船板钢的技术背景

目前，宽厚板生产的主要品种有碳素结构钢板、优质碳素结构钢板、低合金高强度结构钢板、造船用钢板、管线用钢板、工程机械用钢板、汽车大梁板、桥梁板等，船板钢是宽厚板的主要专用板品种之一。中国是造船业大国，对船板钢的需求越来越大，同时船舶的大型化、高速化以及海洋油气田的开发，为高强度船体结构钢的应用提供了广阔的应用前景，所以有必要对船板钢的发展趋势、生产技术特别是高强船板钢的生产控制技术进行研究。造船用宽厚钢板钢种包括一般强度船板(A～E)，高强度船板(AH32-EH40)，超高强度船板钢(AH42-FH69)，船用锅炉板，造船及海洋平台用z向钢板等。船板钢生产主要技术由高碳单元素、低碳多元素、向微合金化和复合微合金化方向发展；由低强度级别向高强度级别、超高强度级别发展，目前，船板钢的强度一般可达450～980MPa。最初的船板钢使用铁素体加珠光体的碳锰低合金钢，近年来开始使用调质热处理的镍铬钼系合金元素为主的HY-80钢，随着对船板钢要求的提高，调整合金元素的含量和回火温度成功研制了HY-100钢。之后，美国又相继研制了HY-130钢和HSIA系列钢，由于含碳量较低，合金对氢致裂纹不敏感，焊接性能好，具有很好的使用性能，但其强度并无太大提高。日本研究者开发出一系列高强度船体结构钢，如成分为8/1ONi-Gr-Mo-V-0.1／0.15C调制高强度钢、马氏体时效钢(18Ni-8Co-3Mo-Ti-AI-O.03C、12Ni-5Gr-3Mo-Ti-AI-O.03C)和双相强化钢，其新开发的STX-21系列钢，强度和寿命将超过现有钢一倍以上；俄罗斯也开发了强度从390-l175MPa级AB系列舰船钢；法国最新建造的“凯旋”级核潜艇采用了屈服强度为980MPa级的HLESIO0钢。建国以来，我国也研制成功了390、440、590、785MPa级的高强度舰船用钢系列。由于组织决定了钢的性能，所以组织控制一直是船板钢生产技术发展的关键，铁素体+珠光体组织的钢尽管在一定的冷却范围内强度可以得到提高，韧性得到改善，但提高和改善是有限度的。因此，开发其它组织类型的钢，是获得综合力学性能良好的船板钢的重要途径。近年来国内外研究成果表明，高碳钢尽管具有较高的强度，但其冲击韧性与焊接性能较差。随着冶炼技术的不断发展，发现生产的微碳低合金钢不但具有较高的强度，同时又具有较低的冲击转变温度、优良的焊接性能，而且这些优良的综合机械性能在控轧状态下即可获得。由于船板钢要求良好的低温冲击韧性和较低的脆性转变温度，因此，对高强度船板有铝含量及微合金化的要求。为保证良好焊接性能，需要控制碳当量上限；根据高强船板的综合性能要求，确定钢的成分控制范围。微合金元素的选择既要考虑微合金元素的强化效果又不能对钢的组织产生不良影响，微合金元素对钢的脆性转变温度影响也是考虑的重要因素。钢质纯净度对高强度船板的韧性特别是低温韧性的影响是冶炼中控制的技术关键。超级贝氏体钢在成分设计上对C、Mn、Nb、Mo、B、Ti等合金元素的最佳配合进行了大量的研究，从而在较宽广的冷却速度范围内都能够得到完全的贝氏体组织，在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下，通过适当提高合金元素的含量和进一步完善控轧与控冷工艺，超级贝氏体钢的屈服强度可达500～900MPa，因而控轧、控冷超低碳贝氏体钢被国际上公认为是面向2l世纪的新一代钢铁材料。根据近年来船板钢的发展趋势，研制新型贝氏体船板钢板，合金化采用中国富有的Si、Mn和少量Cr、Mo，在轧制+低温回火或正(淬)火低温回火时具有高强度(≥1250MPa)、高硬度(360～400HB)、高韧度及良好的焊接性能，超级贝氏体船板钢具有性能优异、工艺简单、成本低廉等特点。超高强度超级贝氏体船板钢组织为纳米板条贝氏体和残留奥氏体组成，贝氏体铁素体为过饱和碳的固溶体，类似于马氏体组织，具有较高的强韧度和破断抗力，残留奥氏体为韧度相，分布在贝氏体板条上或板条之间，在受到外力作用下会发生塑性变形，吸收和消耗能量，延缓裂纹的扩展，对提高板材的韧度有利，应力作用较大时会发生相变诱发塑性效应(TRIP效应)，进一步提高钢的强韧度。新型贝氏体船板钢进行焊接时，焊缝的抗拉强度满足焊条熔覆强度要求，焊接接头力学性能具有良好的强韧度配合。焊后进行正火低温回火处理，焊接接头强度变化较少．韧度提高．特别是焊接接头各区冲击韧度有较大提高。新型贝氏体钢板虽然属于低碳，但因碳的固溶强化、位错强化、贝氏体板条强化、诱发塑性强化等，装甲钢的力学性能在轧制态就可以达到较高的强度级别。经过简单的热处理后，可以得到具有超高的强度、硬度和良好的韧塑性配合的超高强度超级贝氏体钢。船板钢在服役期问要承受复杂的动态载荷，船舶的建造和组装过程中，结构件会产生巨大的应力，舰艇的无限航区的航行要承受位置及温度的考验，为了使船舶能在恶劣环境下持续航行，同时，从资源和环保考虑，为减轻船体自重，增加船舶的载重量、提高船速，要求船板钢具有高强度、高精度、良好低温冲击韧性、焊接性能，而这些需要冶炼成分、纯净度、轧制工艺来保证。超级贝氏体船板钢生产技术的发展将朝着环保、减量化、高性能的方向发展。（1）含碳量低，金相组织为铁素体加珠光体，强度很低，耐磨性能差。（铁素体船板钢）如“铁素体钢及其生产方法和用途”（CN1190997）、“铁素体钢合金”（CN1688734）、“高韧性高强度铁素体钢及其生产方法”（CN1410585）、“颗粒碳化物增强铁素体钢及其制备方法”（CN101041881）、“抗蠕变的铁素体钢”（CN101384743）等专利技术。这类船板钢的含碳量低于共析成分，但其含锰量远高于碳钢，其金相组织为铁素体加珠光体。铁素体+珠光体组织的钢尽管在一定的冷却范围内强度可以得到提高，韧性得到改善，但提高和改善是有限度的（2）船板钢的寿命还是不尽人意，尤其是高强度用船板钢的磨耗及剥离等损伤。（珠光体船板钢）如“珠光体钢形变热处理工艺”（CN1089993）、“一种超细珠光体高强度轨道钢及其制备方法”（CN1884606）、“珠光体类热处理钢轨及其生产方法”（CN1793403）、“一珠光体类高强度低合金钢轨钢及其生产方法”（CN1793402）等专利技术。珠光体船板钢的强度已经达到了其极限。它仅能在理论值和正常生产值之间的上限上有所提高。但这种提高是有限的。况且，珠光体钢也存在脆性和断裂韧性低的问题。（3）强度和硬度很大，但塑性和韧性很差。工艺复杂。（马氏体钢轨钢）如“一种热成型马氏体钢”（CN101275200）、“一种超高强度热成型马氏体钢”（CN101270453）、“抗拉强度高于1000MPa的热轧马氏体钢板及其制造方法”（CN101008066）、“热轧超高强度马氏体钢及其制造方法”（CN101041879）、“一种热成型马氏体钢”（CN101275200）等专利技术，该技术生产过程复杂、环节多、生产成本高。