极地船舶用低温钢耐磨性的研究进展

胡晓娜 ，吴彼 ，陈威 ，邹晋 ，段德莉

（1.江西省科学院应用物理研究所，江西 南昌 330096；2.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）

随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的资源受到越来越多国家的关注。美国地质勘探局评估报告显示北极区域油气储量约占全球未探明储量的22%。北极航线的开通将为国内能源供应提供更加多元化的选择，确保国家能源安全和稳定。2017年7月4日，中俄领导人会晤，首次提出开展北极航道合作，共同打造“冰上丝绸之路”。新航线开辟能够大幅度提高国内海运行业和全球贸易竞争力。随着北极资源开发的竞争日益激烈，发达国家在极地船舶研究方面进行了大量投入，这对国内发展能够适应极地恶劣服役环境的极地船舶提出了迫切要求。而极地船舶建造离不开低温钢等关键材料，高性能钢材及其防护涂料是极地船舶安全航行的基本保障。 目前，除少数环欧美国家已积累一些极地低温钢及其防护涂料的实际应用经验外，其他大部分国家都普遍缺少这方面的研究。本文综述了有关极地船舶用低温钢开发及其耐磨性的国内外研究成果与发展趋势，为国内极地船舶用低温钢材料开发与耐磨性研究提供参考与借鉴。

1 极地船舶用低温钢的发展

北极地区环境恶劣，冬季温度可达-60℃，低温是影响极地用钢的主要因素，会导致钢材易发生脆性断裂，因此，要求极地用钢具有良好的低温韧性。结合实际应用条件，还要求其具有较高的强度、组织结构各向同性，以及良好的耐蚀性、延展性和焊接性。

1.1 国外极地船舶用低温钢的发展

在极地船舶低温钢研制方面，俄罗斯、日本、美国、韩国、芬兰等国走在前列。国外极寒环境船舶用钢发展分为三阶段。

第一阶段，20世纪50-60年代，俄罗斯和美国开发了以AK-25和HY-80等为代表的调质高强钢，用于极寒环境船舶制造。英国以美国HY-80合金为原型开发了Q1N钢，日本开发了NS46、NS63、NS80 等 NS 系列舰船用钢。这一阶段主要通过低碳高强钢的合金化和调质处理，抑制钢铁材料脆性断裂，降低其韧脆转变温度。通过向钢中加入Ca、稀土硫化物等，与杂质反应生成稳定析出物，抑制沿晶断裂。通过添加Ni元素，细化晶粒并改变非金属夹杂物形态，抑制低温钢中穿晶断裂的发生，显著降低韧脆转变温度，使调质处理后的马氏体组织获得优异的强度和韧性。AK-25、HY-80、Q1N和NS63等低温用调质高强钢的机械性能一般能够满足极寒环境需求，但由于其碳含量和合金元素含量较高，可焊性较差，为避免氢致开裂，焊接前需预热，焊道之间要保持一定温度，还要采用低氢焊条，船舶装配成本居高不下。因此，研究者将重点工作转向降低C含量和合金元素含量，也就是C当量控制方面。

第二阶段，20世纪70-80年代，随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展，俄罗斯、美国和日本等国开发了以АБ7A、HSLA-80、HSLA-100、NS80、NS90 以 及 NS110钢为代表的高强钢。英国以美国HY-100和HY-130 为原型仿制了 Q2N 和 Q3N 钢；法国研制出了HELS-80钢，并在HLES-80基础上又研制出 HLES-100高镍钢， 相当于 HY-130。HSLA钢与HY系列钢的综合机械性能相当，焊接性能更优良，焊接前无需预热或仅需低温预热，成本更低。通过降低C含量，加入强化元素Cu，以及添加Ti、Nb和V等合金元素等方法使HSLA钢具有优良的机械性能和焊接性能。 HSLA 钢的C含量少于0.15%，Mn含量约为1%，Si含量约为0.5%，微合金化元素约为0.1%，在保证塑性和韧性前提下，大幅提高了材料的强度和可焊性。美国于1985年开始陆续采用HSLA-100沉淀硬化低温钢替代HY-100调质高强钢，其组织为马氏体或贝氏体，韧脆转变温度约为-134℃，低温断裂韧性是HY-100钢的两倍以上。此外，在钢材成分与性能的关系，工艺方法等研究成果的基础上，日本进行了更高强度钢的研究试制，并于1983年开发出了屈服强度为1 100 MPa的可焊接新钢种 NS110 钢。

第三阶段，20世纪90年代以后，国外先进钢铁生产企业在钢铁材料结构复合化、控轧控冷工艺（TMCP）升级和合金化设计方向持续加大投入。美国相继开发了HSLA-65和HSLA-115及10Ni钢。俄罗斯开发了具备优异耐蚀性和低温性能的复合钢，该钢种外层为不锈钢，内层为低温钢，外层起到防腐蚀作用，内层防止低温下脆性断裂。日本JFE公司采用HOP在线热处理工艺以及能够以接近水冷理论极限的最高冷却速度进行均匀加速冷却的Super-OLAC超速加速冷却装置钢板在线超快速冷却工艺，可在低C当量条件下，获得均匀的高性能组织结构，提高低温用钢的焊接性和船舶结构件的可靠性。此外，JFE公司开发了以25%Cr-4.5%Mo-0.2%N作为基本成分，适量添加Ni和微量B，以JSL310Mo作为覆层材料的耐海水腐蚀不锈钢JSL310Mo，该不锈钢复合板已用于制造南极科考船船体。

国外各发达国家开发了种类多样、质量优良的极地船舶用低温钢，逐步形成了相应的设计规范和评价标准。目前，极地船舶的结构冰区设计以国际船级社协会 （IACS）的“REQUIREMENTS CONCERNING POLAR CLASS” （POLAR CLASS）和俄罗斯船级社 （RMRS）的冰区规范最为权威，POLAR CLASS形成较晚，于2017年1月1日正式生效，RMRS冰区规范则形成较早，可以追溯到19世纪末，且应用广泛。IACS在制定 POLAR CLASS时也大量参考了RMRS冰区规范。

1.2 国内极地船舶用低温钢的发展

国外已经建立完善的低温钢体系，品种繁多，质量优良，而国内的低温钢品种开发尚未形成体系，国内大部分低温钢市场被国外垄断。国内钢铁企业关于极寒环境船舶用钢的研究虽然起步较晚，但借助后发优势，已经取得一定研究成果。

宝武集团采用低碳微合金化的成分设计和控轧 控 冷 工 艺,研 制 生 产 的 DH40、EH40、FH40 TMCP船板具有高强度和良好的低温冲击韧性。济钢采用低C，以及Nb、Ti微合金化，结合TMCP工艺，开发出组织细小、强韧性匹配良好，焊接性能优良的高强度EH36中厚板造船用钢。沙钢工业化试制了新型低成本高焊接性能船板钢EH36，其力学性能满足 EH36级别船板要求。

2016年，由宝山钢铁股份有限公司领衔的国家重点研发计划项目——“极寒与超低温环境船舶用钢及应用”，首先通过对低温钢强韧化机制及断裂机理基础研究，超低温船用钢板成分工艺设计、制造流程等关键技术应用研究，实现极寒环境高技术船舶用低温钢板及配套焊材国产化突破。2017年，上海海事大学海洋材料科学与工程研究院与宝钢股份有限公司共建的“海洋极端环境钢铁材料制备与蚀损控制”联合实验室取得了阶段性研发成果。同年生产的首批20 t低温钢用于“雪龙”号科考船的内部改造，2019年，近1 000 t极地特种低温钢用于“雪龙”2号建造。

鞍钢在海洋工程结构用钢方面有丰富的研究经验，其开发的TMCP系列船体及海洋工程结构用钢128个钢种于2006年率先通过九国船级社认证，填补了国内此类产品的空白。鞍钢通过Nb、V、Ti等元素微合金化，采用先进纯净钢冶炼连铸技术和TMCP工艺，现已开发出符合九国船级社认证的海洋平台用钢EH40-Z35。该产品具有优异的抗层状撕裂性、低冷裂纹敏感性以及良好的焊接性能和低温韧性。

舞钢开发的低合金调质高强度钢WQ960E，填补了高级别调质钢开发的空白，WQ960E钢板力学性能优良,具有较低碳当量、较高的低温冲击韧性和良好的焊接性能。

目前，国内钢铁工艺装备技术水平已达到国际一流水平，积累了大量先进钢产品开发与工程应用经验，取得了一批国际领先的重大技术创新，完全具备了极地船舶用低温钢的装备基础与技术研发能力。中国船级社（CCS）先后颁布了《钢制海船入级规范》《极地船舶指南》等规范要求，基本构建了CCS冰区水域航行各类船舶的规范标准体系。然而，国内缺乏极寒环境船舶用钢配套焊接材料和工艺、超低温断裂行为和摩擦磨损性能等系统评价研究。

极地船舶，如破冰船船体和海洋钻井平台等采用的涂装钢板除具有高强度、高低温韧性、良好的焊接性能等一般低温钢的特性外，因长期受到风浪、海冰的动载荷冲击，涂层和钢板体系还应具备一定的减摩特性和足够的耐磨性。因此，对于海冰载荷条件下耐低温船舶用钢的摩擦学服役性能评价，一方面应关注钢板自身在低温环境下，由于力学性能衰减引起的摩擦与磨损行为的变化；另一方面也应重点评价涂层和钢板体系在海冰载荷条件下的摩擦学特性。

2 极地船舶用低温钢的低温摩擦学研究

加拿大国家水利研究中心的Frederking等使用大型低温冰槽实验设备测量无涂层表面腐蚀态钢铁材料与海冰在大载荷（20 kN）下相对滑动的摩擦系数，用于极寒环境船舶设计过程中的数值模拟。图1为冰槽摩擦系数测量实验装置，行车带动海冰在冰槽中心样品轨道上往复滑动，轨道上可安装不同材料样品。实验表明，无涂层表面腐蚀状态钢铁材料与海冰在滑动初始静摩擦系数为0.20，滑动过程中动摩擦系数为0.14。Saeki等研究不同钢铁材料与海冰间摩擦系数，受接触应力、温度和相对速度影响，其摩擦系数介于0.05～0.30。因此，应根据极寒环境舰船设计用途与船级，选取合适的低温钢。

图1 冰槽摩擦系数测量实验装置Fig.1 Experimental Device for Measuring Friction Coefficient of Ice Trough

王东胜等采用往复摩擦磨损实验机测试10CrMn2NiSiCuAl破冰船低温用钢在不同环境温度下（-20～20℃）与AlO小球对摩的磨损特性。往复磨损实验在低温腔中进行，图2给出低温摩擦磨损实验低温腔结构图。

图2 低温摩擦磨损实验低温腔结构图Fig.2 Structural Diagram of Cryogenic Cavity for Carrying out Low Temperature Friction and Wearing and Tearing Experiments

实验表明，相同载荷下，破冰船用钢的比磨损率随温度降低骤增，磨损产物由20℃时的FeO和FeO转变为α-Fe基体材料磨屑，磨屑形貌由带状变为球块状。

马蕾等研究低温（-60 ℃）环境下钢铁材料滚动磨损行为。室温和低温（-60℃）条件下磨痕表面形貌分别见图3和图4。在室温下，对磨副磨痕表面可见明显犁沟和微切削特征，磨损机制为磨粒磨损。而低温（-60℃）环境下，对磨副磨痕均出现粘着转移层，磨损机制以粘着磨损为主，且摩擦系数和磨损率均高于室温。

图3 室温条件下磨痕表面形貌Fig.3 Surface Appearance of Wear Marks at Room Temperature

图4 低温（-60℃）条件下磨痕表面形貌Fig.4 Surface Appearance of Wear Marks at Low Temperature（-60℃）

钢铁材料摩擦学行为不仅受材料本身力学性能影响，也与其服役环境密切相关。低温条件下，随环境温度的降低，磨损率激增。常温大气环境下，空气相对湿度约为40%，在磨损过程中，低温用钢磨痕表面吸附空气中的水和氧气，形成氧化膜并起到润滑作用，表现出较低的摩擦系数和磨损率。

总结以上研究可发现，目前对于低温钢摩擦学行为研究主要关注点为低温对钢材摩擦磨损机制的影响，均未将海冰接触载荷所产生湿度和腐蚀介质对钢材磨损的耦合作用考虑其中。其摩擦学工况与实际极地船舶航行环境存在一定差异。因此，低温干摩擦条件下的摩擦磨损实验无法全面准确地评价极地船舶用低温钢的耐磨性。

3 极地船舶用耐磨冰区漆低温摩擦学研究

北极地区恶劣的环境要求极地船舶用低温钢的防护涂层具有良好的耐蚀性、抗冲击性、融冰性、硬度，与基材有良好的结合力。北极地区船舶实际温度可低至-60℃，然而国际通用的海洋平台保护涂层体系性能标准 （ISO 20340,Norsok M-501）要求测试温度为-20℃，目前，对于更低温度下防护涂层的开发、行为机理和性能的相关研究很少。

国外对极地船舶用耐磨冰区漆也仅有为数不多的研究。Hattori等经过长达13年的研究发现富锌涂料、环氧富锌涂料、聚氨酯富锌涂料在低温下具有良好的耐蚀性。Bjoergum等研究了材料在-60～-10℃下的性能，发现增强型聚酯涂层和硫化橡胶涂层具有较好的耐蚀性和抗冲击性。Momber等的研究表明，随着温度降低，涂层的抗冲击性、耐磨性和耐蚀性下降，涂层与基体之间的结合力提高，肖氏硬度提高，润湿性与涂层类型关系不大，不同类型涂层的白霜吸积量不同，冰块最易粘附于橡胶和增强型聚酯涂层表面，且随着温度降低，附着力变大。一种厚度达1 400 μm，由两层玻璃鳞片增强环氧树脂涂层和一层聚氨酯面漆构成的三层复合涂层具有最好的综合性能。

在美国军方资助下，研究者设计多种摩擦磨损实验装置评价海冰载荷下涂层和钢基体体系材料摩擦学服役性能。 图5给出海冰破碎磨损实验机结构示意图，实验机置于冷室内，避免海冰熔化。喷涂涂层的耐低温钢样品安装于破碎夹钳底端，破碎夹钳在偏心轮带动下开合运动。海冰对摩块由实验机上端开口处加入，在碎冰夹钳挤压下海冰将被破碎并由夹钳间隙掉出，连续添加海冰，每组实验加入海冰对摩块总重量以及实验时间一致。实验结束后通过对比分析样品表面粗糙度变化和形貌评价涂层在海冰载荷条件下的摩擦磨损性能。使用该实验方法测试几种常见舰船涂层，其中非热固性聚氨酯和环氧树脂粗糙度变化最小，等离子体喷涂碳化钨涂层出现部分脱落，表面存在大量孔洞。

图5 海冰破碎磨损实验机结构示意图Fig.5 Structural Schematic Diagram of Test Machine for Carrying out Sea Ice Crushing and Wear Tests

使用改造的岩石抛磨机测试涂装耐低温钢耐磨性，滚筒内安装框架用于固定涂层样品，对磨副为掺入氧化硅磨粒的海冰，根据需求可调整磨粒粒度和含量，滚筒内海冰添加量以半桶为宜，改造的岩石抛磨机结构如图6所示。实验装置置于冷室内，实验分段进行，磨损一段时间后将样品取下测量涂层厚度或钢板磨痕深度，同时添加海冰。表1给出聚氨酯和环氧树脂涂覆的耐低温钢板样品1 300 h磨损实验结果。结果表明，非热固性聚氨酯表现出较强的耐低温海冰磨损性能。

图6 改造的岩石抛磨机结构示意图Fig.6 Structural Schematic Diagram of Modified Rock Polishing Mill

表1 涂层耐低温钢板样品1 300 h磨损实验结果Table 1 Experimental Results of Wear Tests of Coated Low Temperature Resistant Steel Plates for Lasting 1 300 h

国内在极地船舶用低温钢涂料方面的研究很少，主要依赖进口。国内“雪龙”号破冰船使用挪威佐敦涂料集团的Marathon IQ冰区专用环氧漆，“雪龙”2号破冰船使用荷兰阿克苏诺贝尔国际油漆旗下最强效的冰区漆产品耐磨环氧漆Intershield 163 Inerta 160。耐磨环氧漆 Intershield 163 Inerta 160的漆膜表面光滑度极高，可有效防止冰层粘附在涂层表面，确保 “雪龙”2号能最大限度提高破冰效率。阿克苏诺贝尔的耐磨环氧漆的抗冲击、耐腐蚀性、耐磨性和耐开裂性能极强，可使涂料在-50℃下保持稳定的性能并提高破冰船的燃油效率，深受北欧及俄罗斯等破冰船大国的青睐。

4 极地船舶用低温钢未来发展方向

极地船舶用低温钢未来的发展方向主要有以下几个方面：

（1）采用控轧控冷和复杂的多级热塑性加工工艺获得超细晶，这种纳米结构可以同时提高低合金结构钢的耐低温性能和强度。

（2）研发新型钢种，例如纳米结构钢、高强钢和特殊结构功能复合钢等，复合钢可以满足某些特定需求，例如耐蚀性、耐磨性和超高的表面强度；与此同时，要不断完善相应评价标准和规范。目前，针对极地材料的标准规范还不完善，尤其缺乏可靠性试验方面的准则。

（3）通过对生产过程加强质量管控，改善钢材批量生产工艺，提高现有钢种质量，降低经济成本。

5 结论与展望

北极航道的开辟与该区域能源开发利用使得极地航行船舶建造需求与日俱增。极寒环境船舶用钢及其防护涂料是极地航行船舶建造的基础保障。北极地区环境恶劣，海冰、风浪的冲击和低温要求极地船舶用钢具有较高的强度以及良好的低温韧性、耐蚀性、延展性和焊接性；此外，要求其防护涂层具有良好的耐蚀性、抗冲击性、融冰性、硬度，与基材有良好的结合力。

国外先进钢铁企业已经通过几十年的不断发展完善，开发了种类丰富的低温钢，建立起系统的设计与生产制造体系，并形成了以国际船级社协会（IACS）的“REQUIREMENTS CONCERNING POLAR CLASS”（POLAR CLASS）和俄罗斯船级社（RMRS）的冰区规范为核心的系列设计规范和评价标准。低温钢的新品种开发朝着超细晶、纳米化、复合化和控轧控冷技术升级的方向进一步发展。

国内钢铁企业关于极寒环境船舶用低温钢的研究虽然起步较晚，但借助后发优势，已具备EH和FH级别高强船舶用钢生产能力，开发出一系列性能优异的耐低温调质高强钢和低合金高强钢。此外，中国船级社（CCS）先后颁布了《钢制海船入级规范》《极地船舶指南》等规范要求，基本构建了CCS冰区水域航行各类船舶的规范标准体系。但国内目前缺乏对配套焊接材料和工艺、超低温断裂行为，低温和风浪、海冰等动载荷冲击引起的摩擦学服役性能改变以及综合服役性能的研究，使得低温钢在实际海冰载荷服役条件下的使用寿命往往低于设计预期。

目前研究者主要关注环境温度对低温钢与耐磨冰区漆摩擦学性能的影响，仅讨论低温对钢铁材料磨损机制的改变，而忽视海冰载荷中湿度和腐蚀介质对磨损的耦合作用。因此，需要建立一套系统全面的极寒海冰载荷下涂装钢板摩擦学服役性能评价方法和标准，用以助力高强度耐低温钢材新品种开发与极寒环境船舶设计用涂层和钢板的选型。