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特种钢知识

发布时间:2020-03-03 08:09:33 来源:范文大全 收藏本文 下载本文 手机版

第二次世界大战后,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。

如美国,战后发展了355MPa(36kgf/mm2)级HTS钢、550MPa(56kgf/mm2)级HY80钢、690MPa(70kgf/mm2)级HY100钢、890MPa(91kgf/mm2)级HY130钢,并用于实船建造;

俄罗斯开发了屈服强度从390-1175MPa(40-120kgf/mm2)级的АБ系列舰船钢;

法国最新建造的“凯旋”级核潜艇耐压壳体用钢屈服强度已达到980MPa。

HY-80、HY-100、HY-130都是美国在50年代开始应用于舰艇制造的高强度低合金钢,现在已经普遍被HSLA-80和HSLA-100系列高强度钢所替代。

此类高强度钢由于含有铜元素,因此有别于于传统的船体用钢。

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配合。

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, M.等合金元素。

钢的强度级别要求越高,船体钢的碳当大幅增加,这使得钢的焊接变得十分困难。

如何兼顾高强度舰船用钢的强度和焊接性,己成为船体结构钢设计的一个关键因素。

由于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。

铜还可以改善钢材在海水中的耐蚀性,另外,含铜的钢材其耐磨性也有较大幅度的提高。

由于韧性加强了,对于舰体的直接好处就是提高了防弹效果。

这种钢在战后美国第一代产品就是屈服强度为36kgf/mm的2级S钢, 56kgf/mm的Z级HY80钢, 70kgf/mm的Z级HY100钢以及91kgf/mm的级HY130钢。

俄罗斯也开发了屈服强度从40kgf/mmZ-120kgf/mmZ级的A6系列舰船钢:

我国也相继研制成功了40, 45, 60, 80kgf/mm2级的高强度舰船用钢系列.

但是铜在钢中高到一定量时,将引起热脆性。将钢加热到1 100~1200 ℃(一般的热加工温度),铁优先氧化形成氧化皮,在氧化层和钢之间的界面上留下一层极薄的不易察觉的液

态铜(铜的熔点仅为1083 ℃)。热轧或连铸时,钢中残余的铜便大量渗入晶界,造成晶间开裂。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。另外,含铜钢的

氧化皮去除困难,使制品的表面质量低劣。某些在特殊环境中服役的钢,若残余铜含量高,还可能出现辐照脆性、去应力脆性和回火脆性等问题,核容器用钢必须控制残余铜含量

≤0.08 %。由于铜的有害作用,人们都怕铜钢。冶炼过铜钢的炉子通常要经过多次洗炉,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。再一个,HY-80系列钢

在焊接前要进行长时间预热,这也使造船成本增加。

近年来,国外对铜合金化进行了深入研究,并开发出一些含铜的新钢种。

这类新钢种以美国的可焊接低合金高强度HSLA-80及HSLA-100钢为代表。

HSLA-80钢是以ASTM 710钢为基础开发的一种低碳、铜析出强化钢,其强韧性可达HY-80钢要求。

采用HY-80型焊接材料焊接时,HSLA-80钢的热裂抗力和冷裂抗力都优于HY-80钢。

由于焊接预热过程的减少或取消,造船成本比采用HY-80钢降低50 %~90%。优良的焊接性能是由于焊接过程中的热量使铜溶解,晶料粗化,热影响区软化。

HSLA-80钢于1984年开始用于舰船建造。

在HSLA-80钢基础上发展的HSLA-100钢强度、韧性可以达到或超过HY-100钢,取消焊前预热仍可保持好的可焊性。

HSLA-100钢也是低碳、铜析出强化钢,它采用锰、镍、钼来增加淬透性,镍改善韧性,同时进一步加强ε-Cu的析出强化效果,铜含量高于HSLA-80钢。

作为HY-100钢的替代品,HSLA-100钢自1989年起开始使用。

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。

气垫船的船体材料也是这种钢。

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,如1993年下水的CVN-74“斯坦尼斯”号航母上就大量使用了厚度从15.9到25.4mm的HSLA-100钢。

中国的潜艇用钢有590Mpa的921钢与785 Mpa 的980超级钢,前者是HY80级别的,后者是HY100级别的。

921估计是039用钢,而90年代研制的航母与潜艇耐压壳体980钢估计将使用在09III上。HY80钢的潜深能达到400米,HY100钢能达到600米。

980钢配套的焊接材料,通过合理的合金设计,超纯冶炼和超低氢工艺措施,很好地解决了与母材等强匹配。

在非常严格,苛刻和不同季节的条件下,实现了对980钢在产品制造和施工工艺上的适应性考核,结果表明980钢具有良好的造船工艺适应性。

980钢严格地按照科研程序走完了研制全过程,填补了我国785Mpa级耐压壳体用钢的空白,使该材料达到了国际先进水平。

我国是世界上造船大国,近年来增长强劲,对造船的钢需求量很大。造船用钢包括板材、型材和管材,其中又以板材为主,约占88%。2003年全国船板产量为 201万吨,自给率为74%。国内有20多家钢铁企业生产造船钢板,主要有宝钢集团上海浦钢、鞍钢、武钢、重钢、舞钢、南钢、济钢、马钢等,普通强度级船 板都通过了中国(CCS)、英国(LR)、法国(BV)、美国(ABS)、德国 (GL)、日本(NK)、挪威(DNV)、韩国(KR)、意大利(RINA)等多个国家船级社的认证,部分钢铁企业的高强度船板也通过了多个国家船级社的 认证。

上海浦钢生产造船用钢历史较久,2003年船板产量达到42万吨,其中出口用船板在万吨以上,产品质量较好,硫、磷含量低,机械性能稳定,尺寸精度较高, 表面质量优良,规格齐全,厚度为6—100毫米,最宽达到3000毫米,牌号从低到高共有10个,已被用于制造各类大型运输船只,另外,抗层状撕裂钢板已 经替代进口用于渤海、东海和南海的采油平台。

武钢2003年船板产量为29万吨,冶炼和轧制通过采用一系列的新工艺新技术新设备,产品具有化学成分稳定,有害元素含量低,钢质纯净,组织均匀,晶粒细 小,塑性好,屈强比低,碳当量低,能适应大型造船厂自动埋弧焊、等离子焊等多种焊接工艺要求的特点,可用于制造各种吨位、各种型号的出口船。

重钢60年代初期开始研制生产船板,80年代按各国船级社船规规范组织生产,90年代又研制开发出一系列高强度级别产品。2003年船板产量达到32万 吨。重钢非常重视船用钢板的研发,相继采用了预脱硫、炉外精炼、微合金化、保护浇注和控轧控冷细化晶粒等措施,使产品质量大为提高。

舞阳钢铁公司2003年船板产量为14万吨、其中厚度在40毫米以上的市场占有率为50%。产品质量好,钢质纯净度较高,有害元素和夹杂物低,低温韧性和焊接性能提高,同板差、异板差和表面缺陷均有改善。4个普通强度级和6个高强度级产品都通过国内外9家船级社认证。

2003年船板的产量,鞍钢为26万吨,南京钢铁联合公司为23万吨,济钢为8万吨,产品质量都有了较大提高。

从上述可以看出,目前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。

一般强度船体结构用钢

一般强度船体结构用钢分为A、B、C、D4个等级,这4个等级的钢材的屈服强度(不小于235N/mm^2)和抗拉强度(400~520N/mm^2)一样,只是不同温度下的冲击功不一样而已;

高强度船体结构用钢按其最小屈服强度划分强度等级,每一强度等级又按其冲击韧性的不同分为A、D、E、F4级。

A

32、D

32、E

32、F32的屈服强度不小于315N/mm^2,抗拉强度440~570N/mm^2,A、D、E、F分别表示其各自可分别在0°、-20°、-40°、-60°的情况下所能达到的冲击韧性;

A

36、D

36、E

36、F36的屈服强度不小于355N/mm^2,抗拉强度490~620N/mm^2,A、D、E、F分别表示其各自可分别在0°、-20°、-40°、-60°的情况下所能达到的冲击韧性;

A40、D40、E40、F40的屈服强度不小于390N/mm^2,抗拉强度510~660N/mm^2,A、D、E、F分别表示其各自可分别在0°、-20°、-40°、-60°的情况下所能达到的冲击韧性。

还有,焊接结构用高强度淬火回火钢:A420、D420、E420、F420;A460、D460、E460、F460;A500、D500、E500、F500;A550、D550、E550、F550;A620、D620、E620、F620;A690、D690、E690、F690;

锅炉与受压容器用钢:360A、360B;410A、410B;460A、460B;490A、490B;1Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo

机械结构用钢:一般可选用上述钢材;

低温韧性钢:0.5NiA、0.5NiB、1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni;

奥氏体不锈钢:00Cr18Ni

10、00Cr18Ni10N、00Cr17Ni14Mo

2、00Cr17Ni13Mo2N、00Cr19Ni13Mo

3、00Cr19Ni13Mo3N、0Cr18Ni11Nb;

双相不锈钢:00Cr22Ni5Mo3N、00Cr25Ni6Mo3Cu、00Cr25Ni7Mo4N3。

复合钢板:适用于化学制品运输船的容器和液货舱;

Z向钢:是在某一等级结构钢(称为母级钢)的基础上,经过特殊处理(如钙处理、真空脱气、氩气搅拌等)和适当热处理的钢材。

二、船体用结构钢

造船用钢一般是指船体结构用钢,它指按船级社建造规范要求生产的用于制造船体结构的钢材。常作为专用钢订货、排产、销售,一船包括船板、型钢等。

目前我国几大钢铁企业均有生产,而且可按用户需要生产不同国家规范的船用钢材,如美国、挪威、日本、德国、法国等,其规范如下:

国籍 规范

中国 CCS

美国 ABS 德国 GL

法国 BV

挪威 DNV

日本 KDK

英国 LR

(一)品种规格

船体用结构钢按照其最小屈服点划分强度级别为:一般强度结构钢和高强度结构钢。

中国船级社规范标准的一般强度结构钢分为:A、B、D、E四个质量等级;中国船级社规范标准的高强度结构钢为三个强度级别、四个质量等级:

A32 A36 A40

D32 D36 D40

E32 E36 E40

F32 F36 F40

(二)力学性能与化学成分

一般强度船体结构钢力学性能与化学成份

钢材级别 屈服点

σs(MPa)不小于 抗拉强度

σb(MPa) 伸长率σ%

不小于 碳

C 锰

Mn 硅

Si 硫

S 磷

P

A 235 400-520 22 ≤0.21 ≥2.5 ≤0.5 ≤0.035 ≤0.035

B ≤0.21 ≥0.80 ≤0.35

D ≤0.21 ≥0.60 ≤0.35

E ≤0.18 ≥0.70 ≤0.35

高强度船体结构钢力学性能与化学成份

钢材级别 屈服点σs

(MPa)不小于 抗拉强度

σb(MPa) 伸长率σ%

不小于 碳 C 锰

Mn 硅

Si 硫

S 磷

P

A32 315 440-570 22 ≤0.18 ≥0.9-1.60 ≤0.50 ≤0.035 ≤0.03

5D32 E32

F32 ≤0.16 ≤0.025 ≤0.025

A36 355 490-630 21 ≤0.18 ≤0.035 ≤0.035

D36 E36

F36 ≤0.16 ≤0.025 ≤0.025

A40 390 510-660 20 ≤0.18 ≤0.035 ≤0.035

D40 E40

F40 ≤0.16 ≤0.025 ≤0.025

(三)船用钢材交货验收注意事项:

1、质量证明的审查:

钢厂交货一定根据用户的要求按合同约定的规范交货并提供原始质量证明书。证明书中,必须具备以下内容:

(1)规范要求;

(2)质量记录编号及证明证号;

(3)炉批号,技术等级;

(4)化学成分和力学性能;

(5)船级社认可证明及验船师签字。

2、实物审查:

船用钢材的交货,实物物体上应有生产厂标志等。具体有:

(1)船级社认可标志;

(2)采用油漆框出或粘贴标记,包括技术参数如:炉批号、规范标准等级、长宽尺寸等;

(3)外观光洁平顺,无缺陷。

20世纪80年代初期,钢铁厂曾经生产了具有优良可焊性、低温韧性和屈服强度为60~80ksi的高强度、低合金(HSLA)钢板。海军开展了一项发展和 检验高强低合金钢的项目,使该合金钢可以不经或减少预热时间就具有可焊性、高强度、高韧性以及与高屈服钢相等的优质焊缝性能等。

该项目研究的重点是在合理的壳体制造成本范围内减轻CG-47级驱逐舰和DDG-51导弹驱逐舰的重量。这个项目表明,改进的ASTMA710A级钢板可 以满足最低屈服强度80ksi的要求,在低温下具有高却贝V型缺口冲击能,当采用与没有进行预热处理的HY-80相同的工艺和方法时,该钢板具有优良的可 焊性。因此,HSLA-80钢是ASTMA710钢中最佳的钢种,并且在1984年经过对钢板性能、焊接性以及制造特性,包括结构模型的建造和无损检测进 一步评价之后,可证明这类钢板可用于舰艇制造业。

用HSLA-80取代HY-80每吨制造成本可节约2000~3000美元。其中包括材料、劳动力、能耗和检验成本等。到2001年,大约有40000tHSLA-80用于美国海军水面战斗舰艇结构上。

继HSLA-80项目之后,开始进一步的合金开发和鉴定项目,该项目的进行使得准许用HSLA-100 来代替HY-100以进一步降低制造成本。HSLA-100也是一种含碳量低,铜沉淀强化钢,合金元素含量比HSLA-80的要高。这种新型钢种具有与 HY-100相应的强度和韧性,运用与没有预热要求的HY-100钢相同的焊接材料和工艺时,具有可焊性。

HSLA-100的开发由3个阶段组成:

(1)合金设计,通过利用实验室标准的加热方式来不断优化设计钢的成分;

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