超高強極地船舶用鋼低溫海冰介質磨損性能

王超逸　常雪婷　嚴玲　安濤　劉文月

關鍵詞：極地船舶用鋼；低溫；海冰；磨損；失重率

0 引言

由于極地具有豐富的油、氣資源，近年來世界各國越來越重視對南、北極地區的開發。隨著東北極地航線經濟性和便利性的增加，市場對極地船舶的需求大大提高，這也增加了極地船舶用鋼的用量。在極地科考方面，2019年中國自行建造的雪龍2號極地科考船正式投入運行，然而該船用鋼鐵材料仍然是國外進口的極地船舶用鋼，因此極地破冰船用鋼也是鋼鐵行業重點關注的產品。楊才福等系統研究了中國船舶與海工用鋼的發展情況，說明了特種船舶用鋼正向著強度更高、韌性更好、焊接線能量更大等方向發展。葉其斌等研究了極地船舶用鋼的應用性能，指出極地船舶用鋼服役環境溫度長期在-10℃以下，甚至可低至-40℃左右，如此低的溫度，對極地船舶用鋼的綜合性能提出了很高的要求，即材料除了有較高的強度以外，還要保證在低溫下具有良好的塑性和韌性。王紅濤等綜合分析了極寒環境下厚規格船舶用鋼的發展，提出通過現有的TMCP工藝，國內鋼鐵企業已經可以生產出大厚度的E、F級別極地船舶用低溫鋼，但沒有明確極地船舶用鋼的特殊性能要求。侯振偉研究了極地破冰船用球扁鋼，說明與傳統材料相比較，極地破冰船用球扁鋼在強度、硬度、低溫沖擊性能上都有著更加嚴格的要求。與常規海運船舶不同，極地運輸船、破冰船等極地船舶不可避免會與海冰介質發生摩擦，低溫下堅硬的海冰會對極地船舶表面造成嚴重的影響，因此，有必要研究極地船舶用鋼在低溫海冰介質下的磨損性能，分析海冰對極地船舶用鋼的磨損率。在國外，FREDERKING R等利用加拿大國家水利中心大型冰池，研究了不同相對速率下鋼鐵材料與海冰之間的磨損情況，試驗結果表明，噴漆的光滑鋼鐵表面與海冰之間滑動摩擦因數約為0.04，而粗糙的鋼鐵表面與海冰滑動摩擦因數約為0.14，但試驗沒有給出低溫海冰對鋼鐵造成的磨損量。在國內，王鴻靈等研究了溫度對鋼鐵材料干摩擦性能的影響，說明在荷載一致的條件下，隨著溫度的降低，碳鋼的摩擦因數增大，磨蝕量增加，鋼鐵材料的低溫磨損量要大于在常溫下的磨損量。王東勝等研究了極地船舶用鋼的低溫干摩擦性能，結果發現鋼鐵材料表面的帶狀組織可能提高材料的耐磨性，然而帶狀組織對材料整體性能的均一性不利，實際船舶用鋼組織必須盡可能保持均勻一致。孫士斌等研究了DH32船舶用鋼在模擬極地環境下的沖蝕磨損性能，結果發現海冰對鋼板表面有較強的磨損沖刷作用，海冰與船舶相對速度越高，沖蝕效應越明顯。綜上，研究海冰磨損對極地船舶長期安全航行有重要意義，有必要明確高強度極地船舶用鋼在低溫海冰介質環境下的磨損量。為此，本文采用460 MPa級超高強極地船舶用鋼作為試驗材料，測試了材料在低溫環境下強度、硬度及塑性，對比了不同環境下鋼鐵材料磨損失重率，利用大型自制專業設備模擬低溫海冰介質，開展了極地船舶用鋼海冰介質低溫磨損試驗，得到了極地船舶用鋼海冰介質磨損量的參考值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為460 MPa級超高強極地船舶用鋼，鋼板厚度為40 mm。具體生產流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→板坯連鑄→加熱→TMCP軋制→堆垛緩冷。連鑄坯加熱溫度為

1 150 ℃，均熱保溫時間為0.5～1.0 h， 粗軋溫度約為980 ℃，精軋溫度約為850 ℃，終軋溫度約為780 ℃。試驗材料化學成分見表1，材料基本力學性能見表2。

為了保證船舶用鋼可焊性良好，該材料的碳元素及其他合金含量較低，但是通過合適的軋制工藝，可使其變得強度高、塑性優良、低溫韌性好，從而具有良好的綜合使用性能。根據材料的化學成分及基本性能，對照國標規定，該材料符合EH460級超高強船舶用鋼的要求，適用于先進極地船舶的建造。

1.2 試驗方法

首先，使用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面，利用蔡司observer 7光學顯微鏡觀察材料的組織形貌；在1/4厚度處取樣，將材料加工成直徑為

10 mm的圓棒狀低溫拉伸試樣，使用帶低溫環境箱的ZWICK-100拉伸試驗機測試材料在低溫下的強度、伸長率和斷面收縮率，試驗溫度為-10 ℃至-40 ℃，每間隔10 ℃測試1組數據，每個溫度做2個試樣的測試，測試結果取平均值。硬度測試時，先將試樣表面進行打磨，利用DurJet10G5全自動洛氏硬度計測試試樣在常溫環境下的HRB硬度值，再把試樣放在小型容器內，浸泡在-40 ℃低溫酒精介質中，靜置10 min后連同小型容器一起取出，馬上放置在同款硬度計上，測試材料在低溫介質浸沒環境下的表面硬度，每個環境測試5個點的硬度值，結果取平均值。

其次，為了分析材料在低溫下磨損性能的差異，將試樣切割成20 mm×20 mm×2 mm的小試樣，依次使用粒度為120.0、18.0、6.5 μm的砂紙打磨試樣表面，然后利用布魯克UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機分析材料在低溫環境下的摩擦磨損性能，摩擦介質為Al2O3硬質摩擦頭，試驗環境分別為20 ℃常溫海水及-40 ℃低溫海水，摩擦壓載為30 N，摩擦形式為往復滑動，試驗時間為2 h，滑動速率為2 mm/s， 摩擦總距離約為

14.4 m。每個環境測試3個平行試樣，使用布魯克Contour GT-Ⅱ型白光干涉儀以及EM-30PLUS掃描電鏡來觀察磨損后試樣表面的磨痕深度和微觀形貌，分析材料在低溫下的磨損機理。

最后，將材料加工成200 mm×40 mm×40 mm的海冰介質磨損試樣，并鉆2個固定用通孔，使用上海海事大學自制的極地環境試驗平臺（圖1），分析材料在極地低溫條件下的海冰介質磨損性能。具體試驗步驟及參數為：將人工配置的模擬海水注入極地環境試驗平臺制冰槽；開啟極地低溫環境模擬平臺，設定環境溫度為-40 ℃，開啟制冰程序，當制冰厚度達20 cm后，使用型號為WHP10的莫氏硬度筆測試冰硬度，達到莫氏5級以上時停止制冰；而后每摩擦4 h重新制冰，覆蓋并消除冰道磨痕，并檢測冰硬度達到莫氏5級以上，從而保證每次測量時海冰的硬度保持一致。將試樣固定在極地低溫環境模擬平臺上，使用螺栓緊固，確保試樣與平臺牢固連接。壓載設定力為400 N，平臺移動速度為0.5 m/s， 每次行程測試距離為8 m， 運動方式為往復運動，摩擦測試總行程為1 500 m。由于制冰及補冰較費時，測試總時間約為30 h。測試總行程完成后，拆下樣品，進行拍照觀察并使用電子天平記錄鋼板摩擦前后質量變化。

考慮到試樣的失重量與荷載及磨損試驗行程有關，因此使用單位歷程磨損失重率來描述材料的摩擦磨損性能，計算方法如式（1）所示。

P=Δm/LN （1）

式中：P為單位歷程磨損失重率，g/（N·m）；Δm為試樣的平均失重量，g； L為磨損試驗行程，m； N為試驗荷載，N。

2 試驗結果與討論

2.1 極地船舶用鋼顯微組織及低溫力學性能

鋼鐵材料的耐磨性主要依靠高硬度耐磨基體和耐磨強化的第二相來實現，高硬度耐磨基體代表性材料主要為奧氏體高錳鋼和馬氏體耐磨鋼，而耐磨強化第二相的材料有高鉻鑄鐵、高釩碳高速鋼等。然而，這些材料都難以直接使用在極地船舶結構上，目前船舶用鋼主要產品仍然以低碳微合金材料為主。試驗材料顯微組織如圖2所示，可見該材料金相組織主要由多邊形鐵素體（F）與貝光體（B）構成，晶粒度等級約為10級，屬于極細晶粒組織，細晶強化賦予了組織良好的強度和韌性。

在20 ℃常溫至-40 ℃低溫范圍環境內，試驗材料的屈服強度、抗拉強度、伸長率以及斷面收縮率隨溫度的變化規律如圖3所示。可見，隨著溫度的不斷下降，該材料在低溫環境下屈服強度與抗拉強度都有一定程度的提升，兩者提升的趨勢較一致，屈強比變化不大；而材料的伸長率、斷面收縮率呈下降趨勢，伸長率由常溫下的27.5%下降至-40 ℃的26%左右，降幅較小；而斷面收縮率從常溫下的78%下降至-40 ℃的75%左右。

20 ℃常溫及-40 ℃低溫環境下試驗鋼的硬度見表3。由表3可見，試樣在常溫下洛氏硬度的平均值為81.38HRB，而在-40 ℃低溫介質浸沒環境下洛氏硬度的平均值為83.94HRB，與常溫結果相比，材料在低溫介質浸沒環境下硬度值略有上升。

以上試驗結果說明，極地船舶用鋼在低溫下的強度得到了提升，表面硬度略有上升，而對應的塑性稍稍下降，低溫對材料的力學性能有明顯影響。因此，在考慮極地船舶用鋼的應用性能時，不應該僅僅以材料常溫力學性能作為唯一的評價標準，還需要考慮材料低溫下的性能變化。

2.2 不同環境下極地船舶用鋼磨損微觀形貌分析

極地船舶用鋼在冰區航行時，會遇到2種可能的海冰磨損情況：1）海水中漂浮著成塊的碎冰，這時船舶鋼結構會受到冰、水混合物的沖刷和磨損，其屬于有液體介質潤滑的濕摩擦；2）在更低溫度環境下，海面徹底結冰，這時船舶用鋼則是與固體海冰直接摩擦磨損，屬于干摩擦，極地破冰船在冰區領航時就是這種情況。為了模擬上述環境，共設計了2種不同環境下的磨損試驗：常溫海水濕摩擦環境、-40 ℃低溫干摩擦環境。每個環境做3個平行試樣，編號分別為1號、2號、3號。極地船舶用鋼在常溫海水環境下磨損后的磨痕輪廓如圖4所示，摩擦表面微觀形貌如圖5所示。使用低溫空氣冷卻方式將試樣溫度下降到-40 ℃，其他試驗條件不變，得到極地船舶用鋼-40 ℃低溫干摩擦磨痕輪廓如圖6所示、摩擦表面微觀形貌如圖7所示。

由圖4可見，常溫環境下，3個平行試樣的磨痕輪廓深度都在15～20 μm， 磨痕寬度約為800 μm， 試樣表面磨痕輪廓整體較整潔，這說明液體海水對摩擦有潤滑清洗作用。由圖5所示的試樣表面磨痕微觀形貌可見，3個平行試樣表面磨痕都以犁溝為主，梨溝狀磨痕清晰可見，部分位置上存在表面剝落現象，但從整體上看磨痕形貌排列規整，磨損機理一致。對比圖6和圖7，試樣低溫-40 ℃干摩擦環境下的磨痕及磨損形貌與常溫海水摩擦完全不同。低溫下，試樣的磨痕深度普遍在40～50 μm， 較常溫海水環境有較大增加，磨痕表面高低不平，磨痕形態不均勻。

3個試樣低溫-40 ℃干摩擦的表面微觀磨損形貌（圖7）顯示，常溫磨損下出現的大量整齊的梨溝磨痕在低溫干摩擦環境下幾乎看不到，但可見明顯的大范圍剝離，磨損表面主要為表面疲勞造成的黏著磨損失效。

使用電子天平測量試樣磨損前后質量差，2種環境下得到試樣磨損失重量見表4。

由表4可知，在常溫海水介質環境下，試樣平均磨損失重量約為0.001 9 g， 而在-40 ℃低溫干摩擦環境下，試樣平均磨損失重量約為0.008 2 g， 遠高于常溫海水環境，這個結果與觀察到的材料表面磨損微觀形貌相符，說明低溫下材料的磨損量大大增加。究其原因，在常溫海水環境下，試樣表面受海水潤滑，摩擦因數較小，加之極地船舶用鋼常溫塑性變形較為容易，因此試樣磨損表面主要以深度一致的梨溝為主；然而，在低溫環境下，材料強度上升的同時塑性變形能力下降，材料磨損機理逐漸向表面疲勞和磨料磨損過渡，試樣表面硬顆粒或微突起在摩擦過程中與Al2O3摩擦頭剛性碰撞，導致表面大面積變形和剝落，磨損嚴重，失重量大幅度上升。

通過式（1）可以計算得到極地船舶用鋼在常溫海水及低溫環境下的單位歷程磨損失重率分別為0.44E-05、1.90E-05 g/（N·m），低溫干摩擦環境下的失重率是常溫海水環境下的4倍多。

2.3 極地船舶用鋼在低溫海冰介質環境磨損量

上述摩擦磨損試驗使用的對摩介質是常用的Al2O3硬質摩擦頭，但這與極地船舶海冰磨損實際情況不符。極地船舶尤其是極地破冰船等特種船舶，在低溫大厚度海冰中行駛時，海冰介質會對船舶用鋼表面造成較大的阻力，進而對船舶用鋼表面造成磨損，然而海冰的摩擦性能與Al2O3等常用摩擦介質的性能明顯不同，因此需要根據實際情況，使用模擬海冰介質來分析極地船舶用鋼的實際抗磨損性能。極地船舶用鋼低溫海冰介質磨損試樣安裝位置、低溫海冰磨痕以及試樣磨損前后表面狀態如圖8所示。

試驗中，極地船舶用鋼試樣在設備垂直壓力及拖曳下，在低溫海冰介質上反復摩擦，-40 ℃低溫保證了海冰介質的硬度達到莫氏5級以上，整個試驗中摩擦力及摩擦因數的變化如圖9所示。

由圖9可見，在整個海冰磨損過程中，摩擦力隨著對摩時間的延長略有下降，從最高65 N逐漸降至45 N左右；摩擦因數雖隨著對摩時間的延長略有降低，但基本保持在0.15左右。研究表明，冰與結構物間的摩擦因數對冰荷載影響很大，海冰與海上結構物表面之間的滑動會導致冰荷載降低，進而降低摩擦力。極地船舶用鋼與海冰之間的摩擦因數與其表面光滑度有關，本次試驗直接使用了軋制后的鋼板表面，沒有做打磨等表面處理，可以視為鋼板的原始粗糙表面狀態。文獻認為，涂漆的鋼板表面與海冰摩擦因數較小，約為0.04，在整個試驗過程中變化較小；而表面粗糙的鋼板摩擦因數約為 0.14，在整個試驗過程中變化較大，在0.12～0.16范圍內波動，約有25%～30%的變化，這與本文得到的結果較為一致。

極地船舶用鋼低溫海冰介質磨損試驗得到的磨損失重率見表5。

需要說明的是，表5中的磨損失重率P是通過式（1）計算的低溫海冰介質環境下的極地船舶用鋼磨損失重率，與前文Al2O3硬質摩擦頭試驗得到低溫磨損結果不能進行直接比較，其原因有以下2點：1）摩擦介質不同，雖然-40 ℃低溫下海冰的硬度可達到莫氏5級以上，但是Al2O3硬質摩擦頭的硬度還是超過了低溫海冰的硬度。2）接觸面積不同，Al2O3硬質摩擦頭為直徑8 mm的球形，而極地船舶用鋼試樣為長方形，在整個試驗過程中，鋼板表面都與低溫海冰介質緊密接觸，磨損面積較大。實際上，本試驗中極地船舶用鋼試樣與Al2O3硬質摩擦頭的位置相似，可以看成是鋼質磨頭在低溫海冰上相對移動。

對于極地船舶來說，值得關注的是經過長期海冰磨蝕后的鋼板厚度損失。中國船級社在其規范中明確要求極地船舶用鋼厚度需要考慮海冰的磨耗作用，當鋼板厚度低于要求值時，需要對鋼板換新。因此提升極地船舶用鋼的耐磨損能力，可以降低極地船舶因長期海冰磨損造成的損耗，進而保證極地船舶的安全航行，延長船體的服役壽命，減少極地船舶的運營成本。因此，根據表5得到的磨損失重結果，可利用式（2）計算極地船舶用鋼低溫海冰介質磨損厚度損失。

Tloss=Δm/ρSL·1852 （2）

式中：Tloss為鋼板單位海里航行厚度損失，m； ρ為鋼板密度，取7 850 kg/m3；S為樣品磨損面積，本次試驗為0.008 m2。

計算厚度損失時，試樣磨損前后的質量差Δm取表5中的4.2 g； 試驗磨損行程L取1 500 m， 考慮到船舶航行距離的長度計算單位為海里，1海里約為1 852 m， 故乘以1 852。將上述數據代入式（2），計算可得本次試驗極地船舶用鋼在-40 ℃模擬低溫海冰介質磨損情況下，每海里的厚度損失約為0.000 082 m， 即0.082 mm。

本次試驗結果表明，不考慮其他影響因素，極地船舶用鋼在無保護情況下受海冰介質磨損的厚度損失比較顯著。值得討論的是，前面的結果是通過極地船舶用鋼在-40 ℃低溫環境下與硬質海冰直接磨損導致的質量損失計算得到的，在試驗過程中鋼板一直受到400 N的向下壓力，使得鋼板與低溫海冰時刻處在對摩狀態，而且試樣的磨損面固定不變。然而，在實際極地船舶航行時，尤其在破冰過程中，船體并非直接沖向海冰，船體與海冰的接觸面不固定，船舶的吃水線也是變化的，因此，極地船舶破冰時的實際磨損情況并不與本次試驗環境完全一致。實際上，極地船舶尤其是極地破冰船，在船體基本防腐的基礎上，還會在鋼板表面噴涂堅固的耐磨環氧漆，耐磨漆膜表面光滑度極高，可有效防止冰層黏附在涂層表面，從而降低船體表面與海冰的摩擦力，減少海冰對船舶用鋼的損傷，最大限度地提高極地船舶的破冰效率。在耐磨漆的保護下，鋼板不會直接與低溫海冰摩擦，只有在特殊情況下，如船體表面的耐磨漆發生脫落后，才有可能出現模擬試驗中鋼板原始表面與低溫海冰磨損的情況。因此，本次試驗得到的數據應該被看作無保護情況下、極地船舶用鋼與-40 ℃低溫硬質海冰直接磨損時鋼板厚度損失的參考值。

3 結論

1）試驗結果表明，隨著溫度的下降，超高強極地船舶用鋼的強度提升，塑性下降，表面硬度略有上升。在使用極地船舶用鋼建造船舶及其他極地海上結構物時，應該考慮材料在實際服役環境下的綜合力學性能。

2）常溫海水環境下材料的磨損失重率約為0.44E-05 g/（N·m），而在-40 ℃低溫干摩擦環境下，磨損失重率高達1.90E-05 g/（N·m）。低溫下，材料磨損失效機理主要為表面疲勞和黏著磨損。

3）極地船舶用鋼在無保護情況下，受到-40 ℃低溫模擬硬質海冰介質磨損后，每海里的厚度損失約為0.082 mm。材料受低溫海冰介質磨損而造成的厚度損失不可忽視，在選擇高性能極地船舶用鋼鐵材料時，有必要考慮材料本身抵抗低溫海冰磨損的能力。

本文摘自《中國冶金》2023年第8期