轴承座锻件特种工艺

摘要

本发明涉及一种将板材材质EH36优化材料钢锭锻造出厚度为250mm的板形轴承座锻件，实现钢板轧制所不能达到的厚度，却能达到较之薄得多的轧制钢板所具有的机械性能的一种EH36优化材料钢锭自由锻成板形轴承座锻件的特种工艺。质量百分数：C≤0.18%，Si:0.15～0.40%，Mn为1.20～1.60%，S≤0.015%，P≤0.020%，Cu≤0.35%，Cr≤0.20%，Ni≤0.40%，Nb:0.05～0.10%，V:0.05～0.10%，Ti≤0.02%，Mo≤0.08%，Al:0.02～0.035%，其余为Fe。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将板材材质EH36优化材料钢锭锻造出厚度为250mm 的板形轴承座锻件，实现钢板轧制所不能达到的厚度，却能达到较之薄得 多的轧制钢板所具有的机械性能的一种EH36优化材料钢锭自由锻成板形 轴承座锻件的特种工艺。

背景技术

EH36是船舶及海洋工程用结构钢中的一种材质，该材质具有优良的低 温韧性和焊接性能，适用于海洋工程结构中厚度不大于150mm的钢板、厚 度不大于25.4mm的钢带、剪切板和直径不大于50mm的型钢，在工艺上主 要通过轧制+轧后热处理的方法。随着海洋的开发不断向深海发展，对于海 工设备的要求也越来越高，为了适应深海设备工作的要求，根据设计要求 产品厚度为250mm,产品的性能要满足EH36作为板材的力学性能要求。由 于该产品的厚度大大超出了EH36用于板材的厚度范围。轧制工艺虽然也可 以破坏钢锭的铸态组织，细化钢材的晶粒，消除显微组织的缺陷，改善力 学性能，但是这种改善主要体现在沿轧制方向上，而钢材在一定程度上不 再是各向同性。经过轧制之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物 和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢 材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，随着板材厚度增加，这种影响也随之 加剧；轧制的钢材产品，对于厚度和边宽这方面不好控制，冷却后还是会 出现一定的负差，这种负差边宽越宽，厚度越厚表现的越明显。现有的轧 制设备和轧制方法无法达到产品的设计要求。

锻造的工艺方法不仅能改变钢锭的铸态组织，细化钢材的晶粒，消除 显微组织的缺陷，改善力学性能。同时通过锻造过程的镦粗工序，使钢锭 内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压成细小颗粒和压实，使组织变得更 加紧密。锻造加工还能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与 锻件外形保持一致，金属流线完整，同时也保证了金属材料性能的一致。 本发明设计一种采用特种锻造成型工艺+热处理工艺的制造方法来满足设 计要求。

发明内容

本发明的设计目的：设计一种特种锻造工艺+热处理工艺的制造方法将 板材材质EH36优化材料钢锭锻造出厚度为250mm的板形轴承座锻件，实 现钢板轧制所不能达到的厚度，却能达到较之薄得多的轧制钢板所具有的 机械性能。

本发明的设计方案之一。材料选择一种EH36轧制钢板材料作为钢锭材 料的牌号,并根据本发明工艺方案要求对其组分进行优化:

1.化学成份（%）

说明：本发明组分构成为质量百分含量，其余组分构成为Fe。

本发明从有利于锻造工艺过程获得致密组织和提高材料低温韧性两方 面出发，通过分析组分元素对材料性能的影响，对组分构成进行了优化。 采用控制主控元素Si、Mn的含量及调整有害元素P、S的残留范围，并控 制有利于细化晶粒的微量元素V、Nb、Al的添加含量来满足产品的性能要 求。

（1）Si在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂加入，镇静钢中一般含有 0.15～0.40%的Si，虽然Si含量小于0.60%时，对于晶粒的影响不大，对于 冲击韧性的影响也较小，但是随着含Si量的增加，对于韧性-脆性转变温度 的影响很大，随着Si含量的增加，因此Si含量韧性-脆性转变温度也会提 高，不利于低温韧性的提高，因此控制在：0.15～0.40%；

（2）Mn能提高钢的强度，并消弱和消除S的不良影响，提高钢的淬 透性。在炼钢过程中，Mn是良好的的脱氧剂和脱硫剂，有利于提高钢锭的 锻造性和可塑性，因此将含量控制在1.20～1.60%；

（3）S不溶于Fe,在钢中以FeS的形式存在，FeS和Fe能形成熔点为 985℃的共晶体，且分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000～1200℃进行锻 造时，会使晶界上的共晶体熔化，使钢变脆。同时会以夹杂物的形式残存 与锻件中，因此必须控制其残留含量，一般的镇静钢含量控制在0.040%以 下，根据本发明锻造工艺要求S含量控制在0.015%以下；

（4）P在钢中能全部溶于铁素体中，具有强烈的固溶强化作用，使钢 的强度和硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。同时在锻造过程易形成带 状组织，一般的镇静钢含量控制在0.040%以下，本发明锻造工艺要求P含 量控制在0.020以下；

（5）Nb作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构，而是与钢中 的C、N、S结合，改变钢的显微结构。Nb对钢的强化作用主要是的是细 晶强化和弥散强化，Nb能和钢中的C、N生成稳定的碳化物和碳氮化物。 而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。

Nb还可以通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布。在较 宽的范围内调整钢的韧性水平。因此，加入Nb不仅可以提高钢的强度，还 可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性!降低钢脆性转变温度，获得好 的焊接性能和成型性能，根据主控元素含量要求，本发明Nb加入量控制在： 0.05～0.10%；

（6）Al在炼钢过程中作为终脱氧剂加入，炼钢终脱氧加入量一般在 1%左右，而Al作为微量元素存在时，可起到细化晶粒，提高冲击韧性的作 用。同时还具有抗氧化性和抗腐蚀性能。结合本发明的组分要求，Al残留 控制量在：0.020～0.035%.

2.机械性能

R_m N/mm²R_eH N/mm²A₅% Z% AKv J(-40℃) HB 490～630 ≥355 ≥21 - ≥50 -

说明：拉伸为横向取样，冲击为纵向取样。

本发明的设计方案之二。根据本发明优化材料要求的钢锭作为锻件原 材料,锻造成型为轧制钢板厚度所无法达到的板形轴承座锻件。

EH36板形轴承座锻件作为海上钻井平台用重要零件，考虑到其未来的 工作环境和负荷状态，在诸如环境温度的剧烈变化，施工载荷的不均匀性， 由于飓风、海浪导致的构架摇晃及施工过程中的不确定因素等恶劣复杂状 态下仍需保证其工作的有效性和可靠性。基于此，设计上对以此种钢锭为 原材料生产的锻件提出了严格的试验要求，相应制定了详尽的试验大纲,内 容除了常规的材料化学成份分析、按标准常温下的机械性能(拉伸、冲击) 试验,宏观、微观试验和无损检测之外,大纲超出常规之处在于其取样部位 涉及锻件的不同方向和多个层面,尤其对于冲击试验,要求其试验温度在 20℃及0℃至-60℃每隔10度取值一次,并就试验结果绘出冲击值(J)和温 度(t)变化曲线,还特别增加了在锻件1/2和1/4厚度层面的无应变时效和 应变时效状态下的冲击试验，以观察材料的时效敏感性。而对拉伸试验则 要求在室温下，在接近上下两个表面分别取纵向和横向2个试样进行试验。 同时，为了确保材料机械性能的均匀性和稳定性，考虑到有害元素S的不 良影响而增加了硫印试验以观察锻件截面上S的含量及其分布情况作为对 材料化学成份分析的补充试验。

技术方案1：一种EH36钢锭自由锻成板形轴承座锻件优化材料，质量 百分数：C≤0.18%，Si:0.15～0.40%，Mn为1.20～1.60%，S≤0.015%，P ≤0.020%，Cu≤0.35%,Cr≤0.20%，Ni≤0.40%，Nb:0.05～0.10%，V:0.05～ 0.10%，Ti≤0.02%，Mo≤0.08%，Al:0.02～0.035%，其余为Fe。

技术方案2：一种将EH36优化材料钢锭自由锻成形为板形轴承座锻件 的特种工艺.⑴加热：采用17″方形截面钢锭装炉，装炉温度不高于350±10 ℃，升高炉温，使炉温在升高到900±10℃时，保温2小时,然后加热至始锻 温度1200±10℃保温1小时出炉；⑵变形：钢锭在加热前锯除冒口和锭尾， 加热出炉后在锻锤上首先镦粗成形并冲孔成雏形，返炉加热，再次出炉， 整形﹑平整完工。材料的始锻温度和终锻温度分别为1200±10℃和800±10 ℃。钢坯在此锻造温度范围内依次完成各道工序，满足锻件图的尺寸和公 差要求。锻件的综合锻造比≥4.9，以保证锻件内部组织的致密。锻造比是 金属变形前后的横断面积之比。钢锭材料利用率为70%～80%；⑶锻后冷 却和热处理：锻压设备为8t自由锻电液锤,完工后的锻件先空冷至550±10 ℃后放置在保温砂坑内冷却，随后进行锻后热处理—890±10℃正火。前者 区别于常规锻后直接在保温砂坑内冷却的方法是为了对未再结晶奥氏体进 行快速冷却,从奥氏体晶界和变形带上甚至变形奥氏体内形核，使组织进一 步细化，促使变形奥氏体转变马氏体或贝氏体组织，从而提高材料的强韧 性；后者是为了进一步消除应力，细化晶粒并为其后的最终热处理作准备。 （4）锻件粗加工后进行调质：880±10℃水淬+580±10℃回火；（5）按试验 大纲的要求对材料进行机械性能(拉伸、冲击)试验,宏观、微观试验和无损 检测;(6)其中对于冲击试验,要求其试验温度在20℃及0℃至-60℃每隔10 度取值一次,并就试验结果绘出冲击值(J)和温度(t)变化曲线,还特别 增加了在锻件1/2和1/4厚度层面的无应变时效和应变时效状态下的冲击试 验，以观察材料的时效敏感性。而对拉伸试验则要求在室温下，在接近上 下两个表面分别取纵向和横向2个试样进行试验。可见，以上取样部位均 涉及到锻件的不同方向和多个层面。同时，为了确保材料机械性能的均匀 性和稳定性，考虑到有害元素硫（S）的不良影响而增加了硫印试验以观察 锻件截面上硫的含量及其分布情况作为对材料化学成份分析的补充试验。

本发明与背景技术相比，不仅使采用EH36优化材料的钢锭锻造成厚度 为250mm锻件成为现实，为此种形状的锻件直接采用钢锭锻造成形开创了 先例，而且所锻造出来的锻件完全符合EH36钢板的技术要求。

附图说明

图1-1轴承座锻件主视示意图。

图1-2是图1-1的侧视示意图。

图2-1是轴承座粗加工取样主视示意图。

图2-2是图2-1侧视示意图。

图3在不同温度状态下（20℃，0℃，-10℃，-20℃，-30℃，-40℃， -50℃-60℃，下同）,接近锻件的上部和下部表面的纵向和横向冲击吸收功 无应变时效冲击试验结果所获得的冲击值(J)和温度(t)变化曲线。

图4在不同温度状态下（同上）,锻件的1/4厚度和1/2厚度处纵向和 横向冲击吸收功无应变时效冲击试验结果所获得的冲击值(J)和温度(t) 变化曲线。

图5在不同温度状态下（同上）,锻件的1/4厚度和1/2厚度处纵向和 横向冲击吸收功应变时效冲击试验结果所获得的冲击值(J)和温度(t)变 化曲线。

图6在不同温度状态下（同上）,锻件的1/4厚度和1/2厚度处纵向和 横向冲击吸收功无应变时效冲击试验相对于应变时效冲击试验所表现的时 效敏感性曲线。

具体实施方式

实施例1：参照附图1。一种EH36钢锭自由锻成板形轴承座锻件的特 种工艺，在取得合格的原材料的前提下,该工艺规范必须包括以下内容：

1、加热规范—装炉温度、加热速度和保温时间、出炉温度。

采用17〞方形截面的钢锭,装炉温度不高于350±10℃,随炉升温,加 热过程中,当炉温升到900±10℃时,保温2小时,然后加热至始锻温度 1200±10℃保温1小时出炉。

2、变形工艺—包括锻压设备,变形工序,材料的变形程度和锻造比,钢 锭镦粗成形，冲孔及平整，修正直至锻件完工,钢锭底部和冒口的切除和钢 锭利用率,始锻温度和终锻温度等内容。

3、锻后冷却和热处理—锻压设备为8t自由锻电液锤,完工后的锻件 先空冷至550±10℃后放置在保温砂坑内冷却，随后进行锻后热处理— 890±10℃正火。前者区别于常规锻后直接在保温砂坑内冷却的方法是为了 对未再结晶奥氏体进行快速冷却,从奥氏体晶界和变形带上甚至变形奥氏体 内形核，使组织进一步细化，促使变形奥氏体转变马氏体或贝氏体组织，

从而提高材料的强韧性；后者是为了进一步消除应力，细化晶粒并为其后 的最终热处理作准备。

4、调质：为第二热处理或称为最终热处理，在粗加工后进行，为调质 处理：880±10℃水淬+580±10℃回火。

5、试验结果：以下为该锻件按上述试验要求进行试验后所获得的结果。 结果是令人满意的。此处简化了大部分表格而只列出试验结果的平均值或 试验结论,也畧去了试样断口、硫印、金相、宏观等各类照片。

5.1化学成份复验（%）

材料牌号：EH36优化材料

炉号：136-45

质量百分数

说明：其余组分为Fe

5.2机械性能试验

材料牌号：EH36优化材料

炉号：136-45

5.2.1拉伸试验

5.2.1.1接近锻件的上部表面和下部表面纵向拉伸试验

试验温度：室温（20℃）

5.2.2.2接近锻件的上部表面和下部表面横向拉伸试验

试验温度：室温（20℃）

5.2.2冲击试验

5.2.2．1在不同温度状态下接近锻件的上部表面和下部表面的纵向和 横向冲击吸收功无应变时效冲击试验并给出冲击值（J）和温度（t）变化曲 线（图3）

5.2.2．2在不同温度状态下锻件的1/2和1/4厚度处纵向和横向冲击吸 收功无应变时效冲击试验并给出冲击值(J)和温度(t)变化曲线(图4)

5.2.2.3在不同温度状态下锻件的1/2和1/4厚度处纵向和横向冲击吸收 功应变时效冲击试验并给出冲击值(J)和温度(t)变化曲线（图5）

说明：(1)时效试棒的拉伸残余变形为其原始标定尺寸的10%(±0.5%)

(2)人工时效:试样被加热至250℃(±10℃)—保温1小时—空 冷

5.2.2．4在不同温度状态下锻件的1/2和1/4厚度处纵向和横向冲击吸 收功无应变时效冲击试验和应变时效冲击试验的时效敏感性表现并给出其 变化曲线(图6)

注：时效敏感性为钢在应变时效前后冲击韧性平均值之差（Jw-Jy）与其在 无时效状态下冲击韧性平均值（Jw）之百分比。

计算公式为：C=(Jw-Jy)/Jw×100%

式中:C—时效敏感性(%)

Jw—无应变时效冲击值

Jy—应变时效冲击值

值得指出的是,规范就不同温度状态下对材料进行冲击试验及时效敏 感性试验，目的是在于了解以此种材料制造的锻件在未来恶劣的低温环境 和复杂的载荷条件下工作,其冲击韧性是否会出现剧烈的变化而或导致灾难 性的后果。通过对以上的试验结果和曲线图进行分析得出,在不同温度、不 同取样位置下，材料的性能均较为稳定，结果是令人满意的。

6、金相试验(100×和500×)

取样部位:接近锻件的上表面、下表面和1/2厚度处（共3处），检查：

6．1金相组织:回火索氏体+少量铁素体

6．2晶粒度:6.0～7.0级(按GB/T6394-2002)

7、宏观腐蚀试验(横相取样)结果：一般点状偏析1.0级

8、硫印试验(横向取样)结果：

(以上2项试验按GB/T4236-1984,GB/T1979-2001和GB/T226-1991评定)

9、超声波探伤:点状偏析1.0级(按ZB U05008-19902级评定)

注：以上所有试验都在锻件经粗加工并调质后进行。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细 的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述， 而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增 加或修改，均落入本发明的保护范围内。