國(guó)內(nèi)外船舶用鋼思考范文

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《新材料產(chǎn)業(yè)雜志》2014年第八期

一、我國(guó)船用合金結(jié)構(gòu)鋼

為了改善鋼材的組織與性能，通過(guò)向鋼中加入一種或幾種元素的技術(shù)，使其具有良好的機(jī)械性能、滿(mǎn)意的工藝性能和耐腐蝕性能。合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、性能優(yōu)越、成本低，近些年在船業(yè)中應(yīng)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(guò)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(guò)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(qiáng)度鋼（合金元素總量不超過(guò)5%，屈服強(qiáng)度比普通碳素鋼高50%以上），402、929是中合金鋼。從用途來(lái)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(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表5、表6。921、922、923為高鎳（Ni）、Cr的高強(qiáng)度鋼（921有鋼板和球扁鋼，922為厚板，923為薄板），鋼板均以調(diào)質(zhì)狀態(tài)供應(yīng)，921球扁鋼以熱軋狀態(tài)供應(yīng)（球扁鋼在船廠(chǎng)中加工成形并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理）921、922、923鋼的化學(xué)成分，鋼板和經(jīng)調(diào)質(zhì)后的球扁鋼的機(jī)械性能分別見(jiàn)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(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表9和表10。

二、我國(guó)船用鋼材發(fā)展的重點(diǎn)

從目前各鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)水平來(lái)看，我國(guó)的造船板質(zhì)量基本上可滿(mǎn)足用戶(hù)需求，主要問(wèn)題是鋼板尺寸相對(duì)較小，厚度公差和同板差的精度等級(jí)與先進(jìn)國(guó)家相比尚有差距，表面質(zhì)量還需要改進(jìn)，高強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品也需要大力研制和開(kāi)發(fā)。而隨著船舶制造的要求越來(lái)越高，未來(lái)船用鋼材的品種規(guī)格都會(huì)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(guī)格的鋼材，同時(shí)對(duì)船用鋼的質(zhì)量、規(guī)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(jí)、Z級(jí)鋼船板和型材的發(fā)展、大規(guī)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(zhǔn)確性好的無(wú)縫鋼管等；③船用鋼材的化學(xué)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(qiáng)度鋼材需求也越來(lái)越多。

三、國(guó)外船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

世界各國(guó)為了滿(mǎn)足其造船和海洋開(kāi)發(fā)的要求，根據(jù)各自資源特點(diǎn)都發(fā)展了自己船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，并制定了各自規(guī)范，但用于船舶制造的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的品種并不多。20世紀(jì)60年代前，國(guó)外船用低合金高強(qiáng)度鋼主要用于建造水面軍用艦船，商船建造應(yīng)用不多。隨著造船業(yè)的發(fā)展，一般強(qiáng)度船用結(jié)構(gòu)鋼已滿(mǎn)足不了建造大型商船的需要，國(guó)外企業(yè)開(kāi)始比較普遍地使用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來(lái)建造商船。但各國(guó)對(duì)多大噸位的商船采用低合金高強(qiáng)度鋼的看法不一，美國(guó)、俄羅斯認(rèn)為1萬(wàn)t以上的商船采用低合金高強(qiáng)度鋼建造經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)于采用一般強(qiáng)度船體鋼建造的經(jīng)濟(jì)效果，而西歐、北歐和日本等則主張5萬(wàn)t以上船舶采用低合金高強(qiáng)度船體鋼來(lái)建造。高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼主要是為適應(yīng)建造潛艇和開(kāi)展深海調(diào)查而發(fā)展的鋼種，它不但強(qiáng)度高，而且綜合機(jī)械性能高，國(guó)外對(duì)其發(fā)展很重視。

第2次世界大戰(zhàn)后，世界各軍事強(qiáng)國(guó)為了滿(mǎn)足艦船裝備的發(fā)展需求，研制開(kāi)發(fā)了系列高強(qiáng)度艦船用鋼。各國(guó)研發(fā)高強(qiáng)度艦船用鋼的詳細(xì)情況如下：①美國(guó)1958年開(kāi)始使用屈服強(qiáng)度為56kgf/mm2的HY-80鋼，1961年開(kāi)始使用屈服強(qiáng)度為70kgf/mm2的HY-100鋼，目前美國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度為91kgf/mm2的HY-130鋼、1260kgf/mm2的HY-180鋼和140kgf/mm2的HY-200鋼。像美國(guó)的“提康德羅加”級(jí)巡洋艦“、阿里•伯克”級(jí)新型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和“尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航母的某些結(jié)構(gòu)及“黃峰”級(jí)兩棲攻擊登陸艦的主要結(jié)構(gòu)，使用的都是HSLA-80鋼。而美國(guó)先進(jìn)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(jì)劃在HY-130基礎(chǔ)上研制NS90鋼來(lái)代替目前使用的屈服強(qiáng)度為63kgf/mm2的NS63鋼。③英國(guó)軍用規(guī)范規(guī)定的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)船體鋼有QT28、QT35和QT42鋼，它們的屈服強(qiáng)度分別為44kgf/mm2、56kgf/mm2和66kgf/mm2。④俄羅斯的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)船體鋼有AK-25、AK-27和AK-29鋼，它們的屈服強(qiáng)度分別為60kgf/mm2、52kgf/mm2和80kgf/mm2。⑤法國(guó)建造的“凱旋”級(jí)核潛艇耐壓殼體用鋼屈服強(qiáng)度已達(dá)到980MPa。船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要解決的問(wèn)題包括2個(gè)方面。一是含碳量問(wèn)題。傳統(tǒng)的高強(qiáng)度船體用鋼均是在低碳低合金鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝獲得低碳回火馬氏體組織來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度高韌性的要求。為了確保較厚規(guī)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(huì)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(qiáng)度艦船用鋼的強(qiáng)度和焊接性,已經(jīng)成為船體結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

另外，銅的含量也是造船用鋼研究的重要焦點(diǎn)。一方面在鋼里加入了一定比例的銅，其優(yōu)點(diǎn)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(duì)于艦體來(lái)說(shuō)也可以提高防彈效果。另一方面銅在鋼中高到一定量時(shí)，將引起熱脆性，造成晶間開(kāi)裂，氧化皮去除困難等問(wèn)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(shí)為控制鋼中殘余銅含量而進(jìn)行的處理，都無(wú)疑增加了生產(chǎn)成本。另外，為了保護(hù)全球生態(tài)環(huán)境,錫基防污底船用油漆已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)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(dāng)?shù)牟牧险谘兄浦小哪壳摆厔?shì)看,世界各國(guó)都在按優(yōu)質(zhì)和多種性能的方向不斷發(fā)展船用材。

作者：江洪王微單位：中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心中國(guó)科學(xué)院大學(xué)