極地船舶用低溫鋼耐磨性的研究進展

胡曉娜 ，吳彼 ，陳威 ，鄒晉 ，段德莉

（1.江西省科學院應用物理研究所，江西 南昌 330096；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

隨著常規可開采油氣能源逐漸枯竭，北極地區豐富的資源受到越來越多國家的關注。美國地質勘探局評估報告顯示北極區域油氣儲量約占全球未探明儲量的22%。北極航線的開通將為國內能源供應提供更加多元化的選擇，確保國家能源安全和穩定。2017年7月4日，中俄領導人會晤，首次提出開展北極航道合作，共同打造“冰上絲綢之路”。新航線開辟能夠大幅度提高國內海運行業和全球貿易競爭力。隨著北極資源開發的競爭日益激烈，發達國家在極地船舶研究方面進行了大量投入，這對國內發展能夠適應極地惡劣服役環境的極地船舶提出了迫切要求。而極地船舶建造離不開低溫鋼等關鍵材料，高性能鋼材及其防護涂料是極地船舶安全航行的基本保障。 目前，除少數環歐美國家已積累一些極地低溫鋼及其防護涂料的實際應用經驗外，其他大部分國家都普遍缺少這方面的研究。本文綜述了有關極地船舶用低溫鋼開發及其耐磨性的國內外研究成果與發展趨勢，為國內極地船舶用低溫鋼材料開發與耐磨性研究提供參考與借鑒。

1 極地船舶用低溫鋼的發展

北極地區環境惡劣，冬季溫度可達-60℃，低溫是影響極地用鋼的主要因素，會導致鋼材易發生脆性斷裂，因此，要求極地用鋼具有良好的低溫韌性。結合實際應用條件，還要求其具有較高的強度、組織結構各向同性，以及良好的耐蝕性、延展性和焊接性。

1.1 國外極地船舶用低溫鋼的發展

在極地船舶低溫鋼研制方面，俄羅斯、日本、美國、韓國、芬蘭等國走在前列。國外極寒環境船舶用鋼發展分為三階段。

第一階段，20世紀50-60年代，俄羅斯和美國開發了以AK-25和HY-80等為代表的調質高強鋼，用于極寒環境船舶制造。英國以美國HY-80合金為原型開發了Q1N鋼，日本開發了NS46、NS63、NS80 等 NS 系列艦船用鋼。這一階段主要通過低碳高強鋼的合金化和調質處理，抑制鋼鐵材料脆性斷裂，降低其韌脆轉變溫度。通過向鋼中加入Ca、稀土硫化物等，與雜質反應生成穩定析出物，抑制沿晶斷裂。通過添加Ni元素，細化晶粒并改變非金屬夾雜物形態，抑制低溫鋼中穿晶斷裂的發生，顯著降低韌脆轉變溫度，使調質處理后的馬氏體組織獲得優異的強度和韌性。AK-25、HY-80、Q1N和NS63等低溫用調質高強鋼的機械性能一般能夠滿足極寒環境需求，但由于其碳含量和合金元素含量較高，可焊性較差，為避免氫致開裂，焊接前需預熱，焊道之間要保持一定溫度，還要采用低氫焊條，船舶裝配成本居高不下。因此，研究者將重點工作轉向降低C含量和合金元素含量，也就是C當量控制方面。

第二階段，20世紀70-80年代，隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、微合金化及控軋控冷等冶金技術的發展，俄羅斯、美國和日本等國開發了以АБ7A、HSLA-80、HSLA-100、NS80、NS90 以 及 NS110鋼為代表的高強鋼。英國以美國HY-100和HY-130 為原型仿制了 Q2N 和 Q3N 鋼；法國研制出了HELS-80鋼，并在HLES-80基礎上又研制出 HLES-100高鎳鋼， 相當于 HY-130。HSLA鋼與HY系列鋼的綜合機械性能相當，焊接性能更優良，焊接前無需預熱或僅需低溫預熱，成本更低。通過降低C含量，加入強化元素Cu，以及添加Ti、Nb和V等合金元素等方法使HSLA鋼具有優良的機械性能和焊接性能。 HSLA 鋼的C含量少于0.15%，Mn含量約為1%，Si含量約為0.5%，微合金化元素約為0.1%，在保證塑性和韌性前提下，大幅提高了材料的強度和可焊性。美國于1985年開始陸續采用HSLA-100沉淀硬化低溫鋼替代HY-100調質高強鋼，其組織為馬氏體或貝氏體，韌脆轉變溫度約為-134℃，低溫斷裂韌性是HY-100鋼的兩倍以上。此外，在鋼材成分與性能的關系，工藝方法等研究成果的基礎上，日本進行了更高強度鋼的研究試制，并于1983年開發出了屈服強度為1 100 MPa的可焊接新鋼種 NS110 鋼。

第三階段，20世紀90年代以后，國外先進鋼鐵生產企業在鋼鐵材料結構復合化、控軋控冷工藝（TMCP）升級和合金化設計方向持續加大投入。美國相繼開發了HSLA-65和HSLA-115及10Ni鋼。俄羅斯開發了具備優異耐蝕性和低溫性能的復合鋼，該鋼種外層為不銹鋼，內層為低溫鋼，外層起到防腐蝕作用，內層防止低溫下脆性斷裂。日本JFE公司采用HOP在線熱處理工藝以及能夠以接近水冷理論極限的最高冷卻速度進行均勻加速冷卻的Super-OLAC超速加速冷卻裝置鋼板在線超快速冷卻工藝，可在低C當量條件下，獲得均勻的高性能組織結構，提高低溫用鋼的焊接性和船舶結構件的可靠性。此外，JFE公司開發了以25%Cr-4.5%Mo-0.2%N作為基本成分，適量添加Ni和微量B，以JSL310Mo作為覆層材料的耐海水腐蝕不銹鋼JSL310Mo，該不銹鋼復合板已用于制造南極科考船船體。

國外各發達國家開發了種類多樣、質量優良的極地船舶用低溫鋼，逐步形成了相應的設計規范和評價標準。目前，極地船舶的結構冰區設計以國際船級社協會 （IACS）的“REQUIREMENTS CONCERNING POLAR CLASS” （POLAR CLASS）和俄羅斯船級社 （RMRS）的冰區規范最為權威，POLAR CLASS形成較晚，于2017年1月1日正式生效，RMRS冰區規范則形成較早，可以追溯到19世紀末，且應用廣泛。IACS在制定 POLAR CLASS時也大量參考了RMRS冰區規范。

1.2 國內極地船舶用低溫鋼的發展

國外已經建立完善的低溫鋼體系，品種繁多，質量優良，而國內的低溫鋼品種開發尚未形成體系，國內大部分低溫鋼市場被國外壟斷。國內鋼鐵企業關于極寒環境船舶用鋼的研究雖然起步較晚，但借助后發優勢，已經取得一定研究成果。

寶武集團采用低碳微合金化的成分設計和控軋 控 冷 工 藝,研 制 生 產 的 DH40、EH40、FH40 TMCP船板具有高強度和良好的低溫沖擊韌性。濟鋼采用低C，以及Nb、Ti微合金化，結合TMCP工藝，開發出組織細小、強韌性匹配良好，焊接性能優良的高強度EH36中厚板造船用鋼。沙鋼工業化試制了新型低成本高焊接性能船板鋼EH36，其力學性能滿足 EH36級別船板要求。

2016年，由寶山鋼鐵股份有限公司領銜的國家重點研發計劃項目——“極寒與超低溫環境船舶用鋼及應用”，首先通過對低溫鋼強韌化機制及斷裂機理基礎研究，超低溫船用鋼板成分工藝設計、制造流程等關鍵技術應用研究，實現極寒環境高技術船舶用低溫鋼板及配套焊材國產化突破。2017年，上海海事大學海洋材料科學與工程研究院與寶鋼股份有限公司共建的“海洋極端環境鋼鐵材料制備與蝕損控制”聯合實驗室取得了階段性研發成果。同年生產的首批20 t低溫鋼用于“雪龍”號科考船的內部改造，2019年，近1 000 t極地特種低溫鋼用于“雪龍”2號建造。

鞍鋼在海洋工程結構用鋼方面有豐富的研究經驗，其開發的TMCP系列船體及海洋工程結構用鋼128個鋼種于2006年率先通過九國船級社認證，填補了國內此類產品的空白。鞍鋼通過Nb、V、Ti等元素微合金化，采用先進純凈鋼冶煉連鑄技術和TMCP工藝，現已開發出符合九國船級社認證的海洋平臺用鋼EH40-Z35。該產品具有優異的抗層狀撕裂性、低冷裂紋敏感性以及良好的焊接性能和低溫韌性。

舞鋼開發的低合金調質高強度鋼WQ960E，填補了高級別調質鋼開發的空白，WQ960E鋼板力學性能優良,具有較低碳當量、較高的低溫沖擊韌性和良好的焊接性能。

目前，國內鋼鐵工藝裝備技術水平已達到國際一流水平，積累了大量先進鋼產品開發與工程應用經驗，取得了一批國際領先的重大技術創新，完全具備了極地船舶用低溫鋼的裝備基礎與技術研發能力。中國船級社（CCS）先后頒布了《鋼制海船入級規范》《極地船舶指南》等規范要求，基本構建了CCS冰區水域航行各類船舶的規范標準體系。然而，國內缺乏極寒環境船舶用鋼配套焊接材料和工藝、超低溫斷裂行為和摩擦磨損性能等系統評價研究。

極地船舶，如破冰船船體和海洋鉆井平臺等采用的涂裝鋼板除具有高強度、高低溫韌性、良好的焊接性能等一般低溫鋼的特性外，因長期受到風浪、海冰的動載荷沖擊，涂層和鋼板體系還應具備一定的減摩特性和足夠的耐磨性。因此，對于海冰載荷條件下耐低溫船舶用鋼的摩擦學服役性能評價，一方面應關注鋼板自身在低溫環境下，由于力學性能衰減引起的摩擦與磨損行為的變化；另一方面也應重點評價涂層和鋼板體系在海冰載荷條件下的摩擦學特性。

2 極地船舶用低溫鋼的低溫摩擦學研究

加拿大國家水利研究中心的Frederking等使用大型低溫冰槽實驗設備測量無涂層表面腐蝕態鋼鐵材料與海冰在大載荷（20 kN）下相對滑動的摩擦系數，用于極寒環境船舶設計過程中的數值模擬。圖1為冰槽摩擦系數測量實驗裝置，行車帶動海冰在冰槽中心樣品軌道上往復滑動，軌道上可安裝不同材料樣品。實驗表明，無涂層表面腐蝕狀態鋼鐵材料與海冰在滑動初始靜摩擦系數為0.20，滑動過程中動摩擦系數為0.14。Saeki等研究不同鋼鐵材料與海冰間摩擦系數，受接觸應力、溫度和相對速度影響，其摩擦系數介于0.05～0.30。因此，應根據極寒環境艦船設計用途與船級，選取合適的低溫鋼。

圖1 冰槽摩擦系數測量實驗裝置Fig.1 Experimental Device for Measuring Friction Coefficient of Ice Trough

王東勝等采用往復摩擦磨損實驗機測試10CrMn2NiSiCuAl破冰船低溫用鋼在不同環境溫度下（-20～20℃）與AlO小球對摩的磨損特性。往復磨損實驗在低溫腔中進行，圖2給出低溫摩擦磨損實驗低溫腔結構圖。

圖2 低溫摩擦磨損實驗低溫腔結構圖Fig.2 Structural Diagram of Cryogenic Cavity for Carrying out Low Temperature Friction and Wearing and Tearing Experiments

實驗表明，相同載荷下，破冰船用鋼的比磨損率隨溫度降低驟增，磨損產物由20℃時的FeO和FeO轉變為α-Fe基體材料磨屑，磨屑形貌由帶狀變為球塊狀。

馬蕾等研究低溫（-60 ℃）環境下鋼鐵材料滾動磨損行為。室溫和低溫（-60℃）條件下磨痕表面形貌分別見圖3和圖4。在室溫下，對磨副磨痕表面可見明顯犁溝和微切削特征，磨損機制為磨粒磨損。而低溫（-60℃）環境下，對磨副磨痕均出現粘著轉移層，磨損機制以粘著磨損為主，且摩擦系數和磨損率均高于室溫。

圖3 室溫條件下磨痕表面形貌Fig.3 Surface Appearance of Wear Marks at Room Temperature

圖4 低溫（-60℃）條件下磨痕表面形貌Fig.4 Surface Appearance of Wear Marks at Low Temperature（-60℃）

鋼鐵材料摩擦學行為不僅受材料本身力學性能影響，也與其服役環境密切相關。低溫條件下，隨環境溫度的降低，磨損率激增。常溫大氣環境下，空氣相對濕度約為40%，在磨損過程中，低溫用鋼磨痕表面吸附空氣中的水和氧氣，形成氧化膜并起到潤滑作用，表現出較低的摩擦系數和磨損率。

總結以上研究可發現，目前對于低溫鋼摩擦學行為研究主要關注點為低溫對鋼材摩擦磨損機制的影響，均未將海冰接觸載荷所產生濕度和腐蝕介質對鋼材磨損的耦合作用考慮其中。其摩擦學工況與實際極地船舶航行環境存在一定差異。因此，低溫干摩擦條件下的摩擦磨損實驗無法全面準確地評價極地船舶用低溫鋼的耐磨性。

3 極地船舶用耐磨冰區漆低溫摩擦學研究

北極地區惡劣的環境要求極地船舶用低溫鋼的防護涂層具有良好的耐蝕性、抗沖擊性、融冰性、硬度，與基材有良好的結合力。北極地區船舶實際溫度可低至-60℃，然而國際通用的海洋平臺保護涂層體系性能標準 （ISO 20340,Norsok M-501）要求測試溫度為-20℃，目前，對于更低溫度下防護涂層的開發、行為機理和性能的相關研究很少。

國外對極地船舶用耐磨冰區漆也僅有為數不多的研究。Hattori等經過長達13年的研究發現富鋅涂料、環氧富鋅涂料、聚氨酯富鋅涂料在低溫下具有良好的耐蝕性。Bjoergum等研究了材料在-60～-10℃下的性能，發現增強型聚酯涂層和硫化橡膠涂層具有較好的耐蝕性和抗沖擊性。Momber等的研究表明，隨著溫度降低，涂層的抗沖擊性、耐磨性和耐蝕性下降，涂層與基體之間的結合力提高，肖氏硬度提高，潤濕性與涂層類型關系不大，不同類型涂層的白霜吸積量不同，冰塊最易粘附于橡膠和增強型聚酯涂層表面，且隨著溫度降低，附著力變大。一種厚度達1 400 μm，由兩層玻璃鱗片增強環氧樹脂涂層和一層聚氨酯面漆構成的三層復合涂層具有最好的綜合性能。

在美國軍方資助下，研究者設計多種摩擦磨損實驗裝置評價海冰載荷下涂層和鋼基體體系材料摩擦學服役性能。 圖5給出海冰破碎磨損實驗機結構示意圖，實驗機置于冷室內，避免海冰熔化。噴涂涂層的耐低溫鋼樣品安裝于破碎夾鉗底端，破碎夾鉗在偏心輪帶動下開合運動。海冰對摩塊由實驗機上端開口處加入，在碎冰夾鉗擠壓下海冰將被破碎并由夾鉗間隙掉出，連續添加海冰，每組實驗加入海冰對摩塊總重量以及實驗時間一致。實驗結束后通過對比分析樣品表面粗糙度變化和形貌評價涂層在海冰載荷條件下的摩擦磨損性能。使用該實驗方法測試幾種常見艦船涂層，其中非熱固性聚氨酯和環氧樹脂粗糙度變化最小，等離子體噴涂碳化鎢涂層出現部分脫落，表面存在大量孔洞。

圖5 海冰破碎磨損實驗機結構示意圖Fig.5 Structural Schematic Diagram of Test Machine for Carrying out Sea Ice Crushing and Wear Tests

使用改造的巖石拋磨機測試涂裝耐低溫鋼耐磨性，滾筒內安裝框架用于固定涂層樣品，對磨副為摻入氧化硅磨粒的海冰，根據需求可調整磨粒粒度和含量，滾筒內海冰添加量以半桶為宜，改造的巖石拋磨機結構如圖6所示。實驗裝置置于冷室內，實驗分段進行，磨損一段時間后將樣品取下測量涂層厚度或鋼板磨痕深度，同時添加海冰。表1給出聚氨酯和環氧樹脂涂覆的耐低溫鋼板樣品1 300 h磨損實驗結果。結果表明，非熱固性聚氨酯表現出較強的耐低溫海冰磨損性能。

圖6 改造的巖石拋磨機結構示意圖Fig.6 Structural Schematic Diagram of Modified Rock Polishing Mill

表1 涂層耐低溫鋼板樣品1 300 h磨損實驗結果Table 1 Experimental Results of Wear Tests of Coated Low Temperature Resistant Steel Plates for Lasting 1 300 h

國內在極地船舶用低溫鋼涂料方面的研究很少，主要依賴進口。國內“雪龍”號破冰船使用挪威佐敦涂料集團的Marathon IQ冰區專用環氧漆，“雪龍”2號破冰船使用荷蘭阿克蘇諾貝爾國際油漆旗下最強效的冰區漆產品耐磨環氧漆Intershield 163 Inerta 160。耐磨環氧漆 Intershield 163 Inerta 160的漆膜表面光滑度極高，可有效防止冰層粘附在涂層表面，確保 “雪龍”2號能最大限度提高破冰效率。阿克蘇諾貝爾的耐磨環氧漆的抗沖擊、耐腐蝕性、耐磨性和耐開裂性能極強，可使涂料在-50℃下保持穩定的性能并提高破冰船的燃油效率，深受北歐及俄羅斯等破冰船大國的青睞。

4 極地船舶用低溫鋼未來發展方向

極地船舶用低溫鋼未來的發展方向主要有以下幾個方面：

（1）采用控軋控冷和復雜的多級熱塑性加工工藝獲得超細晶，這種納米結構可以同時提高低合金結構鋼的耐低溫性能和強度。

（2）研發新型鋼種，例如納米結構鋼、高強鋼和特殊結構功能復合鋼等，復合鋼可以滿足某些特定需求，例如耐蝕性、耐磨性和超高的表面強度；與此同時，要不斷完善相應評價標準和規范。目前，針對極地材料的標準規范還不完善，尤其缺乏可靠性試驗方面的準則。

（3）通過對生產過程加強質量管控，改善鋼材批量生產工藝，提高現有鋼種質量，降低經濟成本。

5 結論與展望

北極航道的開辟與該區域能源開發利用使得極地航行船舶建造需求與日俱增。極寒環境船舶用鋼及其防護涂料是極地航行船舶建造的基礎保障。北極地區環境惡劣，海冰、風浪的沖擊和低溫要求極地船舶用鋼具有較高的強度以及良好的低溫韌性、耐蝕性、延展性和焊接性；此外，要求其防護涂層具有良好的耐蝕性、抗沖擊性、融冰性、硬度，與基材有良好的結合力。

國外先進鋼鐵企業已經通過幾十年的不斷發展完善，開發了種類豐富的低溫鋼，建立起系統的設計與生產制造體系，并形成了以國際船級社協會（IACS）的“REQUIREMENTS CONCERNING POLAR CLASS”（POLAR CLASS）和俄羅斯船級社（RMRS）的冰區規范為核心的系列設計規范和評價標準。低溫鋼的新品種開發朝著超細晶、納米化、復合化和控軋控冷技術升級的方向進一步發展。

國內鋼鐵企業關于極寒環境船舶用低溫鋼的研究雖然起步較晚，但借助后發優勢，已具備EH和FH級別高強船舶用鋼生產能力，開發出一系列性能優異的耐低溫調質高強鋼和低合金高強鋼。此外，中國船級社（CCS）先后頒布了《鋼制海船入級規范》《極地船舶指南》等規范要求，基本構建了CCS冰區水域航行各類船舶的規范標準體系。但國內目前缺乏對配套焊接材料和工藝、超低溫斷裂行為，低溫和風浪、海冰等動載荷沖擊引起的摩擦學服役性能改變以及綜合服役性能的研究，使得低溫鋼在實際海冰載荷服役條件下的使用壽命往往低于設計預期。

目前研究者主要關注環境溫度對低溫鋼與耐磨冰區漆摩擦學性能的影響，僅討論低溫對鋼鐵材料磨損機制的改變，而忽視海冰載荷中濕度和腐蝕介質對磨損的耦合作用。因此，需要建立一套系統全面的極寒海冰載荷下涂裝鋼板摩擦學服役性能評價方法和標準，用以助力高強度耐低溫鋼材新品種開發與極寒環境船舶設計用涂層和鋼板的選型。