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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”的技術思路開展了大線能量焊接用鋼的研究開發工作。研究了Ti處理、Zr處理、復合Ti－Mg處理、復合Ti－Zr處理對船體鋼大線能量焊接性的影響。對試驗鋼進行20～200kJ／cm的焊接熱模擬試驗，焊接熱模擬最高加熱峰值溫度1350℃。結果表明，Ti－Mg、Ti－Zr復合處理后，鋼中獲得了大量細小的復合含Ti氧化物粒子（圖1），其直徑約1～2μm。比較各種脫氧處理條件下焊接熱影響區的低溫韌性可以看出（圖2），普通未進行任何處理的C－Mn鋼焊后熱影響區的整體低溫韌性水平較低，其中線能量E大于50kJ／cm時，低溫韌性顯著降低，僅為10J左右。經過不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區的低溫韌性顯著提高。其中經Ti－Mg處理（低Mg）后粗晶區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。對比焊接熱影響區的組織（圖3）可以看出，Al處理鋼中主要得到大量平行排列的側板條鐵素體組織，Ti－Mg復合處理鋼中主要得到大量交錯排列的晶內鐵素體組織。采用Ti－Mg復合脫氧處理的方法，在工業大生產條件下研制開發了100～240kJ／cm大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為80mm。（a）、（b）Ti－Mg復合處理；（c）、（d）Ti－Zr復合處理。

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、內底板環境下的腐蝕行為，研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術思路。通過不同的耐蝕合金設計，研究了多種合金元素對船板鋼在貨油艙腐蝕環境下的耐蝕性。圖4為3種不同合金元素對腐蝕速率的影響規律。從研究結果可以看出，在內底板腐蝕環境下，微量合金元素對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貨油艙內底板腐蝕環境下，傳統鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點蝕坑，而開發的耐蝕鋼表面只出現少量小而淺的點蝕坑，點蝕坑的深度／直徑比顯著降低。根據上述結果研制開發的工業鋼（NSD32、NSD36）內底板腐蝕速率均低于1mm／a的標準腐蝕速率要求（圖6），其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達到0．38mm／a的超低水平，約為傳統鋼的1／13。

大規格船用球扁鋼

綜合利用新型的釩氮微合金化設計＋碳氮化釩控制析出軋制工藝（PCRP），集成創新開發出高韌性、大規格船用球扁鋼品種技術。依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進晶內鐵素體形核（圖7），顯著地細化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細晶強化效果。同時，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強化作用，顯著提高鋼的強度。利用上述技術思路，可以在傳統孔型軋制條件下研究開發出屈服強度355、390、440MPa級系列高韌性船用球扁鋼品種。其中研制開發的D40極限規格43號（邊長430mm、腹板厚度20mm）熱軋船用球扁鋼屈服強度高于410MPa，－40℃沖擊功達到200J（圖8）。高韌性、高強度、大規格船用球扁鋼的開發解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術難題，滿足了中國船體建造的需要。

海洋平臺特厚齒條鋼

隨著海洋石油工業的深入開展和鉆采難度的加大，對自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發展要求，這類產品一般使用調質熱處理狀態交貨。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品開發的難點。研究了不同合金元素復合處理對齒條鋼淬透性的影響，結果表明，采用微B＋固N元素的復合處理可以在獲得良好強韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性（圖9（a））。同時，采用微Ti處理或稍過量的Al處理，均可使微量B的固溶比例達到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。采取上述合金優化思路，工業生產獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學性能的特厚齒條鋼。對于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，通過上述合金設計和工藝配合，也可獲得以馬氏體＋下貝氏體為主的顯微組織（圖10），基于該思路開發的齒條鋼和國內外先進技術相比，具有較高的強韌性水平（圖11）。

9Ni低溫鋼

隨著LNG工業的迅猛發展，9Ni低溫鋼的研究和開發熱度持續升溫。LNG的儲存溫度為－163℃，要求LNG儲罐內壁用9Ni鋼，具有較高的強度、良好的低溫韌性和較小的波動。研究發現，采用QLT熱處理（在QT調質處理中增加一道兩相區淬火），可在強度略微降低的情況下，顯著提高9Ni鋼的低溫韌性，同時大大擴展9Ni鋼的熱處理工藝窗口，提高9Ni鋼的性能穩定性（圖12）。進一步研究顯示，9Ni鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉變奧氏體有密切關系（圖13）。在9Ni鋼中形成5％～15％左右的、熱穩定性高的逆轉變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導塑性能力。在一定范圍內，9Ni鋼的逆轉變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。9Ni鋼逆轉變奧氏體的形成和穩定性，與C、Ni、Mn等奧氏體穩定元素的顯著富集具有密切的關系（圖14）。理論計算和試驗結果顯示，采用適當的工藝處理，9Ni鋼中C、Ni、Mn元素的質量分數最高可分別達到0．5％、25％和2％左右，使熱處理過程形成的奧氏體可穩定保持到室溫，即使冷卻至液氮溫度也不發生轉變。逆轉變奧氏體的控制技術，也是改善和提高9Ni鋼低溫斷裂韌性尤其是止裂韌性的關鍵工藝技術之一。

高技術船舶及海洋工程的國產化是建立在高端材料和技術大量依賴進口的背景之上的。要實現中國成為世界造船強國的戰略目標，還有大量關鍵技術需要突破，其中的核心問題之一就是高品質造船及海洋工程用鋼的研發和推廣應用。船舶及海洋石油工業的飛速發展給造船及海洋工程用鋼提出了高強度、高韌性、大線能量焊接及耐腐蝕性的要求，同時還需要具備大厚度及大尺寸規格的要求。采用Mg－Ti復合處理技術，開發出了適合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，焊接熱影響區粗晶區－20℃沖擊功高達350J。通過超純凈度冶煉及添加增加耐蝕性能合金元素的方法開發出了NS－D32及NS－D36船板鋼，在下底板環境下的腐蝕速率僅為傳統鋼的1／13。采用釩氮微合金化＋碳氮化釩控制析出軋制工藝開發出了性能優異的43號極限大規格D40球扁鋼。此外，齒條鋼已由過去的100、127mm發展為主力船型用的178mm，并逐步增加210mm齒條鋼的使用，個別工況的最大厚度達到259mm。服役工況更為苛刻，強韌性匹配的要求也更高。油氣儲運設備的大型化趨勢也使用戶對Ni系低溫鋼的安全裕量的考核更加重視。20萬m3和25萬m3巨型LNG儲罐的設計和建造促進了超級9Ni鋼的研究和開發，產品厚度達到50mm以上，在保持強度水平的情況下，—196℃的沖擊功由150～220J提高至250J以上，—163℃的CTOD值達到0．3mm以上。