科技新进展：高性能船用系列型钢研制与工程应用

一、研究的背景与问题

高技术船舶装备作为“海洋强国”战略的基石，正朝着大型化、高端化、高效建造、长寿命与安全服役等方向发展。船用型钢与船用钢板通过焊接组合成为各种形式的船体结构，是船舶装备建造必不可少的关键结构材料，用量仅次于钢板，但研制与生产难度远高于同类型钢板。近年来，豪华邮轮、LNG运输船、大型油轮、大型集装箱船、国家重大装备等多型重点船舶装备纳入发展规划。对船用型钢提出了与钢板等强匹配、良好的截面均匀性、优异的外形尺寸、易焊接、抗低温、耐腐蚀以及全品种系列化等要求。本项目开展前，我国在品种规格、工艺装备、产品质量、特种功能性等方面还存在较大差距，主要表现在以下几个方面：

（1）品种规格不全。本项目立项之前，我国只能生产A/B/D级以及部分规格的315MPa、355MPa级船用型钢，强度级别与质量等级低、规格品种少；新型船舶装备所需的390~785MPa级型钢品种空白。

（2）调质热处理工艺装备空白。国际上没有船用型钢专用调质热处理装备，水槽淬火、弯淬等传统调质热处理工艺易造成性能波动大、外形尺寸控制难、生产效率低等问题，美国不得不采用超高强焊接T型材作为船用肋骨结构，焊接工作量显著增大、结构重量增加。

（3）型钢截面均匀性差。受型钢孔型轧制生产工艺的影响，易造成截面变形与冷却不均匀，球头、腹板等不同部位组织与性能差异大。传统Nb-V微合金化及控轧工艺在一定程度上能提升强度等力学性能水平，但无法解决截面均匀性问题。

（4）特种功能性型钢产品缺失。围绕大型油轮、LNG船、国家重大装备等应用需求，日、韩、美、俄等国相继开发出耐蚀型钢、F级低温型钢、易焊接型钢、低磁型钢等高端功能性产品，我国前期仅在船用钢板方面取得进展，型钢配套明显滞后。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目由钢铁研究总院牵头组织，联合鞍钢、南钢金鑫等生产企业，以高技术船舶所需的系列高性能型钢紧迫需求为导向，通过近20年自主研发新材料、新工艺、新装备、新技术，突破“船用型钢调质热处理装备集成”等十余项关键技术，自主开发了超高强调质型钢、高强非调质型钢、低温型钢、耐蚀型钢等数十个船用型钢系列产品，实现了国家重大装备、豪华邮轮、大型LNG运输船等高端船舶装备工程应用。主要包括：（1）590~785MPa级超高强调质型钢装备及工艺集成技术：主要解决型钢调质热处理装备及工艺空白、外观变形大等问题，拘束分区淬火分区控制等关键技术；

（2）355~440MPa级高强非调质型钢强韧化设计技术：主要解决高强非调质型钢强韧性匹配难、截面均匀性差、极限规格缺失、高V-N钢铸坯裂纹等问题，突破了基于VCN-PCRP强韧化、极限规格船用型钢集成设计、VN矩形坯表面质量控制等关键技术；（3）特种功能性型钢设计技术：主要解决船用型钢耐腐蚀、抗低温、易焊接、低磁性等问题，突破了基于Sb/Sn微合金设计的致密内锈层控制、基于Ni系逆转变奥氏体韧化、基于低Pcm+多元复合纳米相析出的易焊接设计等关键技术。

项目的总体研究思路见图1。

图1 项目总体技术路线

三、主要创新性成果

1、自主研制了首台套能实现批量稳定生产的船用型钢专用调质热处理装备，系统解决了异型截面型钢调质热处理时性能均匀性差、外观尺寸变形大等难题，形成了超高强调质船用型钢理论-工艺-装备成套技术，开发出590~785MPa系列超高强调质船用型钢产品，满足国家重大装备的迫切需求。

590MPa级以上船用钢板通常采用均匀加热+辊压式淬火+高温回火调质热处理工艺获得优良的强韧性配合，型钢缺少相应装备及相关专有工艺，技术空白。本项目基于非平衡相变截面组织均匀化控制理论，首创了多级线圈协同感应加热调质热处理工艺。通过模拟计算建立了多级线圈电磁感应加热理论模型，定量分析了船用型钢电磁场、温度场、组织场耦合关系，阐明了非平衡加热条件下船用型钢的组织结构演变规律与强韧化机理。多级线圈的梯度加热关系为：初级线圈为预热线圈，通常加热保证淬火加热透入深度；次级线圈为补热线圈，主要确保球头、腹板部位的均匀升温效果；末级线圈为加热线圈，以确保船用型钢获得均匀的淬透组织和良好的强韧性匹配。通过球头、腹板不同部位差异化的加热，确保球头温度高于腹板约30~50℃，这也是本项目可以良好控制型钢不同部位性能均匀性以及淬火过程变形的关键。

图2 多线圈拘束感应加热淬火

图3 感应加热球扁钢截面不同位置相变动力学

尺寸形状控制也是调质型钢要解决的重点关键问题。拘束感应加热淬火调质热处理工艺快热快冷的技术特点，在淬火过程中产生比传统水槽淬火更大的热应力。针对上述技术难点，本项目通过模拟计算建立了非平衡加热与淬火条件下船用型钢应力应变关系，明确了不同拘束方式、淬火冷却强度与镰刀弯、波浪弯、扭曲等形变关系。在此基础上首创了球扁钢三区十六点多维度拘束以及截面分区淬火控制技术。同时还对球头、腹板部位采用分区数字化准确水量和水压冷却控制实现球头、腹板部位的协同变形。调质热处理后的球扁钢纵向弯曲度不高于2mm/m，远高于俄罗斯弯淬工艺生产球扁钢5~10mm/m的控制水平，代表调质态船用型钢最高技术水平。

图4 调质态超高强球扁钢加热与淬火冷却过程温度与应力分布规律

图5 调质态超高强球扁钢平直度控制效果对比

基于上述热处理技术和装备，本项目开发了590~785MPa级超高强球扁钢-84℃冲击功高于200J，断口纤维率均为100%，球头与腹板强度差控制在30MPa以内，实现了超高强调质球扁钢的稳定化生产，产品综合产能达2~3万吨/年。

图6 调质态超高强球扁钢截面力学性能

2、突破了传统低合金钢V-N优化配置基本原则，创新性开发出基于碳氮化钒析出控制（VCN-PCRP）的高强非调质船用型钢强韧化、截面均匀性控制和极限规格产品制造技术，阐明了VN微合金钢铸坯裂纹形成机理并消除了表面横向及角部裂纹，解决了355~440MPa级船用型钢产品的稳定化生产与低成本应用问题。

通过V-N微合金化设计，利用VN在奥氏体中的析出与再结晶轧制的耦合作用有效阻碍奥氏体晶粒的粗化，同时结合VN晶内铁素体形核技术，显著细化了铁素体晶粒；另一方面，廉价的氮作为含V钢中有效的合金化元素，可以显著促进VCN在铁素体中的析出，成倍提高钒的析出强化效果。在传统钢中添加0.06%~0.10%V、0.0080%~0.0150%N，可以提高屈服强度约100~200MPa，-40℃冲击功大于200J，铁素体晶粒尺寸由约20~25μm细化至8~12μm。

图7 VCN-PCRP强韧化技术

图8 球扁钢球头腹板部位VCN析出规律

充分利用VCN在球头、腹板位置的析出动力学差异弥补轧制和冷却带来的截面不均匀性。球头部位冷却速度较腹板相差约0.8℃/s，冷却150s后温差达120℃以上，球头部位低的冷却速度可以使VCN的析出量由56%提升至68%，析出相平均尺寸减小2~5nm。相对腹板位置，球头部位充分析出的VCN发挥了钉扎高温奥氏体晶界、促进晶内铁素体形核以及析出强化等方面的作用，降低了球头和腹板的晶粒尺寸与强韧性差异，截面均匀性显著得到改善。基于VCN控制析出技术研制开发的390~440MPa级高强非调质型钢球头腹板部位的屈服强度差异由传统钢的约45MPa降低为5~10MPa，-40℃冲击功差异由传统钢的约100J降低为不高于30J，铁素体平均晶粒尺寸差异由传统钢的约5~10μm降低为1~3μm。

图9VCN-PCRP对截面均匀性影响

针对极限大规格船用型钢设计与制备难题，在成分设计方面，突破了传统低合金钢V-N的优化配置基本原则，V含量由不高于0.10%提升至0.15%、N含量由不高于0.015%提升至0.025%、[V][N]提升2倍以上，由此带来奥氏体中VN析出量增加约20%~40%、铁素体中VCN析出量增加约10%~20%。同时配合铸坯尺寸设计、坯料轧制加热、轧制变形及轧后冷却等配套工艺，成功开发出43号超大规格390MPa级D40球扁钢，产品通过了九国船级社认可；16~20号大规格440MPa级船用型钢，韧脆转变温度低于-50℃，产品通过装备应用认证并实现了工程应用。

图10 43号D40球扁钢显微组织和低温冲击性能对比

图11  18号440MPa级球扁钢显微组织和低温冲击性能对比

针对V-N钢矩形坯极易在内弧面横向及角部产生裂纹问题，本项目明确了高N含量、高[V][N]积对V-N微合金钢热塑性及碳氮化物析出行为与组织转变的影响规律，阐明了大规格V-N微合金钢矩形坯裂纹形成机理，即：第三脆性区中形成大量VCN析出物，在铸坯组织晶界处析出并脆化晶界；与此同时，受晶界析出物对组织的影响，在奥氏体晶界处形成膜状或网状先共析铁素体，显著降低了表层或角部组织的热塑性并引发横向裂纹。技术解决路径为：采用结晶器均匀冷却，优化二冷区水流量、喷嘴喷射角度、提高拉速等手段满足铸坯矫直温度高于产生脆化的上临界温度，避开塑性低谷区；同时，设计高频率小振幅振动曲线，配合高熔点、高粘度的新型钒氮钢保护渣，实现大规格矩形坯表面振痕控制，降低波谷处裂纹发生几率。280×380mm、320×410mm等7种V-N钢矩形坯的表面横向裂纹发生机率由60%~90%降低至0。

图12 表面质量控制技术实施前后矩形坯裂纹对比

3、系统攻克了基于Sb/Sn微合金设计的致密内锈层控制等关键技术，开发出耐腐蚀、抗低温、易焊接、低磁性等特种功能性船用型钢产品，实现了耐蚀型钢在酸性Cl^-和高S环境下免涂装应用、低温型钢-60℃和-110℃考核、易焊接型钢在-5℃~-10℃不预热焊接、低磁型钢相对磁导率低于1.005，为高端船舶装备建造提供了全新材料技术方案。

（1）耐蚀型钢：通过Sb/Sn微合金化致密内锈层控制，货油舱环境腐蚀速率≤1.35mm/25年（标准要求≤2.0mm）；

传统船用型钢在高硫高酸环境下腐蚀初期易形成疏松多孔的FeOOH，同时在锈层中还容易形成单质S富集，导致剥离性腐蚀。本技术通过向传统钢中添加微量Sb和Sn元素，利用其在锈层演化过程中的选择性富集与界面调控作用，诱导形成连续、致密且与基体结合牢固的内锈层，从而阻碍腐蚀介质的渗透，将活泼的“活性溶解”转变为受控的“阻挡层保护”，即使外锈层因机械冲击或磨损而剥落，致密的内锈层仍能提供持久保护，实现“以锈防锈”的长效防腐目标。与此同时，通过添加Cu、Ni元素使基体电位提高，进一步提升基体耐腐蚀性能。所开发的D级和D36级球扁钢在模拟上甲板高S环境下的腐蚀速率1.26~1.35mm/25年（标准要求低于2.0mm/25年），并通过为期3年的实船应用考核，耐蚀型钢腹板的腐蚀减薄量较普通钢降低30%以上。

图13 致密内锈层控制技术及应用效果

（2）低温型钢：采用Ni系逆转变奥氏体设计，5Ni钢-110℃冲击功≥200J，应用于低温罐运输船；

首次将基于逆转变奥氏体调控的Ni系低温钢板技术应用于船用低温型钢中，其核心在于通过精确控制热处理工艺，引入稳定、弥散分布的逆转变奥氏体，从而显著提升材料的超低温韧性。采用Mn-Ni-Cu成分设计和基于型钢专用调质热处理装备的QLT临界热处理工艺相结合，获得具有良好热稳定性的逆转变奥氏体。C、Ni、Mn、Cu等奥氏体稳定元素在逆转变奥氏体中产生高度富集。经量化调控的逆转变奥氏体形态变为薄膜状或短棒状，并沿马氏体板条界平行、弥散分布，这种精细分布能更有效地分割基体，阻碍裂纹扩展。在低温变形条件下，逆转变奥氏体通过相变诱导塑性吸收变形能量，极大提高型钢基体的低温韧性。本项目开发的5Ni低温型钢-110℃冲击功达200J以上，产品通过五国船级社认证。

图14 5Ni低温型钢韧脆转化曲线

（3）易焊接型钢：基于低Pcm+纳米析出设计，440MPa、590MPa级型钢分别实现-10℃、-5℃不预热焊接；

创新提出了“低Pcm+多元复合纳米强化”的技术思路。通过低碳含量及低碳当量设计显著降低冷裂纹敏感性，采用多元复合纳米强化（MC及Cu纳米相）弥补降碳带来的强度损失。基于上述设计思路，船用型钢中碳含量由传统NiCrMoV系钢的0.11%大幅度降低0.06%以下，碳当量由0.54%~0.63%降低到0.45%~0.50%，Pcm由0.232%~0.248%降低到0.166%~0.223%，冷裂纹敏感性系数Pcm降低10%~30%。为弥补C及合金元素含量降低带来的强度损失，通过Nb、V碳氮化物及多元复合Cu纳米团簇析出可获得150~200MPa强度增量。采用上述技术，研究开发的440MPa级易焊接型钢预热温度由约80℃降低至-10℃，590MPa级易焊接型钢预热温度由120~150℃降低至-5℃，取消了传统NiCrMoV钢焊接预热工序，由此带来焊接制造周期缩短20%以上。

图15 低温不预热焊接设计思路与多元纳米复合析出相

（4）低磁型钢：Mn-Al奥氏体设计，相对磁导率低于1.005；

传统船用型钢均采用低合金钢成分设计，组织类型为铁素体+珠光体，均为铁磁性组织，相对磁导率高。本项目突破了基于Mn-Al奥氏体组织设计的低磁型钢技术，采用中C（0.40%~0.50%）+Mn（16%~18%）+Al（2.4%~3.6%）合金设计，通过梯度温度控制的连续轧制方式，获得了较为细小（晶粒度8.3~9.8级）的顺磁性单一奥氏体组织。开发的低磁型钢屈服强度为330~360MPa，抗拉强度为670~760MPa，无明显韧脆转变特性，相对磁导率保持在1.001~1.004。产品还具有良好的形变和焊接磁稳定性，已批量应用于重点船体装备。

图16 低磁型钢的力学性能与磁性能

四、应用情况与效果

本项目首次谱系化构建了高性能船用型钢材料体系，自主研发了高强非调质型钢等数十个品种系列，实现了豪华邮轮、大型LNG运输船、国家重大装备等“造船皇冠上的三颗明珠”全面工程应用。成功研制的高性能船用型钢材料，标志着我国船用型钢技术实现了从“点的突破”到“体系化建设”的重大跨越。

在材料强度上，构建了从355MPa、390MPa、440MPa级高强非调质型钢，到590MPa、690MPa、785MPa级超高强调质型钢的完整强度梯队，实现了对船舶结构轻量化与高安全性需求的全面覆盖。在环境适应性上，韧性等级实现了从-20℃、-40℃的常温海域，到-60℃的寒冷水域，直至-110℃的超低温环境的全谱系保障，满足了全球航线和极端科考任务对材料低温韧性的严苛要求。在产品规格上，实现了应用场景的全覆盖，以关键的球扁钢为例，其规格覆盖了从5号到43号的全系列，并包括单球和双球等多种截面形式，能够精准匹配从小型船舶到超大型特种船的各类结构设计需求。更为重要的是，在功能特性上，突破了单一的结构承重功能，开发出耐腐蚀型钢（适用于原油船货油舱苛刻环境）、易焊接型钢（可实现-10℃不预热焊接，大幅提升造船效率）、低磁型钢（相对磁导率低至1.001~1.004）等一系列特种功能材料，形成了“一材多用、功能集成”的先进材料解决方案。该体系的建成，不仅彻底解决了我国高端船舶建造长期面临的“有板无型”、“有材无配”的瓶颈问题，更实现了对国际先进水平的全面追赶与部分领跑，为我国船舶工业向高端化、绿色化、智能化发展奠定了坚实的材料根基。项目经中国金属学会组织的科技成果鉴定达到国际领先水平。

信息来源：钢铁研究总院有限公司