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本文作者：楊才福蘇航作者單位：鋼鐵研究總院工程用鋼研究所

大線能量焊接船板鋼

采用“氧化物冶金”的技術(shù)思路開(kāi)展了大線能量焊接用鋼的研究開(kāi)發(fā)工作。研究了Ti處理、Zr處理、復(fù)合Ti－Mg處理、復(fù)合Ti－Zr處理對(duì)船體鋼大線能量焊接性的影響。對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行20～200kJ／cm的焊接熱模擬試驗(yàn)，焊接熱模擬最高加熱峰值溫度1350℃。結(jié)果表明，Ti－Mg、Ti－Zr復(fù)合處理后，鋼中獲得了大量細(xì)小的復(fù)合含Ti氧化物粒子（圖1），其直徑約1～2μm。比較各種脫氧處理?xiàng)l件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可以看出（圖2），普通未進(jìn)行任何處理的C－Mn鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低，其中線能量E大于50kJ／cm時(shí)，低溫韌性顯著降低，僅為10J左右。經(jīng)過(guò)不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高。其中經(jīng)Ti－Mg處理（低Mg）后粗晶區(qū)的低溫韌性水平最高，各種線能量下的低溫沖擊值均在300J以上，且隨線能量的變化不敏感。對(duì)比焊接熱影響區(qū)的組織（圖3）可以看出，Al處理鋼中主要得到大量平行排列的側(cè)板條鐵素體組織，Ti－Mg復(fù)合處理鋼中主要得到大量交錯(cuò)排列的晶內(nèi)鐵素體組織。采用Ti－Mg復(fù)合脫氧處理的方法，在工業(yè)大生產(chǎn)條件下研制開(kāi)發(fā)了100～240kJ／cm大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為80mm。（a）、（b）Ti－Mg復(fù)合處理；（c）、（d）Ti－Zr復(fù)合處理。

油船貨油艙用耐腐蝕鋼

深入分析了船板鋼在貨油艙上甲板、內(nèi)底板環(huán)境下的腐蝕行為，研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術(shù)思路。通過(guò)不同的耐蝕合金設(shè)計(jì)，研究了多種合金元素對(duì)船板鋼在貨油艙腐蝕環(huán)境下的耐蝕性。圖4為3種不同合金元素對(duì)腐蝕速率的影響規(guī)律。從研究結(jié)果可以看出，在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，微量合金元素對(duì)船板鋼的耐蝕性存在顯著影響。添加0．1％以上的B和C耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到原來(lái)的1／4～1／3。觀察腐蝕后的形貌（圖5）可以看出，在IMO貨油艙內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點(diǎn)蝕坑，而開(kāi)發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑的深度／直徑比顯著降低。根據(jù)上述結(jié)果研制開(kāi)發(fā)的工業(yè)鋼（NSD32、NSD36）內(nèi)底板腐蝕速率均低于1mm／a的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率要求（圖6），其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達(dá)到0．38mm／a的超低水平，約為傳統(tǒng)鋼的1／13。

大規(guī)格船用球扁鋼

綜合利用新型的釩氮微合金化設(shè)計(jì)＋碳氮化釩控制析出軋制工藝（PCRP），集成創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出高韌性、大規(guī)格船用球扁鋼品種技術(shù)。依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核（圖7），顯著地細(xì)化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果。同時(shí)，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度。利用上述技術(shù)思路，可以在傳統(tǒng)孔型軋制條件下研究開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度355、390、440MPa級(jí)系列高韌性船用球扁鋼品種。其中研制開(kāi)發(fā)的D40極限規(guī)格43號(hào)（邊長(zhǎng)430mm、腹板厚度20mm）熱軋船用球扁鋼屈服強(qiáng)度高于410MPa，－40℃沖擊功達(dá)到200J（圖8）。高韌性、高強(qiáng)度、大規(guī)格船用球扁鋼的開(kāi)發(fā)解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術(shù)難題，滿足了中國(guó)船體建造的需要。

海洋平臺(tái)特厚齒條鋼

隨著海洋石油工業(yè)的深入開(kāi)展和鉆采難度的加大，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)用齒條鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性的發(fā)展要求，這類產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。研究了不同合金元素復(fù)合處理對(duì)齒條鋼淬透性的影響，結(jié)果表明，采用微B＋固N(yùn)元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強(qiáng)韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性（圖9（a））。同時(shí)，采用微Ti處理或稍過(guò)量的Al處理，均可使微量B的固溶比例達(dá)到50％以上（圖9（b）），且偏聚于奧氏體晶界處，有效地延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性。采取上述合金優(yōu)化思路，工業(yè)生產(chǎn)獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學(xué)性能的特厚齒條鋼。對(duì)于152mm厚的齒條鋼，即使在鋼板的心部，淬火冷卻速率僅為1℃／s左右，通過(guò)上述合金設(shè)計(jì)和工藝配合，也可獲得以馬氏體＋下貝氏體為主的顯微組織（圖10），基于該思路開(kāi)發(fā)的齒條鋼和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)相比，具有較高的強(qiáng)韌性水平（圖11）。

9Ni低溫鋼

隨著LNG工業(yè)的迅猛發(fā)展，9Ni低溫鋼的研究和開(kāi)發(fā)熱度持續(xù)升溫。LNG的儲(chǔ)存溫度為－163℃，要求LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁用9Ni鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性和較小的波動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，采用QLT熱處理（在QT調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū)淬火），可在強(qiáng)度略微降低的情況下，顯著提高9Ni鋼的低溫韌性，同時(shí)大大擴(kuò)展9Ni鋼的熱處理工藝窗口，提高9Ni鋼的性能穩(wěn)定性（圖12）。進(jìn)一步研究顯示，9Ni鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系（圖13）。在9Ni鋼中形成5％～15％左右的、熱穩(wěn)定性高的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過(guò)程中吸收能量，提高相變誘導(dǎo)塑性能力。在一定范圍內(nèi)，9Ni鋼的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。9Ni鋼逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成和穩(wěn)定性，與C、Ni、Mn等奧氏體穩(wěn)定元素的顯著富集具有密切的關(guān)系（圖14）。理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用適當(dāng)?shù)墓に囂幚恚?Ni鋼中C、Ni、Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可分別達(dá)到0．5％、25％和2％左右，使熱處理過(guò)程形成的奧氏體可穩(wěn)定保持到室溫，即使冷卻至液氮溫度也不發(fā)生轉(zhuǎn)變。逆轉(zhuǎn)變奧氏體的控制技術(shù)，也是改善和提高9Ni鋼低溫?cái)嗔秧g性尤其是止裂韌性的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。

高技術(shù)船舶及海洋工程的國(guó)產(chǎn)化是建立在高端材料和技術(shù)大量依賴進(jìn)口的背景之上的。要實(shí)現(xiàn)中國(guó)成為世界造船強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，還有大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破，其中的核心問(wèn)題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。船舶及海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展給造船及海洋工程用鋼提出了高強(qiáng)度、高韌性、大線能量焊接及耐腐蝕性的要求，同時(shí)還需要具備大厚度及大尺寸規(guī)格的要求。采用Mg－Ti復(fù)合處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了適合100～200kJ／cm的大線能量焊接船體鋼，其在200kJ／cm的大線能量焊接時(shí)，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)－20℃沖擊功高達(dá)350J。通過(guò)超純凈度冶煉及添加增加耐蝕性能合金元素的方法開(kāi)發(fā)出了NS－D32及NS－D36船板鋼，在下底板環(huán)境下的腐蝕速率僅為傳統(tǒng)鋼的1／13。采用釩氮微合金化＋碳氮化釩控制析出軋制工藝開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的43號(hào)極限大規(guī)格D40球扁鋼。此外，齒條鋼已由過(guò)去的100、127mm發(fā)展為主力船型用的178mm，并逐步增加210mm齒條鋼的使用，個(gè)別工況的最大厚度達(dá)到259mm。服役工況更為苛刻，強(qiáng)韌性匹配的要求也更高。油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的大型化趨勢(shì)也使用戶對(duì)Ni系低溫鋼的安全裕量的考核更加重視。20萬(wàn)m3和25萬(wàn)m3巨型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和建造促進(jìn)了超級(jí)9Ni鋼的研究和開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品厚度達(dá)到50mm以上，在保持強(qiáng)度水平的情況下，—196℃的沖擊功由150～220J提高至250J以上，—163℃的CTOD值達(dá)到0．3mm以上。