船舶的大型化、高速化和海洋油气田的开发,为高强度船用钢的应用提供了广阔的前景。同时, 为了保证船舶的安全航行和使用可靠性, 从强度、韧性、疲劳性能、焊接性和耐腐蚀性能方面, 也对船用钢提出了更高的要求。因此, 世界各大钢铁企业在不断地进行满足不同性能要求船板钢的研发。2010年首次公开的船舶和海洋平台用钢相关专利共98件,其中包括可用作高强度船板的专利73件。通过对2010年公开的高强度船用钢专利进行分析, 可总结其研发现状和发展趋势。

　　高强度船板钢的研发特点：

　　最新公开的船板钢研发成果设计成分均以低碳、增锰和微合金化为主。高强度船板钢轧制工艺的研究大多采用TMCP(Thermo-Mechanical Control proeess)工艺, 通过再结晶区轧制重新细化奥氏体晶粒,然后在非再结晶区轧制使奥氏体晶粒伸长,结合冷却制度, 控制累计压下量, 最终获得规定性能的钢板。除此之外,在最新公开研发成果中,还包括两种非常规轧制方法,其特点如下:

　　第一，特殊的细化奥氏体晶粒技术。经过奥氏体再结晶区域轧制后，在奥氏体未再结晶区域进行累计压下率40%以上的轧制, 然后急速将中间坯加热至Ar3相变点以上到奥氏体再结晶区域, 之后再与TMCP工艺相结合, 获得优良韧性。

　　第二，两次热轧工艺。为了解决钢板中Ni偏析(含2.0%~4.5%Ni)问题, 先将板坯加热至1250℃~1380℃, 保温8小时，压下比1.2~10.0, 最后l道次前温度80℃~1250℃, 空冷到30℃。然后再加热到900℃~1270℃, 压下比2.0℃~40.0, 最后l道次前温度为680℃~1000℃。两次热轧后, 进行水冷, 时间在100秒以内, 终冷温度在20℃以下, 获得低温韧性和强度各向异性小的钢板。

　　典型高强度船板钢的关键技术

　　韧性优良的船板钢

　　第一，止裂韧性。JFE和神户制钢公开的止裂韧性优良的船板钢均是以提高母材韧性为出发点。JFE通过控制轧制条件和板厚方向的织构, 进一步提高母材韧性以实现止裂。神户制钢通过控制母材的化学成分(调整固溶B含量)和内部组织, 提高板厚1/4~1/ 2厚度位置的韧性以实现止裂。

　　第二，低温韧性。神户制钢低碳贝氏体钢板等低温韧性优良船板钢主要采用低C，Nb、V、Ti微合金化, 结合控轧控冷来保证船板具有优良的低温韧性。但对于一定厚度的超高强度船板钢,特别是F620级和F690级的船板钢,是难以通过微合金化和控轧控冷工艺获得所需要的屈服强度和低温韧性的。为此, 新日铁主要采用加人Ni元素, 配合特殊的轧制工艺实现-70℃韧性优良。

　　第三，强韧匹配。JFE从两个途径实现晶粒细化提高韧性：一是采用上述特殊的细化奥氏体晶粒的方法,获得15微米以下奥氏体晶粒, 抗拉强度≥950MPa, 韧脆转变温度在-40℃以下;二是采用两相区大累计压下率轧制，使铁素体连续再结晶，将铁素体晶粒细化到3微米以下，并与Cu或Nb的析出强化相结合, 获得良好的韧性。

　　大线能量焊接性能优良的船板钢：

　　通常情况下, HAZ(Heat-affected Zone) 强度和冲击韧性随输入线能量的增大而降低。为解决HAZ韧性问题, 相关人员相继开展了大线能量焊接用钢的研究工作。

　　JFE的工作如下：一、降低C和P含量, 抑制焊接加热时奥氏体晶粒粗大,在冷却过程中促进晶内铁素体生成, 同时减少MA量。二、控制Ca、S、O含量, 形成CaS和MnS复合硫化物,控制硫化物形态改善大线能量焊接韧性。三、减少Mo、Nb等强碳化物形成元素的含量, 增加弱碳化物形成元素Mn的含量并加入Cu、Cr等元素, 抑制MA生成。

　　对于500kJ/cm以上的大线能量HAZ韧性优良钢板的研发, 神户制钢在低C、增Mn的成分设计前提下, 根据化学成分的含量, 使Ti、Al、Ca的氧化物系夹杂物适当地分散, 并控制其大小, 实现HAZ韧性良好。 同时，通过控制钢的晶粒直径和MA量, 取得了母材低温韧性良好的效果。另一种研发思路是采用控制TiN数量和大小的方法, 实现HAZ韧性良好, 同时进一步抑制规定位置的MA生成,实现母材韧性优良。

　　住友金属通过调整化学成分, 控制Ti/N值，控制钢板表面和中间部位的硬度，实现了50mm以上钢板400kJ/cm以上的大线能量焊接性良好。

　　浦项制铁的研发思路是控制(Ti-Mg)O或(Ti-Mg)O-(Ti,B)N的复合析出的数量和大小,并适当分布, 促进针状铁素体和多边铁素体形成，实现100kJ/cm以上的大线能量焊接性良好。

　　耐腐蚀性能优良的船用钢：

　　第一，压载舱用钢材。JFE侧重研究如何抑制涂膜损伤部位腐蚀进一步恶化, 结论是在钢中添加Sn、Sb、W等元素, 并结合含Zn和W底漆, 延长钢材寿命;神户制钢侧重研究在高温条件下, 暴露在恶劣腐蚀环境下钢材的耐蚀性, 结论是在C、Si、Mn、Al等基本组成成分基础上, 添加Cu、Ni等元素的钢材, 并对底漆组成物的成分、平均粒径和界面的粗糙度等方面进行控制, 实现防腐蚀。

　　第二，原油舱用钢材。日本研发原油舱用钢材的主要思路是通过研究整体和局部腐蚀机理, 从成分设计角度提高耐腐蚀性能。JFE主要通过适量添加Cu、Cr、Sn、Sb、W等元素, 在钢板表面形成致密锈层, 并配合涂有锌或含锌涂层，延长海水或原油腐蚀环境下钢材的使用寿命。神户制钢通过适当调整C、Si、Mn、Al等成分, 特别是控制(Cu+Ni)/S和S含量, 调整钢材表面粗糙度,在钢材表面形成以锌为主要成分的涂层, 在减少腐蚀发生量的前提下抑制生成物脱落。

　　高强度船用钢的发展趋势

　　船板开发总的趋势是向着高强度和高韧性方向发展。为满足环境要求和提高生产效率，低温韧性和大线能量焊接性能成为船板须具备的性能。从公开的最新研发成果来看, 目前国外有关低温韧性的研究基本上是采用低C高Mn、Ti等元素微合金化配合TMCP工艺, 大线能量焊接性能的研究方向为利用微合金化元素细化晶粒、氧化物夹杂促进晶内铁素体生成和降低强碳化物形成元素、加人弱碳化物形成元素降低MA量。

　　随着研发的不断深人, 传统的TMCP工艺还将不断地发展和演变,同时提高生产率和适合工业化生产的技术也将不断涌现。近年, 日本和韩国对耐腐蚀船板钢进行了大量研究, 尤其是日本针对原油舱和压载舱的腐蚀机理进行了深入研究。在今后的一段时间内, 对耐腐蚀涂层材料的组成和提高钢材表面锈层致密性等方面的研究仍然是耐腐蚀船板钢的主要研发方向。