国内外船舶用钢思考范文

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《新材料产业杂志》2014年第八期

一、我国船用合金结构钢

为了改善钢材的组织与性能，通过向钢中加入一种或几种元素的技术，使其具有良好的机械性能、满意的工艺性能和耐腐蚀性能。合金结构强度高、性能优越、成本低，近些年在船业中应用日益广泛。合金钢按其合金元素的含量可分为低合金钢（合金元素总量不超过5%）、中合金钢（合金元素总量为5%～10%）、高合金钢（合金元素总量超过10%）。目前已定的钢种有901、902、903、904、921、922、923、402、929等。其中901、902、903、904、921、922、923是属于低合金高强度钢（合金元素总量不超过5%，屈服强度比普通碳素钢高50%以上），402、929是中合金钢。从用途来讲，901、902、903主要用于水面舰艇，其他则用于潜艇，901、902、903、904钢的化学成分和机械性能见表5、表6。921、922、923为高镍（Ni）、Cr的高强度钢（921有钢板和球扁钢，922为厚板，923为薄板），钢板均以调质状态供应，921球扁钢以热轧状态供应（球扁钢在船厂中加工成形并进行调质处理）921、922、923钢的化学成分，钢板和经调质后的球扁钢的机械性能分别见表7和表8。402、929为高Ni合金钢，它们的屈服极限分别为80kgf/mm2和100kgf/mm2。它们的化学成分和机械性能见表9和表10。

二、我国船用钢材发展的重点

从目前各钢厂的生产水平来看，我国的造船板质量基本上可满足用户需求，主要问题是钢板尺寸相对较小，厚度公差和同板差的精度等级与先进国家相比尚有差距，表面质量还需要改进，高强度级别的产品也需要大力研制和开发。而随着船舶制造的要求越来越高，未来船用钢材的品种规格都会提出更高的要求：①船舶建造的大型化，使得船板的品种几乎涵盖了所有规格的钢材，同时对船用钢的质量、规格、尺寸精度要求更高；②特殊性能和型材的钢材需要大幅度增加，如F级、Z级钢船板和型材的发展、大规格的球扁钢、大型不等边不等厚角钢，高精度壁厚均匀性好和圆度准确性好的无缝钢管等；③船用钢材的化学性能需要不断改善，不锈钢及镍基耐蚀合金等新材料在船用钢材的使用比例不断提高，低合金和高强度钢材需求也越来越多。

三、国外船用高强度结构钢

世界各国为了满足其造船和海洋开发的要求，根据各自资源特点都发展了自己船用高强度结构钢，并制定了各自规范，但用于船舶制造的高强度结构钢的品种并不多。20世纪60年代前，国外船用低合金高强度钢主要用于建造水面军用舰船，商船建造应用不多。随着造船业的发展，一般强度船用结构钢已满足不了建造大型商船的需要，国外企业开始比较普遍地使用低合金高强度结构钢来建造商船。但各国对多大吨位的商船采用低合金高强度钢的看法不一，美国、俄罗斯认为1万t以上的商船采用低合金高强度钢建造经济效果优于采用一般强度船体钢建造的经济效果，而西欧、北欧和日本等则主张5万t以上船舶采用低合金高强度船体钢来建造。高强度调质结构钢主要是为适应建造潜艇和开展深海调查而发展的钢种，它不但强度高，而且综合机械性能高，国外对其发展很重视。

第2次世界大战后，世界各军事强国为了满足舰船装备的发展需求，研制开发了系列高强度舰船用钢。各国研发高强度舰船用钢的详细情况如下：①美国1958年开始使用屈服强度为56kgf/mm2的HY-80钢，1961年开始使用屈服强度为70kgf/mm2的HY-100钢，目前美国已经生产出屈服强度为91kgf/mm2的HY-130钢、1260kgf/mm2的HY-180钢和140kgf/mm2的HY-200钢。像美国的“提康德罗加”级巡洋舰“、阿里•伯克”级新型导弹驱逐舰和“尼米兹”级核动力航母的某些结构及“黄峰”级两栖攻击登陆舰的主要结构，使用的都是HSLA-80钢。而美国先进的攻击型核潜艇(非耐压壳体)和新建的航母壳体则用HSLA-100。②日本计划在HY-130基础上研制NS90钢来代替目前使用的屈服强度为63kgf/mm2的NS63钢。③英国军用规范规定的高强度调质船体钢有QT28、QT35和QT42钢，它们的屈服强度分别为44kgf/mm2、56kgf/mm2和66kgf/mm2。④俄罗斯的高强度调质船体钢有AK-25、AK-27和AK-29钢，它们的屈服强度分别为60kgf/mm2、52kgf/mm2和80kgf/mm2。⑤法国建造的“凯旋”级核潜艇耐压壳体用钢屈服强度已达到980MPa。船用高强度结构钢主要解决的问题包括2个方面。一是含碳量问题。传统的高强度船体用钢均是在低碳低合金钢的基础上，通过采用调质热处理工艺获得低碳回火马氏体组织来达到高强度高韧性的要求。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性,钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素，而这会使得钢的碳含量大幅增加，使得焊接变得十分困难。如何兼顾高强度舰船用钢的强度和焊接性,已经成为船体结构钢设计的一个关键因素。

另外，铜的含量也是造船用钢研究的重要焦点。一方面在钢里加入了一定比例的铜，其优点在于减慢了钢材在大气中的腐蚀速度，改善钢材在海水中的耐蚀性，其耐磨性可以较大幅度提高。对于舰体来说也可以提高防弹效果。另一方面铜在钢中高到一定量时，将引起热脆性，造成晶间开裂，氧化皮去除困难等问题。为避免热脆性，通常将钢中的铜作为有害元素而限制在0.35%以下，同时为控制钢中残余铜含量而进行的处理，都无疑增加了生产成本。另外，为了保护全球生态环境,锡基防污底船用油漆已经被越来越多的国家所禁用。一种以低碳钢和铜镍合金组成的具有与油漆的抗腐蚀和防污底功能相当的材料正在研制中。从目前趋势看,世界各国都在按优质和多种性能的方向不断发展船用材。

作者：江洪王微单位：中国科学院武汉文献情报中心中国科学院大学