船用含铌不锈钢

图 8.1.1 高温压缩试验条件 8 造船用含铌不锈钢 8.1 船舶用高强度奥氏体不锈钢 YUS304N 和 YUS170 YUS304N 钢和 YUS170 钢是利用 N 的固溶强化加上控轧控冷（TMCP）技术高强度化 的钢种，具有高强度高韧性。在海水中的抗疲劳强度和在大气中相比毫不逊色，采用同母材 焊丝的焊接性能十分优越。确保桓缝性能施以 SR 处理（消除应力退火），防止材质劣化。 上述钢种是为大型高速船的水中翼和支柱而研发的，但是它们可以广泛地应用于各个领域的 大型结构的建造，包括沿海大桥。 下面介绍关于 YUS304N 和 YUS170 的开发技术。 8.1.1 TMCP 技术 试验钢的化学成分见表 8.1.1。TMCP 如图 8.1.1 中曲线所示。 表 8.1.1 化学成分（%） 钢 种 C Si Mn P S Ni Cr N 其 他 SUS304 系 0.02 0.5 1.0 0.025 0.001 9.0 18.0 0.05～0.25 Nb:0～0.2 SUS170 系 0.02 0.5 1.0 0.028 0.001 13.5 24.5 0.35 Mo:0～1.5 高温压缩试验条件见图 8.1.1。 奥氏体不锈钢没有相变。作为强化手段的有晶粒细化强化、固溶强化、析出强化和加工 硬化等。冷加工硬化是显而易见的。如何抑制热加工恢复与再结晶是至关重要的技术， 其一是加速冷却，其二是加入晶粒长大阻制剂，两者结合效果尤佳并可行。 8.1.2 不加 Nb 时 N 的强化效果 不同 N 含量的 18Cr-9Ni 钢和 25Cr-14Ni 钢的 1223K，30%热变形（图 8.1.1）保温 1～ 200s 急冷后的室温硬度变化见图 8.1.2。N 0.05%～0.35%依顺序以同样速率无抑制地发生软 化。但 25Cr-14Ni 钢处于高位的实用值。因此 YUS170 可不加 Nb 对于 18Cr-9Ni 钢的 N 的 固溶强化和加工硬化，见图 8.1.3，随 N 量增加而增加。这种效应是由于 N 与位错反应的结 果，图 8.1.4a呈胞状结构，N 与位错互相缠绕，部分位元错恢复而成胞状；图 8.1.4b则完全 抑制了热加工的恢复与再结晶。YUS304N 中 N 较低，因而必须加 Nb 处理以抑制软化行为， 见图 8.1.5。 图 8.1.2 N 量和保温时间对压缩加工后的硬度影响 图 8.1.3 N 量对压缩加工后 200s 保持后的硬度影响 图 8.1.4 N 量对压缩加工后位错组织的影响 a—0.05%N；b—0.25%N 图 8.1.5 Nb 对压缩加工后软化行为的影响 8.1.3 Nb、Mo 的作用 Nb、Mo 对 1223K 热加工后的恢复与再结晶的影响，见图 8.1.4、图 8.1.5、图 8.1.6。图 8.1.4 无 Nb 时软化现象从热加工后 1s 开始到 200s 软化饱和，而 N 高者抗软化性较高。明显 示出加 Nb 后有抗软化能力，而高 N 者仍处于高位。 图 8.1.6 压缩加工后保温 200s 电子显微镜组织 （9Ni-18C-0.2N-0.1Nb） 图 8.1.7 对 Mo 压缩加工后软化行为的影响 图 8.1.8 实用钢板厚方面的硬度分布 图 8.1.6 电子显微镜分析指明 Nb 的析出物钉扎位错，使位错缠结，推迟了恢复和再结 晶。 图 8.1.7 示出 Mo 对 25Cr-14Ni 钢的 950℃热加工后常温下的硬度的影响。Mo 没有抑制 再结晶的作用，但是 Mo 有提高抗点腐蚀作用。 8.1.4 YUS304N 和 YUS170 工业生产实绩 两者化学成分见表 8.1.1，实用钢的力学性能见表 8.1.2、图 8.1.8～图 8.1.11。 表 8.1.2 实用钢化学成分(%) 钢 种 C Si Mn P S Ni Cr N 其 他 SUS304N 0.06 0.65 0.88 0.028 0.001 7.82 19.28 0.18 Nb：0.10 SUS170 0.02 1.04 0.63 0.029 0.001 12.92 24.42 0.33 Mo：0.75 图 8.1.9 在大气和盐水中的疲劳强度和屈服应力的关系 图 8.1.10 焊缝显微硬度分布 图 8.1.11 焊缝的疲劳强度 YUS170 提高 Cr、Ni 是为了炼制高 N 钢所需要，Cr、Ni 都是降低钢中 N 的活度，只有 高 Cr、Ni 才能溶解较高的 N。 制造工艺板厚：15mm，30mm；终轧温度：1210～1220K；压下量：20%～30%；冷却 速度大于 20K/s。 表 8.1.3 实用钢力学性能 钢 种 板厚/mm σ0.2/MPa 抗拉强度/MPa 吸收功/% VEo/J YUS304N 15 30 657 627 858 836 38 43 — 190 YUS170 15 30 847 759 1026 957 26 33 — 280 表 8.1.4 焊缝拉伸试验结果 焊接方法 σ0.2/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 面缩率/% 破断位置 TIG 748 927 26 52 焊接金属 埋弧 693 879 18 52 焊接金属 8.2 焊接用 0Cr13Ni5MoNb 马氏体不锈钢在高速飞船上的应用 在海水中高速航行的旅客用飞船的水中翼和支柱承受船体上浮的全部重量。因此需要高 强度，同时受海浪反复冲击，在船体上，要求材料具有抗疲劳强度；另外船在海水 中高速飞行，对材料耐海水腐蚀格外严格，涂层防蚀是无济于事的，所以素材的耐蚀性能很 重要，还要有优良的焊接性能。 基于上述理由，原来使用的 15-5PH 钢，因为热处理复杂，特别是焊缝性能更难以稳定 维持，精度和热应变管理难度大，难以推广。 下面介绍 0Cr13Ni5MoNb 钢的中厚板制造工艺，Mo 对耐蚀性的影响，Nb、Mo 对抗疲 劳性能影响的研究结果以及 960MPa 级焊接用 0.03C-13Cr-5Ni-1Mo-0.06Nb 钢的性能。 8.2.1 船翼和支柱要求性能 超高速水中翼船射流喷气发动机水中翼和支柱使用的不锈钢的力学性能要求见表 8.2.1。表 8.2.1 薄板和支柱材料的规格 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 面缩率/% VEo/J ≥890 ≥960 ≥12 ≥45 ≥27 (1)板材厚度在 5.5～205mm 大范围内满足这一要求； (2)焊后消除应力热处理（PWHT）为 525℃回火，同时要求材料在比 PWHT 温度和更 高温的 600℃回火处理后，其焊缝性能亦满足表 8.2.1。 8.2.2 研究成果 A 无 Nb 低 Mo 的 0Cr13Ni5 钢的（成分见表 8.2.2A）回火软化现象 表 8.2.2 实用钢的化学成分（%） 钢 C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb A 0.030 0.37 0.59 0.023 0.005 4.88 13.0 0.25 0.001 B 0.033 0.37 0.61 0.022 0.004 5.00 13.1 0.51 0.001 C 0.030 0.36 0.61 0.022 0.004 4.92 13.1 1.01 0.001 D 0.033 0.35 0.64 0.021 0.004 5.05 13.0 0.98 0.019 E 0.033 0.34 0.64 0.022 0.004 5.02 13.1 1.04 0.039 F 0.034 0.34 0.62 0.022 0.004 4.99 13.0 0.99 0.060 G 0.034 0.35 0.65 0.020 0.004 5.03 13.1 0.99 0.078 H 0.021 0.31 0.62 0.020 0.001 5.37 13.1 1.51 0.059 I 0.022 0.30 0.62 0.020 0.001 5.39 13.1 2.00 0.060 不同温度回火性能见图 8.2.1，可见 450℃以下，材料强度迅速下降的软化现象。 金相研究指出强度峰值试样的碳化物高度弥散分布，这是强度升高的原因。软化区试样 碳化物粗大，这是强度下降的原因。 B Nb、Mo 对抗拉强度的影响 图 8.2.2 为 Nb 对 13Cr-5Ni-1Mo 钢的 600℃回火后的性能的影响。Nb0.04%时达到强度 目标值，0.06%Nb 超过目标值，见图 8.2.2。 图 8.2.1 回火温度对 13Cr-5Ni 钢（A 钢）的 力学性能的影响 图 8.2.2 Nb 含量对 13Cr-5Ni-1Mo 钢 600℃ 回火后力学性能的影响 图 8.2.3 Mo 含量对 13Cr-5Ni-0.06Nb 钢 600℃回火后力学性能的影响 图 8.2.4 Mo 含量同疲劳强度的关系（3.5% NaCl 溶液中 Nf=1×106） Mo 量 1%～2%的强度指针均在目标值以上见图 8.2.3。 以上成果满足了上述的焊后热处理及其附加要求。 C Mo 对耐海水腐蚀疲劳特性的影响 图 8.2.4 是研究 Mo 对 25℃，3.5% NaCl 水溶液中腐蚀疲劳强度影响的结果，示出疲劳 寿命 Nf 1×106 的疲劳强度和 Mo 量的关系，1.0%Mo 最佳，超过 1.0%Mo 有下降趋势。 图 8.2.5 F 钢 600℃回火的力学性能同制造工艺间的关系 a—热轧后 930～1200℃常化处理后 600℃回火；b—热轧随后 600℃回火 图 8.2.6 两种工艺后的显微组织比较 a—925℃常化加 600℃回火；b—热轧后 600℃回火 图 8.2.5 示出 F 钢的常化温度对拉伸性能的影响。1050℃开始性能达到目标值，而 1100℃ 最佳。图 8.2.5b指出热轧状态 600℃回火后的性能。比常化处理后再 600℃回火性能好，而金相 组织示出后者为细化组织，见图 8.2.6b。 从溶度积原理看 NbC、NbN 在钢中的溶解规律如 8.2.1、式 8.2.2 表示。 lg［w(Nb)w(C)］=-3770/T+2.26 (8.2.1) lg ［ w(Nb)w(N) ］ =-10230/T+4.04 (8.2.2) 用公式 8.2.1、式 8.2.2 可以计算 0.035%C、0.0080%N、0.06%Nb 在钢中呈完全固溶的 温度，NbC 为 1100℃，NbN 为 1120℃。在 1200℃加热热轧空冷后再 600℃回火，Nb（CN） 的析出可确保稳定的高强度。 图 8.2.7 所示出的 1Mo-0.06Nb F 钢 600℃回火后硬度比 A 钢（无 Nb 低 Mo）高出 40HV， 就是上述道理。 D 耐海水疲劳强度 另有报道海水疲劳破坏是以孔蚀为起点的，所以耐孔蚀是提高海水疲劳强度的重要因 子。本钢种不同 Mo 量对点腐蚀电位的影响的测定结果见图 8.2.8。点腐蚀电位随 Mo 量增加 直线上升。 8.2.3 0Cr13Ni5MoNb 钢的商业化与生产工艺 基于上述结果可确定 0Cr13Ni5MoNb 钢的基本成分。 图 8.2.7 F 钢和 A 钢抗回火软化能力 图 8.2.8 孔蚀电位同 Mo 含量的关系 图 8.2.9 13Cr-5Ni-1Mo-0.06Nb 钢的韧性 图 8.2.10 新钢的 Y 形缺口抗裂试验结果 实用钢的成分、性能见表 8.2.3、表 8.2.4 和图 8.2.8、图 8.2.9、图 8.2.10。 表 8.2.3 13Cr-5Ni-1Mo-0.06Nb 商用钢板的化学成分（%） 钢 板厚/mm C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb K 5.5 0.027 0.37 0.65 0.023 0.005 5.45 13.2 1.09 0.068 L 12.7 0.021 0.31 0.59 0.018 0.003 5.25 13.0 1.05 0.058 M 30 0.021 0.31 0.59 0.018 0.003 5.25 13.0 1.05 0.058 N 205 0.028 0.36 0.63 0.018 0.003 5.29 13.0 1.08 0.064 表 8.2.4 商用钢板的力学性能 钢 板厚/mm σ0.2/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 面缩率/% VEo/J VtrE/℃ VTrS/℃ K 5.5 984 1013 18 61 24 — — L 12.7 985 1013 18 61 205 -100 ＜-100 M 30 1001 1029 18 66 212 -88 ＜-100 N 205 971 1113 18 60 135 -56 -68 图 8.2.11 13Cr-5Ni 钢的 3.5%NaCl 溶液中疲劳试验结果 本钢种可用 SMAW、GTAW、GMAW、PAN、EBW 等各种方法焊接，焊后施以 525℃ 消除应力处理，性能均满足要求。图 8.2.11 所示 3.5NaCl 疲劳试验结果，Nf=1×106 的疲劳 强度为 550MPa。 8.2.4 确认本钢种技术 (1)13%Cr-5%Ni-1%Mo-0.06%Nb 热轧+600℃回火工艺可行。 (2)600℃回火大生产工艺生产的 5.5～205mm 中厚板，σ0.2＞890MPa，δ＞12%，φ＞ 45%，VEo＞27J。 (3)30mm 板焊接 75℃预热可防止低温裂纹。 (4)YUS350 的生产示例。3.5%NaCl 溶液中 Nf 1×106 疲劳强度大于 500MPa。 (5)高强度马氏体不锈钢（0Cr13Ni5MoNb）YUS350。该钢的化学成分见表 8.2.5。 表 8.2.5 马氏体不锈钢 YUS350 的化学成分（%） 钢 种 C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb YUS350 0.01 0.3 0.5 0.015 0.002 5.4 13.2 1.0 0.1 炼钢工艺，50t 电炉+VOD 精炼，Ca 处理细化夹杂物，改善了延性，生产 20mm 和 200mm 厚板，各种性能如表 8.2.6～表 8.2.9 和图 8.2.12 所示。 表 8.2.6 大生产 YUS350 的力学性能 板厚/mm 热处理 方向 位置 σ0.2/MPa 抗拉强度 /Mpa δ/% φ/% 20℃冲击值/J·cm-2 0℃冲击 值/J·cm-2 L 1/4t 908 — 1031 — 22 1 71 — 278 276 270 269 20 950℃,1h，空冷 +520℃，1h，空冷 C 1/4t 1/2t 917 — 1039 — 23 — 72 — 271 268 281 275 L 1/4t 1/2t 935 927 1036 1036 20 20 62 56 250 270 261 264 C 1/4t 1/2t 938 917 1032 1032 20 20 61 55 274 255 273 255 200 950℃,5h 空冷 +520℃，5h，空冷 Z 全厚 1/4t 1/2t 925 — — 1021 — — 16 — — 41 — — — 132 150 — 106 125 图 8.2.12 YUS350 钢在大气中的疲劳特性 表 8.2.7 TIG 焊缝拉伸试验结果 材料 焊后热处理 σ0.2/MPa 抗拉强度/MPa δ/% φ/% 破断位置 焊接金属 无 530℃，1h 1034 1083 1093 1085 24 26 74 75 — — 焊缝 无 530℃，1h 963 999 1036 1040 20 20 76 77 母材 母材 表 8.2.8 TIG 溶接部的 0℃夏比冲击功 焊后热处理 焊缝金属 熔合线 热影响区（1mm） 热影响区（3mm） 无 218，206，231 243，248，229 235，231，232 242，231，235 530℃，1h 221，210，213 244，251，245 242，247，242 239，239，251 表 8.2.9 电子束焊缝金属的力学性能 焊后热处理 σ0.2/MPa 抗拉强度/MPa δ/% φ/% 0℃吸收功/J 无 821 950 20 70 132，144，145 530℃，1h 908 1017 24 67 137，147，104 图 8.2.12 示出大生产钢在大气中的疲劳特性，随着应力下降而疲劳寿命延长，到 70 万 次循环后达到饱和，显然其应力比 SUS630（H 1150）高，寿命也长。 参 考 文 献 1 中澤崇德等.船舶用高強度ステンレス鋼(YUS304N YUS170 YUS350)の開発.新日鉄技報，1996；361 8 造船用含铌不锈钢 8.1 船舶用高强度奥氏体不锈钢YUS304N和YUS170 8.2 焊接用0Cr13Ni5MoNb马氏体不锈钢在高速飞船上的应用