特種鋼知識(shí)介紹

特種鋼知識(shí)第二次世界大戰(zhàn)后，世界各軍事強(qiáng)國(guó)為了滿足艦船裝備的發(fā)展需求，研制開發(fā)了系列高強(qiáng)度艦船用鋼。如美國(guó)，戰(zhàn)后發(fā)展了355MPa(36kgf/mm2)級(jí)HTS鋼、550MPa(56kgf/mm2)級(jí)HY80鋼、690MPa(70kgf/mm2)級(jí)HY100鋼、890MPa(91kgf/mm2)級(jí)HY130鋼，并用于實(shí)船建造；俄羅斯開發(fā)了屈服強(qiáng)度從390-1175MPa(40-120kgf/mm2)級(jí)的АБ系列艦船鋼；法國(guó)最新建造的“凱旋”級(jí)核潛艇耐壓殼體用鋼屈服強(qiáng)度已達(dá)到980MPa。HY-80、HY-100、HY-130都是美國(guó)在50年代開始應(yīng)用于艦艇制造的高強(qiáng)度低合金鋼，現(xiàn)在已經(jīng)普遍被HSLA-80和HSLA-100系列高強(qiáng)度鋼所替代。此類高強(qiáng)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(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(qiáng)度級(jí)別要求越高,船體鋼的碳當(dāng)大幅增加,這使得鋼的焊接變得十分困難。如何兼顧高強(qiáng)度艦船用鋼的強(qiáng)度和焊接性,己成為船體結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于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。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(qiáng)了，對(duì)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(guó)第一代產(chǎn)品就是屈服強(qiáng)度為36kgf/mm的2級(jí)S鋼,56kgf/mm的Z級(jí)HY80鋼,70kgf/mm的Z級(jí)HY100鋼以及91kgf/mm的級(jí)HY130鋼。俄羅斯也開發(fā)了屈服強(qiáng)度從40kgf/mmZ-120kgf/mmZ級(jí)的A6系列艦船鋼:我國(guó)也相繼研制成功了40,45,60,80kgf/mm2級(jí)的高強(qiáng)度艦船用鋼系列.但是銅在鋼中高到一定量時(shí)，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(jué)的液態(tài)銅(銅的熔點(diǎn)僅為1083℃)。熱軋或連鑄時(shí)，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(wèn)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(guò)銅鋼的爐子通常要經(jīng)過(guò)多次洗爐，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。再一個(gè)，HY-80系列鋼在焊接前要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，這也使造船成本增加。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)銅合金化進(jìn)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(guó)的可焊接低合金高強(qiáng)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(qiáng)化鋼，其強(qiáng)韌性可達(dá)HY-80鋼要求。采用HY-80型焊接材料焊接時(shí)，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(yù)熱過(guò)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(guò)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(qiáng)度、韌性可以達(dá)到或超過(guò)HY-100鋼，取消焊前預(yù)熱仍可保持好的可焊性。HSLA-100鋼也是低碳、銅析出強(qiáng)化鋼，它采用錳、鎳、鉬來(lái)增加淬透性，鎳改善韌性，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)ε-Cu的析出強(qiáng)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(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。氣墊船的船體材料也是這種鋼。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，如1993年下水的CVN-74“斯坦尼斯”號(hào)航母上就大量使用了厚度從15.9到25.4mm的HSLA-100鋼。中國(guó)的潛艇用鋼有590Mpa的921鋼與785Mpa的980超級(jí)鋼，前者是HY80級(jí)別的，后者是HY100級(jí)別的。921估計(jì)是039用鋼，而90年代研制的航母與潛艇耐壓殼體980鋼估計(jì)將使用在09III上。HY80鋼的潛深能達(dá)到400米，HY100鋼能達(dá)到600米。980鋼配套的焊接材料，通過(guò)合理的合金設(shè)計(jì)，超純冶煉和超低氫工藝措施，很好地解決了與母材等強(qiáng)匹配。在非常嚴(yán)格，苛刻和不同季節(jié)的條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yán)格地按照科研程序走完了研制全過(guò)程，填補(bǔ)了我國(guó)785Mpa級(jí)耐壓殼體用鋼的空白，使該材料達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)是世界上造船大國(guó)，近年來(lái)增長(zhǎng)強(qiáng)勁，對(duì)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(guó)船板產(chǎn)量為201萬(wàn)噸，自給率為74%。國(guó)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(tuán)上海浦鋼、鞍鋼、武鋼、重鋼、舞鋼、南鋼、濟(jì)鋼、馬鋼等，普通強(qiáng)度級(jí)船板都通過(guò)了中國(guó)(CCS)、英國(guó)(LR)、法國(guó)(BV)、美國(guó)(ABS)、德國(guó)(GL)、日本(NK)、挪威(DNV)、韓國(guó)(KR)、意大利(RINA)等多個(gè)國(guó)家船級(jí)社的認(rèn)證，部分鋼鐵企業(yè)的高強(qiáng)度船板也通過(guò)了多個(gè)國(guó)家船級(jí)社的認(rèn)證。上海浦鋼生產(chǎn)造船用鋼歷史較久，2003年船板產(chǎn)量達(dá)到42萬(wàn)噸，其中出口用船板在萬(wàn)噸以上，產(chǎn)品質(zhì)量較好，硫、磷含量低，機(jī)械性能穩(wěn)定，尺寸精度較高，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，規(guī)格齊全，厚度為6—100毫米，最寬達(dá)到3000毫米，牌號(hào)從低到高共有10個(gè)，已被用于制造各類大型運(yùn)輸船只，另外，抗層狀撕裂鋼板已經(jīng)替代進(jìn)口用于渤海、東海和南海的采油平臺(tái)。武鋼2003年船板產(chǎn)量為29萬(wàn)噸，冶煉和軋制通過(guò)采用一系列的新工藝新技術(shù)新設(shè)備，產(chǎn)品具有化學(xué)成分穩(wěn)定，有害元素含量低，鋼質(zhì)純凈，組織均勻，晶粒細(xì)小，塑性好，屈強(qiáng)比低，碳當(dāng)量低，能適應(yīng)大型造船廠自動(dòng)埋弧焊、等離子焊等多種焊接工藝要求的特點(diǎn)，可用于制造各種噸位、各種型號(hào)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(guó)船級(jí)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(qiáng)度級(jí)別產(chǎn)品。2003年船板產(chǎn)量達(dá)到32萬(wàn)噸。重鋼非常重視船用鋼板的研發(fā)，相繼采用了預(yù)脫硫、爐外精煉、微合金化、保護(hù)澆注和控軋控冷細(xì)化晶粒等措施，使產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。舞陽(yáng)鋼鐵公司2003年船板產(chǎn)量為14萬(wàn)噸、其中厚度在40毫米以上的市場(chǎng)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(gè)普通強(qiáng)度級(jí)和6個(gè)高強(qiáng)度級(jí)產(chǎn)品都通過(guò)國(guó)內(nèi)外9家船級(jí)社認(rèn)證。2003年船板的產(chǎn)量，鞍鋼為26萬(wàn)噸，南京鋼鐵聯(lián)合公司為23萬(wàn)噸，濟(jì)鋼為8萬(wàn)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(guó)的造船板質(zhì)量基本上可滿足用戶需求，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發(fā)。一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼分為A、B、C、D4個(gè)等級(jí)，這4個(gè)等級(jí)的鋼材的屈服強(qiáng)度（不小于235N/mm^2）和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼按其最小屈服強(qiáng)度劃分強(qiáng)度等級(jí)，每一強(qiáng)度等級(jí)又按其沖擊韌性的不同分為A、D、E、F4級(jí)。A32、D32、E32、F32的屈服強(qiáng)度不小于315N/mm^2，抗拉強(qiáng)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(dá)到的沖擊韌性；A36、D36、E36、F36的屈服強(qiáng)度不小于355N/mm^2，抗拉強(qiáng)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(dá)到的沖擊韌性；A40、D40、E40、F40的屈服強(qiáng)度不小于390N/mm^2，抗拉強(qiáng)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(dá)到的沖擊韌性。還有，焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)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(jī)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(fù)合鋼板：適用于化學(xué)制品運(yùn)輸船的容器和液貨艙；Z向鋼：是在某一等級(jí)結(jié)構(gòu)鋼（稱為母級(jí)鋼）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)特殊處理（如鈣處理、真空脫氣、氬氣攪拌等）和適當(dāng)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(jí)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(guó)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(guó)家規(guī)范的船用鋼材，如美國(guó)、挪威、日本、德國(guó)、法國(guó)等，其規(guī)范如下：國(guó)籍規(guī)范中國(guó)CCS美國(guó)ABS德國(guó)GL法國(guó)BV挪威DNV日本KDK英國(guó)LR（一）品種規(guī)格船體用結(jié)構(gòu)鋼按照其最小屈服點(diǎn)劃分強(qiáng)度級(jí)別為：一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。中國(guó)船級(jí)社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為：A、B、D、E四個(gè)質(zhì)量等級(jí)；中國(guó)船級(jí)社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別、四個(gè)質(zhì)量等級(jí)：A32A36A40D32D36D40E32E36E40F32F36F40（二）力學(xué)性能與化學(xué)成分一般強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能與化學(xué)成份鋼材級(jí)別屈服點(diǎn)σs(MPa)不小于抗拉強(qiáng)度σb(MPa)伸長(zhǎng)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(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能與化學(xué)成份鋼材級(jí)別屈服點(diǎn)σs(MPa)不小于抗拉強(qiáng)度σb(MPa)伸長(zhǎng)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(yàn)收注意事項(xiàng)：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(hào)及證明證號(hào)；（3）爐批號(hào)，技術(shù)等級(jí)；（4）化學(xué)成分和力學(xué)性能；（5）船級(jí)社認(rèn)可證明及驗(yàn)船師簽字。2、實(shí)物審查：船用鋼材的交貨，實(shí)物物體上應(yīng)有生產(chǎn)廠標(biāo)志等。具體有：（1）船級(jí)社認(rèn)可標(biāo)志；（2）采用油漆框出或粘貼標(biāo)記，包括技術(shù)參數(shù)如：爐批號(hào)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)、長(zhǎng)寬尺寸等；（3）外觀光潔平順，無(wú)缺陷。20世紀(jì)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(qiáng)度為60～80ksi的高強(qiáng)度、低合金（ＨＳＬＡ）鋼板。海軍開展了一項(xiàng)發(fā)展和檢驗(yàn)高強(qiáng)低合金鋼的項(xiàng)目，使該合金鋼可以不經(jīng)或減少預(yù)熱時(shí)間就具有可焊性、高強(qiáng)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(xiàng)目研究的重點(diǎn)是在合理的殼體制造成本范圍內(nèi)減輕ＣＧ-47級(jí)驅(qū)逐艦和ＤＤＧ-51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的重量。這個(gè)項(xiàng)目表明，改進(jìn)的ＡＳＴＭＡ710Ａ級(jí)鋼板可以滿足最低屈服強(qiáng)度80ｋｓｉ的要求，在低溫下具有高卻貝Ｖ型缺口沖擊能，當(dāng)采用與沒(méi)有進(jìn)行預(yù)熱處理的ＨＹ-80相同的工藝和方法時(shí)，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(guò)對(duì)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(wú)損檢測(cè)進(jìn)一步評(píng)價(jià)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