CN105568174A - 一种半潜船结构材料及其制备方法 - Google Patents

一种半潜船结构材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半潜船结构材料及其制备方法，原料成分及其质量百分比为：C、0.20%~0.30%，Mn、0.35%~0.65%，P、0.04%~0.05%，Y、0.03%~0.05%，Si、1.4%~1.7%，Cr、8.0%~10.0%，Ni、8.0%~11.0%，Mo、0.90%~1.20%，W、3.0%~4.0%，V、0.20%~0.30%，Ta、0.02%~0.04%，Ho、0.10%~0.30%，Lu、0.10%~0.30%，其余为Fe；在真空条件下烧结金属原料、非金属原料，在650℃回火，冷却得到半潜船结构材料轧制板坯成品，本发明所制产品具有良好的抗磁、抗海水腐蚀、耐压、耐冲撞的性能。

Description

一种半潜船结构材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种半潜船结构材料以及该结构材料的制备方法。
背景技术
半潜船是专门从事无法分割的超大型整体设备、特重特长大件运输的船舶，这些超大型货物包括无动力的船舶、火车头、预制大型桥梁、石油钻井平台等。半潜船多用于托运大型钢结构件、海上平台等，也可用于装载集装箱。其工作时，会像潜水艇一样，通过调整船身压载水量，平稳地将船身甲板潜入水下，只露出船楼建筑。半潜船在工作时，会像潜水艇一样，通过调整船身压载水量，能够平稳地将一个足球场大小的船身甲板潜入10～30米深的水下，只露出船楼建筑。
半潜船在工作时，将需要装运的货物，如游艇、潜艇、驳船、钻井平台等，拖拽到已经潜入水下的装货甲板上方时，启动大型空气压缩机或调载泵，将半潜船身压载水舱的压载水排出船体，使船身连同甲板上的承载货物一起浮出水面，然后绑扎固定，就可以跨海越洋将货物运至世界各地的客户手中。
当前，海洋航运进入到一个新的时代，世界各国对航海物流开发的力度不断加大。半潜船建造复杂，而使用过程更是凶险异常，由于装载的都是成千上万吨重的超大型部件，稳性差，易受风浪打击。稍有不慎就会造成船毁人亡的严重事故。因此在每个航次前,都必须用专业软件计算船舶装载运输过程中的各种数据，以控制风险。因此，半潜船的材料创新是制约半潜船发展的关键，必须进一步选择优良的材质制备半潜船结构材料。
发明内容
为了克服上述现有技术不足，本发明的目的在于提供一种半潜船结构材料，综合考虑各成分的成本，优化各成分之间的比例，找到最佳的材料组方，加入稀土金属，制备的材料抗磁性能优良，抗海水腐蚀、耐压、硬度大、抗冲击性能好，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：
一种半潜船结构材料，材料成分及其质量百分比为：C、0.20％～0.30％，Mn、0.35％～0.65％，P、0.04％～0.05％，Y、0.03％～0.05％，Si、1.4％～1.7％，Cr、8.0％～10.0％，Ni、8.0％～11.0％，Mo、0.90％～1.20％，W、3.0％～4.0％，V、0.20％～0.30％，Ta、0.02％～0.04％，RE、0.2％～0.6％，其余为Fe。
进一步的，RE包括：Ho、0.10％～0.30％，Lu、0.10％～0.30％。
进一步的，材料的组分最佳重量百分比如下：C、0.20％，Mn、0.60％，P、0.04％，Y、0.05％，Si、1.50％，Cr、10.0％，Ni、10.0％，Mo、1.0％，W、3.0％，V、0.30％，Ta、0.03％，Ho、0.30％，Lu、0.10％，其余为Fe。
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，成分组成中涉及的％指质量％。
C、0.20％～0.30％，C在钢材中可形成固溶体组织、提高钢的强度；形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。因此，C在钢材中，含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低，为适应海洋条件及作业要求效果，本发明将半潜船结构材料中C含量规定为0.20％～0.30％，优选为0.20％。
Mn、0.35％～0.65％，Mn是一种弱脱氧剂，钢材中添加Mn，不但有利于钢材的抗蚀性，而且还能使钢材的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善钢材的抗腐蚀性能和焊接性能。随着Mn含量增加，钢材强度有所提高，为适应半潜船结构的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为0.35％～0.65％，优选为0.60％。
P、0.04％～0.05％，磷对提高钢材的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢材的脆性。为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将P含量规定为0.04％～0.05％，优选为0.04％。
Y、0.03％～0.05％，合金中添加钇，增加了合金的位错密度,可以大幅度提高铁铬铝电热合金循环氧化寿命。为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将Y规定为0.03％～0.05％，优选为0.05％。
Si、1.4％～1.7％，Si可提高钢材的耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；在钢材中能降低熔点，改善流动性。为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将Si含量规定为1.4％～1.7％，优选为1.50％。
Cr、8.0％～10.0％，Cr在钢材中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢材的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是钢材的重要合金元素。为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将Cr含量规定为8.0％～10.0％，优选为10.0％。
Ni、8.0％～11.0％，镍在钢材中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性，提高合金的焊接性能。为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为8.0％～11.0％，优选为10.0％。
Mo、0.90％～1.20％，低含量的Mo能强化铁素体，提高钢的强度和硬度；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；提高钢的耐热性和高温强度，为适应海洋条件及半潜船结构的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为0.90％～1.20％，优选为1.0％。
V、0.20％～0.30％，V可增大合金力度、硬度和抗震能力，防止产生颗粒，提高钢铁微观组织的均匀性，也可提高冶炼过程中回火的稳定性。为适应航海气候条件及作业要求效果，本发明将半潜船结构材料中V含量规定为0.20％～0.30％，优选为0.30％。
W、3.0％～4.0％，钨熔点高，比重大，钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。为适应海洋条件及半潜船的特殊需求，本发明将材料中W含量规定为3.0％～4.0％，优选为3.0％。
Ta、0.02％～0.04％，Ta是强碳化物形成元素，Ta的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于Ta具有良好的热强性，因此，Ta在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用，提高了钢的热强性。为适应海洋条件及半潜船的特殊需求，本发明将合金材料中Ta含量规定为0.02％～0.04％，优选为0.03％。
RE、0.2％～0.6％，稀土元素加入合金中，能够提高合金材料的机械强度和抗腐蚀性，使合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响；稀土金属还能消除磁场及复杂的水文环境对半潜船的不良影响，从而提高了半潜船的使用寿命；同时在承力相同的条件下，明显减轻结构件重量。为适应海洋条件及半潜船的特殊需求，本发明将材料中RE含量规定为0.20％～0.60％，包括，Ho：0.10％～0.30％，Lu：0.10％～0.30％；优选为Ho：0.30％，Lu：0.10％。在本发明中使用的稀土金属含量较少，但是能够起到很好的消磁和增加合金强度、耐磨性的作用，有利于降低成本。
本发明的另一个目的，在于提供采用如上所述的合金制作而成半潜船材料的制备方法，制作步骤如下：
步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、RE单质按照材料组分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，烧结温度为960℃～980℃；
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温20min～30min，搅拌均匀；
步骤S03、将熔融金属冷却至室温得到半潜船结构材料轧制板粗坯；
步骤S04、将熔炼金属粗坯回火保温20min～30min，冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
进一步的，步骤S01中，烧结的温度为960℃～965℃时，RE的组成为Ho。
进一步的，步骤S01中，烧结的温度为975℃～980℃时，RE的组成为Lu。
进一步的，步骤S01中，烧结的温度为965℃～975℃时，RE的组成为Ho和Lu。
进一步的，步骤S03中，熔融金属冷却速率为50℃/min～100℃/min。
进一步的，步骤S04中，熔炼金属粗坯回火的温度为650℃。
进一步的，步骤S04中，熔炼金属粗坯回火后的降温速率为50℃/min～100℃/min。
本发明的优点是：
本发明所提供的半潜船结构材料成品，制备的材料抗磁性能优良，抗海水腐蚀、耐压、硬度大、抗冲击性能好。
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
原料组分：
C、0.20％，Mn、0.60％，P、0.04％，Y、0.05％，Si、1.50％，Cr、10.0％，Ni、10.0％，Mo、1.0％，W、3.0％，V、0.30％，Ta、0.03％，Ho、0.30％，Lu、0.10％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、Ho、Lu单质按照材料组分比例，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为970℃条件下熔融。
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温22min，搅拌均匀。
步骤S03、将熔融金属以90℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板粗坯。
步骤S04、将熔炼金属粗坯在650℃条件下回火保温22min，以90℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
实施例2
原料组分：
C、0.20％，Mn、0.35％，P、0.04％，Y、0.03％，Si、1.40％，Cr、8.0％，Ni、8.0％，Mo、0.9％，W、3.0％，V、0.20％，Ta、0.02％，Ho、0.10％，Lu、0.10％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤S01、将待熔炼的、按照材料组分比例的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、Ho、Lu单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为973℃条件下熔融。
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温26min，搅拌均匀。
步骤S03、将熔融金属以50℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板粗坯。
步骤S04、将熔炼金属粗坯在650℃条件下回火保温26min，以50℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
实施例3
原料组分：
C、0.30％，Mn、0.65％，P、0.05％，Y、0.05％，Si、1.70％，Cr、10.0％，Ni、11.0％，Mo、1.20％，W、4.0％，V、0.30％，Ta、0.04％，Ho、0.30％，Lu、0.30％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤S01、将待熔炼的、按照材料组分比例的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、Ho、Lu单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为975℃条件下熔融。
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温30min，搅拌均匀。
步骤S03、将熔融金属以100℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板粗坯。
步骤S04、将熔炼金属粗坯在650℃条件下回火保温30min，以100℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
实施例4
原料组分：
C、0.25％，Mn、0.50％，P、0.045％，Y、0.04％，Si、1.55％，Cr、9.0％，Ni、9.50％，Mo、1.05％，W、3.5％，V、0.25％，Ta、0.03％，Ho、0.20％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤S01、将待熔炼的、按照材料组分比例的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、Ho单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为963℃条件下熔融。
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温25min，搅拌均匀。
步骤S03、将熔融金属以75℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板粗坯。
步骤S04、将熔炼金属粗坯在650℃条件下回火保温25min，以75℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
实施例5
原料组分：
C、0.25％，Mn、0.50％，P、0.045％，Y、0.04％，Si、1.55％，Cr、9.0％，Ni、9.50％，Mo、1.05％，W、3.5％，V、0.25％，Ta、0.03％，Lu、0.20％，其余为Fe。
通过如下方法制备：
步骤S01、将待熔炼的、按照材料组分比例的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、Lu单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为978℃条件下熔融。
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料组分比例的C、P、Si单质，并保温25min，搅拌均匀。
步骤S03、将熔融金属以75℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板粗坯。
步骤S04、将熔炼金属粗坯在650℃条件下回火保温25min，以75℃/min的降温速率冷却至室温，得到半潜船结构材料轧制板成品。
实验例1
抗磨性对比试验：
本发明实施例1～5制得的半潜船结构材料轧制板与普通结构材料在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上做浆料(石英砂+水)湿磨试验，在高应力动载磨料磨损试验机上做石英砂干磨试验，性能见表1。
表1抗磨性及硬度对比试验结果
材料 干磨抗磨倍率 湿磨抗磨倍率 硬度(HB)
普通半潜船结构材料 1.0 1.0 137
实施例1所制结构材料 1.24 1.22 187
实施例2所制结构材料 1.20 1.21 185
实施例3所制结构材料 1.20 1.17 179
实施例4所制结构材料 1.23 1.18 180
实施例5所制结构材料 1.19 1.19 182
实验例2
将本发明实施例1～5制得的半潜船结构材料轧制板与普通结构材料的基本金属特性相比较，其性能结果如下表2。
表2基本金属特性性能比较
由上述试验例可见，本发明钢材材料的各项性能均高于普通结构材料，制备本发明钢材的特殊材料用量少，相对成本低，更加适合用于半潜船结构的材料。
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 (10)

1.一种半潜船结构材料，其特征在于，所述材料成分及其质量百分比为：C、0.20%~0.30%，Mn、0.35%~0.65%，P、0.04%~0.05%，Y、0.03%~0.05%，Si、1.4%~1.7%，Cr、8.0%~10.0%，Ni、8.0%~11.0%，Mo、0.90%~1.20%，W、3.0%~4.0%，V、0.20%~0.30%，Ta、0.02%~0.04%，RE、0.20%~0.60%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的结构材料，其特征在于，所述RE包括Ho、0.10%~0.30%、Lu、0.10%~0.30%。
3.根据权利要求1所述的结构材料，其特征在于，材料成分及其质量百分比为：C、0.20%，Mn、0.60%，P、0.04%，Y、0.05%，Si、1.50%，Cr、10.0%，Ni、10.0%，Mo、1.0%，W、3.0%，V、0.30%，Ta、0.03%，Ho、0.30%，Lu、0.10%，其余为Fe。
4.一种根据权利要求1~3任一项所述结构材料的制备方法，其特征在于，制作步骤如下：
步骤S01、将待熔炼的Fe、Mn、Y、Cr、Ni、Mo、W、V、Ta、RE单质按照材料成分比例加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为960℃~980℃条件下熔融；
步骤S02、在金属熔融的条件下加入按照材料成分比例的C、P、Si单质，并保温20min~30min，搅拌均匀；
步骤S03、将熔融金属冷却至室温得到半潜船结构材料轧制板粗坯；
步骤S04、将熔炼金属粗坯回火保温20min~30min，冷却至室温得到半潜船结构材料轧制板成品。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述烧结的温度为960℃~965℃时，RE的组成为Ho。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述烧结的温度为975℃~980℃时，RE的组成为Lu。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述烧结的温度为965℃~975℃时，RE的组成为Ho和Lu。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S03中，所述熔融金属冷却速率为50℃/min~100℃/min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S04中，所述熔炼金属粗坯回火的温度为650℃。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S04中，所述熔炼金属粗坯回火后的冷却速率为50℃/min~100℃/min。
CN201610076434.9A 2016-02-03 2016-02-03 一种半潜船结构材料及其制备方法 Pending CN105568174A (zh)

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