特種鋼知識介紹

特種鋼知識第二次世界大戰(zhàn)后，世界各軍事強國為了滿足艦船裝備的發(fā)展需求，研制開發(fā)了系列高強度艦船用鋼。如美國，戰(zhàn)后發(fā)展了355MPa(36kgf/mm2)級HTS鋼、550MPa(56kgf/mm2)級HY80鋼、690MPa(70kgf/mm2)級HY100鋼、890MPa(91kgf/mm2)級HY130鋼，并用于實船建造；俄羅斯開發(fā)了屈服強度從390-1175MPa(40-120kgf/mm2)級的АБ系列艦船鋼；法國最新建造的“凱旋”級核潛艇耐壓殼體用鋼屈服強度已達到980MPa。HY-80、HY-100、HY-130都是美國在50年代開始應(yīng)用于艦艇制造的高強度低合金鋼，現(xiàn)在已經(jīng)普遍被HSLA-80和HSLA-100系列高強度鋼所替代。此類高強度鋼由于含有銅元素，因此有別于于傳統(tǒng)的船體用鋼。傳統(tǒng)的高強度船體用鋼均是在低碳低合金鋼的基礎(chǔ)上，通過采用調(diào)質(zhì)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配合。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,M.等合金元素。鋼的強度級別要求越高,船體鋼的碳當大幅增加,這使得鋼的焊接變得十分困難。如何兼顧高強度艦船用鋼的強度和焊接性,己成為船體結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。由于在鋼里加入了一定比例的銅，其優(yōu)點在于減慢了鋼材在大氣中的腐蝕速度。銅還可以改善鋼材在海水中的耐蝕性，另外，含銅的鋼材其耐磨性也有較大幅度的提高。由于韌性加強了，對于艦體的直接好處就是提高了防彈效果。這種鋼在戰(zhàn)后美國第一代產(chǎn)品就是屈服強度為36kgf/mm的2級S鋼,56kgf/mm的Z級HY80鋼,70kgf/mm的Z級HY100鋼以及91kgf/mm的級HY130鋼。俄羅斯也開發(fā)了屈服強度從40kgf/mmZ-120kgf/mmZ級的A6系列艦船鋼:我國也相繼研制成功了40,45,60,80kgf/mm2級的高強度艦船用鋼系列.但是銅在鋼中高到一定量時，將引起熱脆性。將鋼加熱到1100～1200℃(一般的熱加工溫度)，鐵優(yōu)先氧化形成氧化皮，在氧化層和鋼之間的界面上留下一層極薄的不易察覺的液態(tài)銅(銅的熔點僅為1083℃)。熱軋或連鑄時，鋼中殘余的銅便大量滲入晶界，造成晶間開裂。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。另外，含銅鋼的氧化皮去除困難，使制品的表面質(zhì)量低劣。某些在特殊環(huán)境中服役的鋼，若殘余銅含量高，還可能出現(xiàn)輻照脆性、去應(yīng)力脆性和回火脆性等問題，核容器用鋼必須控制殘余銅含量≤0.08%。由于銅的有害作用，人們都怕銅鋼。冶煉過銅鋼的爐子通常要經(jīng)過多次洗爐，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(chǎn)成本。再一個，HY-80系列鋼在焊接前要進行長時間預熱，這也使造船成本增加。近年來，國外對銅合金化進行了深入研究，并開發(fā)出一些含銅的新鋼種。這類新鋼種以美國的可焊接低合金高強度HSLA-80及HSLA-100鋼為代表。HSLA-80鋼是以ASTM710鋼為基礎(chǔ)開發(fā)的一種低碳、銅析出強化鋼，其強韌性可達HY-80鋼要求。采用HY-80型焊接材料焊接時，HSLA-80鋼的熱裂抗力和冷裂抗力都優(yōu)于HY-80鋼。由于焊接預熱過程的減少或取消，造船成本比采用HY-80鋼降低50%～90%。優(yōu)良的焊接性能是由于焊接過程中的熱量使銅溶解，晶料粗化，熱影響區(qū)軟化。HSLA-80鋼于1984年開始用于艦船建造。在HSLA-80鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的HSLA-100鋼強度、韌性可以達到或超過HY-100鋼，取消焊前預熱仍可保持好的可焊性。HSLA-100鋼也是低碳、銅析出強化鋼，它采用錳、鎳、鉬來增加淬透性，鎳改善韌性，同時進一步加強ε-Cu的析出強化效果，銅含量高于HSLA-80鋼。作為HY-100鋼的替代品，HSLA-100鋼自1989年起開始使用。像美國的“提康德羅加”級巡洋艦、“阿里．伯克”級新型導彈驅(qū)逐艦和“尼米茲”級核動力航母的某些結(jié)構(gòu)及“黃峰”級兩棲攻擊登陸艦的主要結(jié)構(gòu)，使用的都是HSLA-80鋼。氣墊船的船體材料也是這種鋼。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，如1993年下水的CVN-74“斯坦尼斯”號航母上就大量使用了厚度從15.9到25.4mm的HSLA-100鋼。中國的潛艇用鋼有590Mpa的921鋼與785Mpa的980超級鋼，前者是HY80級別的，后者是HY100級別的。921估計是039用鋼，而90年代研制的航母與潛艇耐壓殼體980鋼估計將使用在09III上。HY80鋼的潛深能達到400米，HY100鋼能達到600米。980鋼配套的焊接材料，通過合理的合金設(shè)計，超純冶煉和超低氫工藝措施，很好地解決了與母材等強匹配。在非常嚴格，苛刻和不同季節(jié)的條件下，實現(xiàn)了對980鋼在產(chǎn)品制造和施工工藝上的適應(yīng)性考核，結(jié)果表明980鋼具有良好的造船工藝適應(yīng)性。980鋼嚴格地按照科研程序走完了研制全過程，填補了我國785Mpa級耐壓殼體用鋼的空白，使該材料達到了國際先進水平。我國是世界上造船大國，近年來增長強勁，對造船的鋼需求量很大。造船用鋼包括板材、型材和管材，其中又以板材為主，約占88%。2003年全國船板產(chǎn)量為201萬噸，自給率為74%。國內(nèi)有20多家鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)造船鋼板，主要有寶鋼集團上海浦鋼、鞍鋼、武鋼、重鋼、舞鋼、南鋼、濟鋼、馬鋼等，普通強度級船板都通過了中國(CCS)、英國(LR)、法國(BV)、美國(ABS)、德國(GL)、日本(NK)、挪威(DNV)、韓國(KR)、意大利(RINA)等多個國家船級社的認證，部分鋼鐵企業(yè)的高強度船板也通過了多個國家船級社的認證。上海浦鋼生產(chǎn)造船用鋼歷史較久，2003年船板產(chǎn)量達到42萬噸，其中出口用船板在萬噸以上，產(chǎn)品質(zhì)量較好，硫、磷含量低，機械性能穩(wěn)定，尺寸精度較高，表面質(zhì)量優(yōu)良，規(guī)格齊全，厚度為6—100毫米，最寬達到3000毫米，牌號從低到高共有10個，已被用于制造各類大型運輸船只，另外，抗層狀撕裂鋼板已經(jīng)替代進口用于渤海、東海和南海的采油平臺。武鋼2003年船板產(chǎn)量為29萬噸，冶煉和軋制通過采用一系列的新工藝新技術(shù)新設(shè)備，產(chǎn)品具有化學成分穩(wěn)定，有害元素含量低，鋼質(zhì)純凈，組織均勻，晶粒細小，塑性好，屈強比低，碳當量低，能適應(yīng)大型造船廠自動埋弧焊、等離子焊等多種焊接工藝要求的特點，可用于制造各種噸位、各種型號的出口船。重鋼60年代初期開始研制生產(chǎn)船板，80年代按各國船級社船規(guī)規(guī)范組織生產(chǎn)，90年代又研制開發(fā)出一系列高強度級別產(chǎn)品。2003年船板產(chǎn)量達到32萬噸。重鋼非常重視船用鋼板的研發(fā)，相繼采用了預脫硫、爐外精煉、微合金化、保護澆注和控軋控冷細化晶粒等措施，使產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。舞陽鋼鐵公司2003年船板產(chǎn)量為14萬噸、其中厚度在40毫米以上的市場占有率為50%。產(chǎn)品質(zhì)量好，鋼質(zhì)純凈度較高，有害元素和夾雜物低，低溫韌性和焊接性能提高，同板差、異板差和表面缺陷均有改善。4個普通強度級和6個高強度級產(chǎn)品都通過國內(nèi)外9家船級社認證。2003年船板的產(chǎn)量，鞍鋼為26萬噸，南京鋼鐵聯(lián)合公司為23萬噸，濟鋼為8萬噸，產(chǎn)品質(zhì)量都有了較大提高。從上述可以看出，目前我國的造船板質(zhì)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(zhì)量還需要改進，高強度級別的產(chǎn)品也需要大力研制和開發(fā)。一般強度船體結(jié)構(gòu)用鋼一般強度船體結(jié)構(gòu)用鋼分為A、B、C、D4個等級，這4個等級的鋼材的屈服強度（不小于235N/mm^2）和抗拉強度（400～520N/mm^2）一樣，只是不同溫度下的沖擊功不一樣而已；高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼按其最小屈服強度劃分強度等級，每一強度等級又按其沖擊韌性的不同分為A、D、E、F4級。A32、D32、E32、F32的屈服強度不小于315N/mm^2，抗拉強度440～570N/mm^2，A、D、E、F分別表示其各自可分別在0°、-20°、-40°、-60°的情況下所能達到的沖擊韌性；A36、D36、E36、F36的屈服強度不小于355N/mm^2，抗拉強度490～620N/mm^2，A、D、E、F分別表示其各自可分別在0°、-20°、-40°、-60°的情況下所能達到的沖擊韌性；A40、D40、E40、F40的屈服強度不小于390N/mm^2，抗拉強度510～660N/mm^2，A、D、E、F分別表示其各自可分別在0°、-20°、-40°、-60°的情況下所能達到的沖擊韌性。還有，焊接結(jié)構(gòu)用高強度淬火回火鋼：A420、D420、E420、F420；A460、D460、E460、F460；A500、D500、E500、F500；A550、D550、E550、F550；A620、D620、E620、F620；A690、D690、E690、F690；鍋爐與受壓容器用鋼：360A、360B；410A、410B；460A、460B；490A、490B；1Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo機械結(jié)構(gòu)用鋼：一般可選用上述鋼材；低溫韌性鋼：0.5NiA、0.5NiB、1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni；奧氏體不銹鋼：00Cr18Ni10、00Cr18Ni10N、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni13Mo2N、00Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni13Mo3N、0Cr18Ni11Nb；雙相不銹鋼：00Cr22Ni5Mo3N、00Cr25Ni6Mo3Cu、00Cr25Ni7Mo4N3。復合鋼板：適用于化學制品運輸船的容器和液貨艙；Z向鋼：是在某一等級結(jié)構(gòu)鋼（稱為母級鋼）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過特殊處理（如鈣處理、真空脫氣、氬氣攪拌等）和適當熱處理的鋼材。二、船體用結(jié)構(gòu)鋼造船用鋼一般是指船體結(jié)構(gòu)用鋼，它指按船級社建造規(guī)范要求生產(chǎn)的用于制造船體結(jié)構(gòu)的鋼材。常作為專用鋼訂貨、排產(chǎn)、銷售，一船包括船板、型鋼等。目前我國幾大鋼鐵企業(yè)均有生產(chǎn)，而且可按用戶需要生產(chǎn)不同國家規(guī)范的船用鋼材，如美國、挪威、日本、德國、法國等，其規(guī)范如下：國籍規(guī)范中國CCS美國ABS德國GL法國BV挪威DNV日本KDK英國LR（一）品種規(guī)格船體用結(jié)構(gòu)鋼按照其最小屈服點劃分強度級別為：一般強度結(jié)構(gòu)鋼和高強度結(jié)構(gòu)鋼。中國船級社規(guī)范標準的一般強度結(jié)構(gòu)鋼分為：A、B、D、E四個質(zhì)量等級；中國船級社規(guī)范標準的高強度結(jié)構(gòu)鋼為三個強度級別、四個質(zhì)量等級：A32A36A40D32D36D40E32E36E40F32F36F40（二）力學性能與化學成分一般強度船體結(jié)構(gòu)鋼力學性能與化學成份鋼材級別屈服點σs(MPa)不小于抗拉強度σb(MPa)伸長率σ%不小于碳C錳Mn硅Si硫S磷PA235400-52022≤0.21≥2.5≤0.5≤0.035≤0.035B≤0.21≥0.80≤0.35D≤0.21≥0.60≤0.35E≤0.18≥0.70≤0.35高強度船體結(jié)構(gòu)鋼力學性能與化學成份鋼材級別屈服點σs(MPa)不小于抗拉強度σb(MPa)伸長率σ%不小于碳C錳Mn硅Si硫S磷PA32315440-57022≤0.18≥0.9-1.60≤0.50≤0.035≤0.035D32E32F32≤0.16≤0.025≤0.025A36355490-63021≤0.18≤0.035≤0.035D36E36F36≤0.16≤0.025≤0.025A40390510-66020≤0.18≤0.035≤0.035D40E40F40≤0.16≤0.025≤0.025（三）船用鋼材交貨驗收注意事項：1、質(zhì)量證明的審查：鋼廠交貨一定根據(jù)用戶的要求按合同約定的規(guī)范交貨并提供原始質(zhì)量證明書。證明書中，必須具備以下內(nèi)容：（1）規(guī)范要求；（2）質(zhì)量記錄編號及證明證號；（3）爐批號，技術(shù)等級；（4）化學成分和力學性能；（5）船級社認可證明及驗船師簽字。2、實物審查：船用鋼材的交貨，實物物體上應(yīng)有生產(chǎn)廠標志等。具體有：（1）船級社認可標志；（2）采用油漆框出或粘貼標記，包括技術(shù)參數(shù)如：爐批號、規(guī)范標準等級、長寬尺寸等；（3）外觀光潔平順，無缺陷。20世紀80年代初期，鋼鐵廠曾經(jīng)生產(chǎn)了具有優(yōu)良可焊性、低溫韌性和屈服強度為60～80ksi的高強度、低合金（ＨＳＬＡ）鋼板。海軍開展了一項發(fā)展和檢驗高強低合金鋼的項目，使該合金鋼可以不經(jīng)或減少預熱時間就具有可焊性、高強度、高韌性以及與高屈服鋼相等的優(yōu)質(zhì)焊縫性能等。該項目研究的重點是在合理的殼體制造成本范圍內(nèi)減輕ＣＧ-47級驅(qū)逐艦和ＤＤＧ-51導彈驅(qū)逐艦的重量。這個項目表明，改進的ＡＳＴＭＡ710Ａ級鋼板可以滿足最低屈服強度80ｋｓｉ的要求，在低溫下具有高卻貝Ｖ型缺口沖擊能，當采用與沒有進行預熱處理的ＨＹ-80相同的工藝和方法時，該鋼板具有優(yōu)良的可焊性。因此，ＨＳＬＡ-80鋼是ＡＳＴＭＡ710鋼中最佳的鋼種，并且在1984年經(jīng)過對鋼板性能、焊接性以及制造特性，包括結(jié)構(gòu)模型的建造和無損檢測進一步評價之后，可證明這類鋼板可用于艦艇制造業(yè)。用ＨＳＬＡ-80取代ＨＹ-80每噸制造成本可節(jié)約2000～30