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潜艇用特殊钢的发展史

日期:2021-01-26 16:54

潜艇用钢:

 

用于建造潜艇耐压壳体的低合金高强度钢。大多数的潜艇通常都具有双壳结构,即外壳和内壳。外壳主要用于改善潜 艇的流线型,减小潜艇航行时的阻力,但不承受任何压力;内壳主要用于承受潜艇在一定深度海水中航行时由水深引 起的静压力,因此内壳又称为耐压壳。二者相比,对潜艇耐压壳体的要求更高。潜艇用钢不但要求具有高强度(承受 深水的静压力),而且要求具有高韧性(保证遭受炸弹攻击时的良好抗爆性能),因此国外也把这类钢称为“强韧 钢”。

潜艇用钢的发展与潜艇的发展有密切的关系。潜艇的概念最早出现在美国独立战争时期。1624年,荷兰首先设 计并建造了世界上第一艘可供实战使用的潜艇一一荷兰号(ss一1)。在第一次世界大战期间,潜艇已开始显示出它的 战斗力。在第二次世界大战期间,潜艇充分显示出强大的作战威力,在战争中发挥了重大作用。核动力和导弹核武器 在潜艇上的应用,使潜艇的作用进一步提高,已成为一种战略威慑力量。随着潜艇的迅速发展,潜艇用钢也得到了迅 速发展。1940年以前,世界上所有的潜艇都是用低碳钢建造的,钢的屈服强度仅为220MPa,潜艇的下潜深度也比较 浅。

1940-1958年,美国采用屈服强度为340MPa的碳锰系低合金高强度钢HSS(High Strength Steel)建造潜艇,使潜艇的下潜深度増加,可达100200m,提高了潜艇的隐蔽性。1958年美国开始使用屈服强度为550MPa的镍铬钼系淬火回火的低合金高强度钢HY-80建造潜艇(HY-80是高屈服强度的最小值为80ksi的縮写)。在此钢的基础上,采用热处理 方法又发展了HY-100钢,使钢的屈服强度达到690MPa,进一步增加了潜艇的下潜深度,提高了潜艇的技术战术性能。

 

1963年美国又开始研究屈服强度为890MPa的HY-130钢,预计该钢目前已用于潜艇建造。与美国相比,日本潜艇用钢发展较晚,但研制的速度是相当快的。I960年以前,日本建造潜艇主要使用屈服强度为290MPa的NS63钢;19591966年 日本主要使用屈服强度为450MPa的NS46钢建造潜艇;19671977年日本主要使用屈服强度为620MPa的NS63钢建造潜 艇;1975年至20世纪末主要使用屈服强度为780MPa的NSS0钢建造潜艇;90年代后,日本在潜艇部分结构上开始使用屈 服强度更高的NS110钢建造潜艇,使用范围正在不断扩大。前苏联国家潜艇用钢发展也很快,主要使用AK系列钢建造 潜艇,如AK-25、AK-27、 AK-33、AK-43、AK-44等。

技术要求:由于潜艇是在大深度的海水中航行并进行战斗,服役条件相当苛刻,所以对潜艇用钢要求非常严格,可以 说潜艇用钢是低合金高强度钢中性能要求是最严格的一类钢,主要要求有高屈服强度、高韧性和高抗爆性、良好的焊接性、良好的耐海水腐蚀性能和抗低周疲劳性能等。

(1) 高屈服强度:

 

为提高潜艇的隐蔽性、安全性和技术战术性能,必须尽可能增加潜艇的下潜深度。一般地说,在海 水中深度每增加10m,水的压力就增加一个大气压(10Pa)。所以潜艇下潜深度越大,深水对潜艇耐压壳体的压力也越大。増加耐压壳体钢板的厚度,虽然可承受更大的压力,但这将导致潜艇的重量増加,备用浮力损失,承载能力降低,所以,提高钢的屈服强度是唯一可行的方案。潜艇耐压壳体用钢的屈服强度与潜艇下潜深度有密切的关系。钢的屈服强度越高,耐压壳体重量就越轻,潜艇的承载能力就越大,可下潜的深度就越深,潜艇的隐蔽性就越好,显著提高潜艇的技术潜行战术性能。

(2) 高韧性和高抗爆性能:

 

潜艇的工作环境是地球上所有的海洋。海洋的温度是变化的,在两极温度较低,在赤道区较高,温度的波动为-3449℃,在这个温度范围内,潜艇用钢必须具有良好的韧性;潜艇用钢的韧性要求,比一般的结构钢要严格得多,特别是在潜艇遭受水下爆炸载荷攻击并产生相当大的塑性变形时,也不允许产生脆性破坏,因此还要求有良好的抗爆性能;为保证潜艇的安全可靠性,潜艇用钢的韧脆转变温度还要有55℃以上的韧性儲备。以美 国潜艇用钢为例,在一84℃的低温下,潜艇用钢的冲击韧性应高于81J。

(3) 良好的焊接性:

 

整个潜艇是一个大型的焊接结构,焊接是潜艇建造必不可少的工艺。从潜艇整体结构的安全性考虑,要求焊缝、热影响区与母材要等强等韧,这是一个相当严格的要求。因为焊接过程,是金属重新熔化、重新凝固的过程,它与通过精炼、轧制、热处理等的母材是完全不同的,焊缝获得的是较粗大的铸造组织,而母材是具有良好 综合性能的调质组织,二者有较大差异。随着钢强度的提高,碳当量也随之提高,钢的焊接性将变坏。但是要求潜艇 用钢必须具有好的焊接性才能满足潜艇建造和使用的技术要求。潜艇用钢的焊接性的优劣通常都用碳当量(Ceq)和裂纹敏感系数(PcM)来表示。碳当量Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14,裂纹敏感系数PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu /20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。要求潜艇用钢尽量降低碳当量和焊接裂纹敏感系数。

(4) 抗低周疲劳性能:

 

水下航行的潜艇,除受工作深度所决定的均匀静态外压力外,为适应多变的作战需要,它还要 不断地改变航行的深度,经常下潜或上浮,潜艇耐压壳体用钢要承受反复的压力,这种不同深度下航行的潜艇所引起 的压力循环,可缩短潜艇耐压壳体用钢的使用寿命。在腐蚀环境下,当应力比较高时,反复应力达到材料屈服点的 80%时,要求材料必须具有5000次循环以上的寿命。按潜艇的服役时间为15年计算,要求潜艇用钢的抗低周疲劳周期 累计不能少于1000030000次。

合金元素的作用潜艇用钢多采用低碳和镍、铬、钼、钒或镍、铬、钼、铜、铌系列,钢中添加的主要合金元素有: 碳、镍、铬、钼、钒、铜、铌等。

碳,是强化元素,能有效提高钢的强度,但能显著降低钢的韧性,损害钢的焊接性。在世界各国的潜艇用钢中,最高碳含量为0.18%,最低碳含量为0.06%。通常采用的碳含量为0.10%,以使钢获得良好的综合性能。

镍,是潜艇用钢中的重要合金元素,起较弱的固溶强化作用,但能显著提高钢的韧性。随着镣含量的提高,钢的韧脆 转变温度大幅度降低,从而能保证潜艇用钢的良好低温韧性和抗爆性。还能提高钢的淬透性和耐腐蚀性能。潜艇用钢 的镣含量,通常都在2.0%5. 25%范围内。

铬,提高淬透性的作用非常显著,添加适量的铭,以保证大厚度钢板中心的足够的淬透性。铭与镣复合添加,还能显 著改善钢的耐海水腐蚀性能。

钼,主要用于提高钢的淬透性和回火稳定性,显著提高钢的强度。通常的添加量为0.2%0.5%。

钒,是较强的碳氮化物形成元素。利用机的析出强化,显著提高的强度,但同时可损失钢的韧性,所以潜艇用钢中的 机含量通常都小于0. 10%。

铜,是一种重要合金元素,有固溶强化作用和沉淀强化作用。铜在钢中的固溶度可达3. 0%以上,在回火或时效过程 中,处于过饱和状态的铜将以弥散、细小的&—C赫立子析出,产生沉淀强化或析出强化,显著提高钢的强度;铜还可 提高钢的淬透性;与其他元素配合,可提高钢的耐海水腐蚀性能;当钢中的铜含量超过0.5%时,易产生铜脆现象, 所以含铜钢中通常都加入适量的镣,铜镣复合加入可消除钢的铜脆现象。

铌,主要用细化奥氏体晶粒。幌在钢中还以碳氮化幌的形式析出,产生析出强化,提高钢的强度。通常的添加量为 0.02%0.04%。

 

生产工艺潜艇用钢的生产工艺主要是冶炼和热处理:

 

(1) 冶炼。潜艇用钢的纯度对钢的塑性、韧性、焊接性、韧脆转变温度和抗爆性能均有很大影响,所以潜艇用钢通常 都采用超纯冶炼工艺生产。首先要精选原料,选择有害元素含量低的废钢或经过预处理的低磷硫的高炉铁水作为炼钢 的原料,再用电炉或转炉加真空精炼法进行冶炼,大幅度降低钢中的硫磷等夹杂和有害气体含量,以获得高纯度的钢 质。以美国为代表的西方发达国家,都采用电炉或转炉加真空精炼方法生产潜艇用钢;前苏联国家则采用转炉冶炼法 铸造出电极,再采用电渣重信法生产潜艇用钢。

(2) 热处理。为提高潜艇用钢的综合性能,充分发挥钢的性能潜力,潜艇用钢通常都进行淬火加回火的调质热处理。 在20世纪60年代以前,淬火工艺多采用压力淬火机,喷高压水冷却,以得到低碳马氏体组织,然后回火得到综合性能 良好的回火马氏体组织。但这种方法,往往使钢板易产生变形,而且性能也不均匀;在7。年代后,淬火工艺就改为釆 用无氧化加热的辐压式淬火机了,不但解决了钢板性能的均匀性,而且改善了钢板的变形,获得了板形良好的钢板。 淬火加热保温时间通常为23min/mm,回火保温时间通常为58min/mm,淬火温度约为900^。

展望随着现代冶金技术的发展,潜艇用钢也获得了迅速的发展。为提高潜艇用钢的韧性和改善焊接性,在合金设计 上,潜艇用钢正向低碳、超低碳方向发展,碳含量已从原来的0.18%,降至现在的0.06%,大幅度提高了钢的韧性, 特别是低温韧性;低碳和超低碳技术也显著改善了钢的焊接性,基本做到焊接不预热,大大降低了潜艇的建造成本。 在冶炼上,潜艇用钢正向高纯度方向发展,钢中的硫含量已从0.025%降至0.006%以下,磷含量已从0.025%降至 0.015%以下,钢的实物水平则更低,有害的气体含量也进一步降低,钢的纯度越来越高。在轧制工艺上,普遍采用 先进的控制轧制和控制冷却技术,在强度相同的前提下,显著降低了焊接碳当量,改善了钢的焊接性。综上所述,潜 艇用钢目前正向高纯度、高韧性、低碳、低碳当量、低合金含量和良好焊接性方向发展。