國內外船舶用鋼思考范文

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《新材料產業雜志》2014年第八期

一、我國船用合金結構鋼

為了改善鋼材的組織與性能，通過向鋼中加入一種或幾種元素的技術，使其具有良好的機械性能、滿意的工藝性能和耐腐蝕性能。合金結構強度高、性能優越、成本低，近些年在船業中應用日益廣泛。合金鋼按其合金元素的含量可分為低合金鋼（合金元素總量不超過5%）、中合金鋼（合金元素總量為5%～10%）、高合金鋼（合金元素總量超過10%）。目前已定的鋼種有901、902、903、904、921、922、923、402、929等。其中901、902、903、904、921、922、923是屬于低合金高強度鋼（合金元素總量不超過5%，屈服強度比普通碳素鋼高50%以上），402、929是中合金鋼。從用途來講，901、902、903主要用于水面艦艇，其他則用于潛艇，901、902、903、904鋼的化學成分和機械性能見表5、表6。921、922、923為高鎳（Ni）、Cr的高強度鋼（921有鋼板和球扁鋼，922為厚板，923為薄板），鋼板均以調質狀態供應，921球扁鋼以熱軋狀態供應（球扁鋼在船廠中加工成形并進行調質處理）921、922、923鋼的化學成分，鋼板和經調質后的球扁鋼的機械性能分別見表7和表8。402、929為高Ni合金鋼，它們的屈服極限分別為80kgf/mm2和100kgf/mm2。它們的化學成分和機械性能見表9和表10。

二、我國船用鋼材發展的重點

從目前各鋼廠的生產水平來看，我國的造船板質量基本上可滿足用戶需求，主要問題是鋼板尺寸相對較小，厚度公差和同板差的精度等級與先進國家相比尚有差距，表面質量還需要改進，高強度級別的產品也需要大力研制和開發。而隨著船舶制造的要求越來越高，未來船用鋼材的品種規格都會提出更高的要求：①船舶建造的大型化，使得船板的品種幾乎涵蓋了所有規格的鋼材，同時對船用鋼的質量、規格、尺寸精度要求更高；②特殊性能和型材的鋼材需要大幅度增加，如F級、Z級鋼船板和型材的發展、大規格的球扁鋼、大型不等邊不等厚角鋼，高精度壁厚均勻性好和圓度準確性好的無縫鋼管等；③船用鋼材的化學性能需要不斷改善，不銹鋼及鎳基耐蝕合金等新材料在船用鋼材的使用比例不斷提高，低合金和高強度鋼材需求也越來越多。

三、國外船用高強度結構鋼

世界各國為了滿足其造船和海洋開發的要求，根據各自資源特點都發展了自己船用高強度結構鋼，并制定了各自規范，但用于船舶制造的高強度結構鋼的品種并不多。20世紀60年代前，國外船用低合金高強度鋼主要用于建造水面軍用艦船，商船建造應用不多。隨著造船業的發展，一般強度船用結構鋼已滿足不了建造大型商船的需要，國外企業開始比較普遍地使用低合金高強度結構鋼來建造商船。但各國對多大噸位的商船采用低合金高強度鋼的看法不一，美國、俄羅斯認為1萬t以上的商船采用低合金高強度鋼建造經濟效果優于采用一般強度船體鋼建造的經濟效果，而西歐、北歐和日本等則主張5萬t以上船舶采用低合金高強度船體鋼來建造。高強度調質結構鋼主要是為適應建造潛艇和開展深海調查而發展的鋼種，它不但強度高，而且綜合機械性能高，國外對其發展很重視。

第2次世界大戰后，世界各軍事強國為了滿足艦船裝備的發展需求，研制開發了系列高強度艦船用鋼。各國研發高強度艦船用鋼的詳細情況如下：①美國1958年開始使用屈服強度為56kgf/mm2的HY-80鋼，1961年開始使用屈服強度為70kgf/mm2的HY-100鋼，目前美國已經生產出屈服強度為91kgf/mm2的HY-130鋼、1260kgf/mm2的HY-180鋼和140kgf/mm2的HY-200鋼。像美國的“提康德羅加”級巡洋艦“、阿里•伯克”級新型導彈驅逐艦和“尼米茲”級核動力航母的某些結構及“黃峰”級兩棲攻擊登陸艦的主要結構，使用的都是HSLA-80鋼。而美國先進的攻擊型核潛艇(非耐壓殼體)和新建的航母殼體則用HSLA-100。②日本計劃在HY-130基礎上研制NS90鋼來代替目前使用的屈服強度為63kgf/mm2的NS63鋼。③英國軍用規范規定的高強度調質船體鋼有QT28、QT35和QT42鋼，它們的屈服強度分別為44kgf/mm2、56kgf/mm2和66kgf/mm2。④俄羅斯的高強度調質船體鋼有AK-25、AK-27和AK-29鋼，它們的屈服強度分別為60kgf/mm2、52kgf/mm2和80kgf/mm2。⑤法國建造的“凱旋”級核潛艇耐壓殼體用鋼屈服強度已達到980MPa。船用高強度結構鋼主要解決的問題包括2個方面。一是含碳量問題。傳統的高強度船體用鋼均是在低碳低合金鋼的基礎上，通過采用調質熱處理工藝獲得低碳回火馬氏體組織來達到高強度高韌性的要求。為了確保較厚規格鋼板具有足夠的淬透性,鋼中通常需要添加較高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素，而這會使得鋼的碳含量大幅增加，使得焊接變得十分困難。如何兼顧高強度艦船用鋼的強度和焊接性,已經成為船體結構鋼設計的一個關鍵因素。

另外，銅的含量也是造船用鋼研究的重要焦點。一方面在鋼里加入了一定比例的銅，其優點在于減慢了鋼材在大氣中的腐蝕速度，改善鋼材在海水中的耐蝕性，其耐磨性可以較大幅度提高。對于艦體來說也可以提高防彈效果。另一方面銅在鋼中高到一定量時，將引起熱脆性，造成晶間開裂，氧化皮去除困難等問題。為避免熱脆性，通常將鋼中的銅作為有害元素而限制在0.35%以下，同時為控制鋼中殘余銅含量而進行的處理，都無疑增加了生產成本。另外，為了保護全球生態環境,錫基防污底船用油漆已經被越來越多的國家所禁用。一種以低碳鋼和銅鎳合金組成的具有與油漆的抗腐蝕和防污底功能相當的材料正在研制中。從目前趨勢看,世界各國都在按優質和多種性能的方向不斷發展船用材。

作者：江洪王微單位：中國科學院武漢文獻情報中心中國科學院大學