CN104195459B - 一种造船用钢材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种造船用钢材,成分包括,C:0.15%~0.17%、Mn:1.6%~1.7%、P:0.03%~0.035%、S:0.02%~0.03%、Si:0.40%~0.50%、Cu:0.12%~0.31%、Ni:0.20%~0.30%、Cr:0.20%~0.30%、Mo:0.011%~0.012%、V:0.02%~0.03%、W:0.18%~0.21%、Co:0.21%~0.30%、B:0.01%~0.03%、Zr:0.01%~0.03%、Hf:0.01%~0.04%、Nb:0.01%~0.03%、Ti:1.0%~5.0%和余量的Fe。本发明的优点在于钢材不仅具有很好的机械强度,并且有良好的抗腐蚀性,在钢材中添加Zr、Hf、Nb、Ti,消除材料的磁性,同时提高材料的耐海水及电化学腐蚀性。
Description
技术领域
本发明属于铁基合金领域,具体涉及一种造船用钢材。
背景技术
造船钢材是指用造船专用结构钢生产的,用于制造远洋、沿海和内河航行的船舶的船体结构的薄钢板和厚钢板。由于船舶工作环境恶劣,船体壳要受海水的化学腐蚀、电化学腐蚀和海生物、微生物的腐蚀;船体承受较大的风浪冲击和交变负荷;船舶形状使其加工方法复杂等因素、所以对船体结构用钢要求严格。首先良好的韧性是最关键的要求,此外,要求有较高的强度,良好的耐腐蚀性能、焊接性能,加工成型性能以及表面质量。船体结构用钢板主要用于制造远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板等的钢板。
我国船舶工业造船产量已连续11年位居世界第三位,在世界工业中所占份额由2000年的6%提高到2005年的20%,到2015年我国的船舶产量将达2400万载重吨,从我国船舶工业的发展趋势来看,未来几年内,船用钢板需求量会继续呈增长态势。造船形势的飞速发展显现出造船钢材的产量和质量要提升,特别是造船钢材的质量,不仅要符合一般的国际化标准,更是船企间相互竞争的法宝,中国要从世界第一造船大国向世界第一造船强国迈进,造船钢材材料质量必须相应提高,如何制造和选择性价比更高的材质作为船体制造用钢,是新形势下船舶设计人员和标准化人员要解决的一个重要课题,也是船舶制造质量的保证。
中国专利CN201210017815.1公开了一种船舶用钢材,以及使用这样的船舶用钢材而构成的各种构造物,所述船舶用钢材船舶用钢材分别含有C:0.04%~0.30%、Si:0.05%~1.0%、Mn:0.1%~2.0%、P:0.010%~0.040%、S:0.011%~0.025%、Al:0.010%~0.10%、Cu:0.10%~1.0%、Cr:0.01%~0.3%、以及N:0.0030%~0.010%,残余部分由铁以及不可避免的杂质形成,并且S的含量[S]和N的含量[N]之比即[S]/[N]为1.50~6.0。能够在严酷的腐蚀环境下表现出优越的长期耐蚀性。但是材料作为造船钢材,还需要定期消磁,维护繁琐。
中国专利CN201310220568.X公开了一种“船舶用耐腐蚀钢材”,该发提供的钢材,含有C:0.01~0.3%、Si:0.20~0.80%、Mn:0.5~1.60%、P:0.005~0.040%、S:0.004~0.020%、Al:0.040~0.10%、Cu:0.2~0.80%、Cr:0.05~0.30%、Ti:0.010~0.050%、N:0.0020~0.010%、V:0.005~0.10%、Nb:0.005~0.050%、Fe及微量杂质,在各种腐蚀环境下的被曝露在腐蚀环境中的船舶用结构构件使用时,能够显现出良好的耐腐蚀性,但是同样存在需要定期消磁的弊端。
因此,开发一种能够很好地阻止海水的化学腐蚀、电化学腐蚀、硬度大、不受地磁干扰的造船钢材对我国造船行业的发展有积极的作用。
发明内容
为了克服上述现有技术缺陷,本发明的目的在于提供一种造船用钢材,能够很好地阻止海水的化学腐蚀、电化学腐蚀,制得的钢材硬度大、不受地磁干扰,能够有效地解决上述问题。
为了解决上述技术问题,本发明采取如下的技术方案:一种造船用钢材,组成元素包括:碳、锰、磷、硫、硅、铜、镍、铬、钼、钒、钨、钴、钛、硼、锆、铪、铌、钷、铁等;其中,上述元素的重量份组成为:C为0.15%~0.17%、Mn为1.6%~1.7%、P为0.03%~0.035%、S为0.02%~0.03%、Si为0.40%~0.50%、Cu为0.12%~0.31%、Ni:0.20%~0.30%、Cr:0.20%~0.30%、Mo为0.011%~0.012%、V为0.02%~0.03%、W为0.18%~0.21%、Co为0.21%~0.30%、B为0.01%~0.03%、Zr为0.01%~0.03%、Hf为0.01%~0.04%、Nb为0.01%~0.03%、Ti为1.0%~5.0%及余量的Fe。
进一步的,所述Ti的含量:1.1%~4.5%。
进一步的,所述Nb的含量:0.01%~0.02%。
进一步的,所述Hf的含量:0.03%~0.04%。
进一步的,所述Zr的含量:0.02%~0.03%。
进一步的,所述B的含量:0.01%~0.02%。
更进一步的,所述一种造船用钢材,原料组分中,C优选为0.16%,Mn优选为1.7%、P优选为0.032%、S优选为0.027%、Si优选为0.44%、Cu优选为0.21%、Ni为0.21%、Cr为0.29%、Mo优选为0.012%、V优选为0.024%、W优选为0.19%、Co优选为0.27%、Ti优选为3.5%、B优选为0.02%、Zr优选为0.024%、Hf优选为0.032%、Nb优选为0.02%、其余为Fe。
本发明的另一目的,在于提供一种造船用钢材的制备方法,制作步骤包括:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过熔融,冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2300℃~2400℃的温度下熔融搅拌20分钟~30分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌20分钟~30分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2300℃~2400℃温度下保持10分钟~20分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置10分钟~20分钟,在氩气保护下出钢浇铸。
进一步的,在合金基材制备步骤S01中,熔融条件为生铁经过熔融冶炼,控制C的含量为0.15%~0.17%、P的含量为0.03%~0.035%、S的含量为0.02%~0.03%。
进一步的,在合金基材制备步骤S01中,熔融温度为1560℃~1600℃,熔融10分钟~20分钟后搅拌10分钟~20分钟。
进一步的,在合金基材制备步骤S01中,冷却的速率为110℃/小时。
以下,对本发明中采用的合金的成分组成的限定理由进行说明:
制作工艺采用在钢材的基础上进行微合金化,降低对韧性和焊接性能影响最大的碳含量,确保在低的碳含量情况下仍可获得较高的强度,以保证优良的综合性能,控制C的含量为0.15%~0.17%、P的含量为0.03%~0.035%、S的含量为0.02%~0.03%,以达到造船钢材基材的基本要求,加入Si、Cu,有利于调和钢材的硬度和柔韧性;Mn是一种弱脱氧剂,能消除硫、氧对钢材的热脆影响,改善钢材热加工性能,并改善钢材的冷脆倾向,同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性,为适应航海气候条件及作业要求,综合考虑成本,本发明将Mn含量规定为1.6%~1.7%,优选为1.7%;V、W、B、Zr、Hf、Nb、Ti的加入,有助于提高钢材的耐蚀性及硬度,能够很好地抵御海水的耐蚀,能提高钢的强度,而不降低其塑性,改善钢的低温韧性;也可降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性;Ni本身具有一定耐蚀性,对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力;Cr在低合金范围内,对钢具有很大的强化作用,提高强度、硬度和耐磨性,能提高钢的淬透性,提高钢的耐热性。
本发明的优点是:
本发明所提供的钢材不仅具有很好的机械强度,并且有良好的的抗腐蚀性,在钢材中添加Zr、Hf、Nb、Ti,消除材料的磁性,同时提高材料的耐海水及电化学腐蚀性;Si、Cu、Fe、S、P、C先熔炼成钢,以及采用110℃/小时的降温速率,使材料的硬度和柔韧性性基本定型;钢材基材与添加金属分批冶炼后融合,添加V、W、B、Zr、Hf、Nb、Ti的加入,能够对钢材进行进一步的改性,使硬度和抗冲击增加;Mn、Mo、Co、Ni、Cr在V、W、B、Zr、Nb、Ti熔融中同时加入,能够使各组分间相互融合,同时阻止晶界和位错迁移,从而显著提高强度及韧性。所制备的钢材更加符合海洋作业的钢材需求,所制备的钢材能够延长船舶的使用寿命。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例,用来对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.16%、Mn为1.7%、P为0.032%、S为0.027%、Si为0.44%、Cu为0.21%、Ni为0.23%、Cr为0.23%、Mo为0.012%、V为0.024%、W为0.19%、Co为0.27%、Ti为1.0%、Zr为0.024%、B为0.02%、Hf为0.032%、Nb为0.02%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1560℃熔融12分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2340℃的温度下熔融搅拌23分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌23分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2340℃温度下保持12分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置12分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例2
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.15%、Mn为1.6%、P为0.03%、S为0.02%、Si为0.40%、Cu为0.12%、Ni为0.20%、Cr为0.20%、Mo为0.011%、V为0.02%、W为0.18%、Co为0.21%、Ti为1.1%、Zr为0.02%、B为0.01%、Hf为0.03%、Nb为0.01%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1560℃熔融10分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2300℃的温度下熔融搅拌20分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌20分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2300℃温度下保持10分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置10分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例3
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.17%、Mn为1.7%、P为0.035%、S为0.03%、Si为0.50%、Cu为0.31%、Ni为0.30%、Cr为0.30%、Mo为0.012%、V为0.03%、W为0.21%、Co为0.30%、Ti为5.0%、Zr为0.03%、B为0.03%、Hf为0.04%、Nb为0.03%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1600℃熔融30分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2400℃的温度下熔融搅拌10分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌10分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2400℃温度下保持20分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置20分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例4
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.16%、Mn为1.65%、P为0.033%、S为0.025%、Si为0.45%、Cu为0.21%、Ni为0.21%、Cr为0.21%、Mo为0.012%、V为0.025%、W为0.19%、Co为0.26%、Ti为2.8%、Zr为0.025%、B为0.015%、Hf为0.035%、Nb为0.015%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1570℃熔融21分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2310℃的温度下熔融搅拌11分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌11分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2310℃温度下保持11分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置11分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例5
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.15%、Mn为1.64%、P为0.034%、S为0.024%、Si为0.44%、Cu为0.24%、Ni为0.22%、Cr为0.22%、Mo为0.011%、V为0.024%、W为0.20%、Co为0.24%、Ti为4.8%、Zr为0.024%、B为0.014%、Hf为0.034%、Nb为0.025%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1580℃熔融22分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2320℃的温度下熔融搅拌12分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌12分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2320℃温度下保持12分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置12分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例6
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.16%、Mn为1.66%、P为0.033%、S为0.026%、Si为0.46%、Cu为0.26%、Ni为0.23%、Cr为0.23%、Mo为0.011%、V为0.026%、W为0.19%、Co为0.26%、Ti为4.6%、Zr为0.026%、B为0.026%、Hf为0.036%、Nb为0.026%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1590℃熔融23分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2330℃的温度下熔融搅拌13分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌13分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2330℃温度下保持13分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置13分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例7
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.17%、Mn为1.67%、P为0.034%、S为0.027%、Si为0.47%、Cu为0.27%、Ni为0.24%、Cr为0.24%、Mo为0.011%、V为0.027%、W为0.20%、Co为0.27%、Ti为4.7%、Zr为0.027%、B为0.027%、Hf为0.037%、Nb为0.027%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1590℃熔融23分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2380℃的温度下熔融搅拌13分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌13分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2380℃温度下保持13分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置13分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例8
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.16%、Mn为1.68%、P为0.034%、S为0.028%、Si为0.48%、Cu为0.28%、Ni为0.25%、Cr为0.25%、Mo为0.011%、V为0.028%、W为0.19%、Co为0.28%、Ti为4.8%、Zr为0.028%、B为0.028%、Hf为0.038%、Nb为0.028%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1600℃熔融24分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2340℃的温度下熔融搅拌14分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌14分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2340℃温度下保持14分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置14分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例9
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.17%、Mn为1.69%、P为0.034%、S为0.029%、Si为0.49%、Cu为0.29%、Ni为0.25%、Cr为0.25%、Mo为0.011%、V为0.029%、W为0.19%、Co为0.29%、Ti为4.9%、Zr为0.029%、B为0.029%、Hf为0.039%、Nb为0.029%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1590℃熔融25分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2350℃的温度下熔融搅拌15分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌15分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2350℃温度下保持15分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置15分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实施例10
一种造船用钢材,其原料组分包括:
C为0.176%、Mn为1.70%、P为0.035%、S为0.026%、Si为0.47%、Cu为0.28%、Ni为0.28%、Cr为0.28%、Mo为0.012%、V为0.03%、W为0.21%、Co为0.30%、Ti为5.0%、Zr为0.019%、B为0.019%、Hf为0.031%、Nb为0.03%和余量的Fe。
其制备方法包括以下步骤:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过1585℃熔融28分钟后,在冷却速率为110℃/小时的条件下冷却后得到合金基材。
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2390℃的温度下熔融搅拌18分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌18分钟,得到热熔合金。
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2390℃温度下保持18分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置18分钟,在氩气保护下出钢浇铸,制成造船钢材。
实验例1
抗磨性对比试验
本发明实施例1~10钢材与普通造船钢料的性能比较见表1。
表1抗磨性及硬度对比试验结果
实验例2
抗腐蚀性对比试验:
本发明实施例1~10钢材及普通造船钢铁(国标)材料以供腐蚀试验中,此腐蚀试验方法如下所述:实施模拟压载舱内环境以及油船原油箱的气相部环境的腐蚀试验。作为压载舱内环境的模拟试验,使用带切割划痕的喷涂试验片,实施1天的人工海水浸渍试验以及反复进行6天的干湿循环试验的复合循环试验。在1天的人工海水浸渍试验中,在保持为30℃的人工海水中将带切割划痕的喷涂试验片浸渍一天。在其后的干湿循环试验中,反复进行第一工序和第二工序(向相互的工序的转移时间各为1小时),其中第一工序是在温度:50℃、湿度:40%RH(25℃)下保持5小时,第二工序是在温度:30℃、湿度:95%RH(25℃)下保持5小时;试验期间为3个月。
试验结果如下表2所示:
表2抗锈蚀性对比试验结果
由上述试验例可见,本发明钢材的综合性能均高于普通造船钢铁(国标);用本发明制备的钢材的抗锈蚀倍率高于普通造船钢铁(国标)材料,更加适合用于航海船只的建造。
以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种造船用钢材的制备方法,制作方法采用在钢材的基础上进行微合金化;所述钢材的组成元素的重量百分比组成为:C为0.15%~0.17%、Mn为1.6%~1.7%、P为0.03%~0.035%、S为0.02%~0.03%、Si为0.40%~0.50%、Cu为0.12%~0.31%、Ni:0.20%~0.30%、Cr:0.20%~0.30%、Mo为0.011%~0.012%、V为0.02%~0.03%、W为0.18%~0.21%、Co为0.21%~0.30%、B为0.01%~0.03%、Zr为0.01%~0.03%、Hf为0.01%~0.04%、Nb为0.01%~0.03%、Ti为1.0%~5.0%及余量的Fe;其特征在于,制作步骤包括:
合金基材制备步骤S01:将待熔炼的C、P、S、Si、Cu、Fe经过熔融,冷却后得到合金基材;
添加材料制备步骤S02:将V、W、B、Zr、Nb、Ti于2300℃~2400℃的温度下熔融搅拌20分钟~30分钟,然后加入Mn、Ni、Cr、Mo、Co熔融搅拌20分钟~30分钟,得到热熔合金;
合金成品制备步骤S03:将步骤S01中得到的合金基材加入到步骤S02的热熔合金中,在2300℃~2400℃温度下保持10分钟~20分钟,同时搅拌加入Hf细粉熔融,完全融合后静置10分钟~20分钟,在氩气保护下出钢浇铸。
2.根据权利要求1所述的造船用钢材的制备方法,其特征在于,合金基材制备步骤S01中,熔融温度为1560℃~1600℃,熔融10分钟~20分钟后搅拌10分钟~20分钟。
3.根据权利要求1所述的造船用钢材的制备方法,其特征在于,合金基材制备步骤S01中,冷却的速率为110℃/小时。
4.根据权利要求1所述的造船用钢材的制备方法,其特征在于,所述钢材按重量百分比计含有如下原料组分:C为0.16%、Mn为1.7%、P为0.032%、S为0.027%、Si为0.44%、Cu为0.21%、Ni为0.21%、Cr为0.29%、Mo为0.012%、V为0.024%、W为0.19%、Co为0.27%、B为0.02%、Zr为0.024%、Hf为0.032%、Nb为0.02%、Ti为3.5%及余量的Fe。
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