本发明涉及一种高强船板钢。
背景技术：
大线能量焊接用钢应用广泛，比如，在造船行业中，使用普通船板的造船效率仅为高热输入焊接用船板的四分之一。国内无法生产时只能从国外进口，但价格昂贵。大线能量焊接方法是最为实用的提高焊接施工效率和降低成本的方式，《2006～2020年中国钢铁工业科学与技术发展指南》提出，高热输入焊接用钢是我国钢铁行业重点发展的目标之一，具有广阔的市场前景。当焊接热输入大于50kJ/cm称为大线能量焊接，传统钢板在焊接热输入大于50kJ/cm情况下，由于焊接热影响区组织的过度粗化，焊接接头的力学性能会发生严重下降，甚至低于母材钢板的标准要求，研究开发满足大线能量焊接用钢是解决大线能量焊接热影响区低温韧性恶化的有效途径。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：如何在在钢的化学成分中不用加铌Nb和钒V复合合金化，降低成本的前提下，而采用Ni、Al、B微合金化元素提高钢的强度和韧性，在保证大线能量焊接的前提下强度达到510MPa以上。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种高强船板钢，其化学成分质量百分比为：C：0.041-0.042％、Si 0.12～0.13％、Mn：1.76～1.77％、P≤0.020％、S≤0.015％、B：0.031～0.033％，Al：0.017～0.0018％、Ti：0.021～0.023％、Ca：0.001～0.003％、Ni：0.21-0.22％，余量为Fe和不可避免的杂质。
化学成分是影响连铸坯内部质量与钢板性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，原因在于：
⑴碳是钢中最重要的元素，同时也是最便宜的元素之一。碳是强间隙固溶元素，在钢中加入碳可对钢有着显著的间隙固溶强化作用，从而提高低合金高强度钢的强度，并且对钢的强度贡献最大。碳与钢中的微合金元素(Nb、Ti、V等)结合形成碳化物，尤其是在奥氏体中形成细小、弥散分布的碳化物夹杂，起到晶粒细化和沉淀强化的作用，提高钢的硬度和强度。钢中含碳量增加时，屈服和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性会降低，其焊接性能也会受损。为了适应大线能量焊接，改善钢材的韧性，适当减少低合金高强度钢的含碳量，可以提高钢板的低温冲击韧性和焊接性能。用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。碳含量降低到0.10％以下，甚至更低，可以有效改善大线能量焊接热影响区的韧性，降低钢的焊接裂纹敏感性。低合金高强度钢中采用低碳化设计，必然会造成强度损失。为了确保大线能量焊接用钢在低碳的前提下仍具有高强度，需要采用合理的微合金化处理，通过添加微合金化元素来提高强度。所以本发明碳含量限定在0.041～0.043％。
⑵锰是弱的碳化物形成元素，除少数溶于渗碳体外，几乎都溶于铁素体和奥氏体中，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，通常增加锰含量来弥补因降低碳含量造成的部分强度损失。锰可以明显降低转变温度,强烈降低晶界铁素体开始转变温度，促进针状铁素体的形成。锰还是良好的脱氧剂和脱硫剂，常同硅、钛一起加入进行复合脱氧，形成具有较高硫容量的复合夹杂，有效诱导晶内针状铁素体形核。锰与硫形成熔点较高的MnS，可防止形成FeS而产生热脆现象。另外锰会增加钢晶粒粗化的倾向、回火脆性敏感性和过热敏感性。
⑶硅能溶于铁素体和奥氏体中从而提高钢的硬度和强度，弥补降低碳含量造成的部分强度损失。硅在钢水中有很好的脱氧作用,是良好的脱氧剂。用铝脱氧时酌加一定量的硅，能显著提高铝的脱氧能力。然而硅含量过高能促进仿晶界铁素体形核，抑制针状铁素体形成，增加M-A组元含量，降低钢的塑性和韧性,使得钢的焊接性能降低。因此大线能量焊接用钢的成分应低硅化，促使微细的贝氏体和铁素体组织形成。
⑷在钢中添加适量的铝，热影响区中M-A岛数量减少，其平均长度降低，并且M-A中残余奥氏体数量增加，从而提高热影响区的韧性。当铝含量较高时，铝的氧化物夹杂聚集团簇，形成粗大的粒子，容易形成裂纹源。同时，铝浓度增加能使钢中形成不利的组织结构，如促使钢中形成侧板条铁素体组织,降低钢的韧性；为了提高钢板热影响区的韧性，本发明控制Al含量为0.017～0.0018％。
⑸铌是典型的析出强化元素，和碳、氮有着强烈的亲和力。常温时，钢中的铌大部分都是以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在。适量的铌元素可以形成细小弥散的第二相粒子，在轧制过程中有非常好的细晶强化和沉淀强化效果。这些细小的第二相粒子还能在焊接过程中钉扎奥氏体晶粒，抑制晶粒粗化。部分铌能固溶于奥氏体基体中，偏析在奥氏体晶界，通过溶质拖曳效应抑制奥氏体晶界移动来限制晶粒的长大，细化晶粒，提高强度和韧性。同时，铌对热影响区的组织和M-A组元的形态特征有显著作用。但是铌会导致第二相粒子粗大而失去抑制晶粒粗化的作用，还会抑制铁素体转变，促进粒状贝氏体的形成,导致韧性严重恶化。所以本发明不加铌。
⑹钒和碳、氮等元素有极强的亲和力，在钢中主要以碳化物和氮化物的形式存在，可以通过析出强化来提高强度。在奥氏体中析出的VN能够抑制奥氏体晶粒长大。在铁素体区析出的VN，可以增加晶内铁素体的形核核心，两方面共同促进晶粒细化，显著地改善低碳低合金钢的焊接性能。但在大线能量焊接时，钒的碳氮化物并不能充分析出。所以本发明不加钒。
⑺钛和氧、氮、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧剂和固定氮和碳的有效元素。钛的氧化物被认为是钢中最有效的形核夹杂，能有效地促进针状铁素体形核。
⑻镍是提高钢低温韧性非常重要的元素，在钢中为纯固溶元素，可强化铁素体基体，并且具有明显降低韧脆转化温度的作用；在液态或者固态时,能与铁任意比例互溶，能抑制粗大的先共析铁素体形成，细化铁素体晶粒,改善钢的低温韧性。另外本发明添加适量的镍，还可以扩大奥氏体相区的元素，能影响碳与合金元素的扩散速度，阻止珠光体形成,提高淬透性，减缓焊接时的淬硬开裂趋向。
⑼硼能在高温时与自由状态的氮结合，减少钢中的自由氮，并且在冷却过程中作为晶粒内部晶核促进铁素体形成,改善韧性。在焊接热循环过程中,硼能吸附在晶界上并且降低晶界的能量，从而减小晶粒长大的动力，也可以限制或者推迟晶粒的长大。同时，硼能扩散到钛的氧化物中，形成贫乏区，还能降低奥氏体向铁素体转变的温度和推迟晶界铁素体的形成，促进晶内针状铁素体的形成。但添加过量硼时在夹杂物周围偏聚，降低夹杂物的形核能力。本发明控制B含量为0.031～0.033％。
⑽硫是钢中的有害元素，它以熔点较低的FeS的形式存在,容易导致钢产生热脆现象，从而产生裂纹，钢中的S易和Mn结合，形成MnS夹杂的层状偏析，使板厚方向的强度和塑性大幅度降低，产生层状撕裂,危害钢的性能。同时，在特定条件下钢中的MnS,与VN、TiN一起钉扎奥氏体晶粒长大和诱发晶内铁素体形核，有效地细化了晶粒和提高韧性。
⑾磷是杂质元素，其最大的害处是偏析严重，显著降低钢的塑性和韧性，对焊接性也有不良影响。在钢中与铜一起作用时,能提高钢的耐大气腐蚀性能。
通过上述分析可知，不同的元素在大线能量焊接用钢中有着不同的作用。根据元素的特征，设计出经济型、高强度、高韧性和优良焊接性的大线能量焊接用钢。本发明的大线能量焊接用钢成分设计的基本思路是不加铌以保证焊接性，增加锰和微合金化元素含量提高强度，控制磷、硫等杂质元素含量，有效地细化了晶粒和提高韧性，提高钢的耐大气腐蚀性能；采用氧化物冶金方法，形成细小弥散的微细夹杂，在焊接过程中抑制奥氏体长大和控制组织转变，使得大线能量焊接用钢粗晶区韧性保持在一个较好的水平。本发明采用Ni、Al微合金化元素提高钢的强度和韧性，不用加Nb和V，降低了成本。
本发明成分合理，钢板综合力学性能良好，具体表现为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥510MPa，适合焊接线能量在150-250kJ/cm范围内的高强船板钢，在150kJ/cm和250kJ/cm的大线能量焊接条件下，钢板的HAZ在-40℃下的平均冲击功在150J以上，生产成本较低。
本发明解决的另一个技术问题是，如何解决提高船板钢用于寒冷环境时的防抗覆冰性能。
本发明解决这个技术问题的技术方案是：钢板表面喷涂有防抗覆冰附着乳液，所述防抗覆冰附着乳液的质量百分比组分为：4-甲基环己基异氰酸酯：6.7-6.9％，氨基甲酸乙酯：10.5-10.7％，α-亚麻酸：4.3-4.5％，乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：2.3-2.5％，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：5.5-5.7％，过氧化苯甲酰：2.2-2.4％，丙烯酸丁酯：1.3-1.5％，2-羟基-1,2-二苯基乙酮：5.7-5.9％，锑掺杂氧化锡纳米晶：3.8-4％，纳米二氧化钛：3.3-3.5％，纳米碳化硅：1.5-1.7％，乙烯-醋酸乙烯：4.5-4.7％，聚氧乙烯脂肪醇醚：4.7-4.9％，聚二甲基硅氧烷：2.4-2.6％，聚醚改性硅油：2.1-2.3％，助溶剂：6.4-6.6％，附着力促进剂：8.3-8.5％，有机氟防水剂：余量。以上各成分均为市售产品。
本发明的防抗覆冰附着乳液通过其科学的配方，在钢板表面上喷洒附着乳液后，附着乳液在室外紫外光线的作用下，其中聚合物会发生二次共聚和交联反应，生成网状结构的保护膜，大幅度提高了附着乳液与钢板表面的粘结强度、强剥离强度和撕裂强度，从而解决了防抗覆冰附着乳液与钢板表面不易结合的技术问题，使钢板表面具有优良的拒水性、防水防冻和防抗覆冰性能，使其用于雨天寒冷环境时仍保持优良性能；根据试验，将本发明的外管置于暴雨中，拒水性能是普通船板钢的3-5倍；将本发明的外管外置于零下3-15℃的环境中，雨水后钢板表面不易结冰。另外，本发明附着乳液中，锑掺杂氧化锡纳米晶、纳米二氧化钛、纳米碳化硅能等成分的加入使钢板表面具有很好的抗静电性和吸收隔热性，且具有防霉杀菌和防污性，还能提高其耐磨损性，获得了意想不到的技术效果。
本发明的有益效果是：⑴通过合理的采用低碳无铌成分设计，通过基于氧化物冶金技术的冶炼工艺，在钢中形成细小化、弥散化、复合化的氧化物粒子，利用这些高温热稳定的细小弥散夹杂物粒子钉扎高热输入条件下焊接热影响区的奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒。同时利用这些氧化物作为晶内针状铁素体IAF的形核点，使焊接热影响区内形成强韧性较好的IAF组织，进而显著提高大热输入焊接热影响区的韧性。⑵本发明通过在钢板表面上喷涂防抗覆冰附着乳液使船板钢用于寒冷环境时的具有优异的防抗覆冰性能。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种高强船板钢，其化学成分质量百分比为：C：0.18％、Si：0.12％、Mn：1.76％、P：0.020％、S：0.015％、B：0.031％，Al：0.017％、Ti：0.021％、Ca：0.001％、Ni：0.21％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的钢板表面喷涂有防抗覆冰附着乳液，防抗覆冰附着乳液的质量百分比组分为：4-甲基环己基异氰酸酯：6.7％，氨基甲酸乙酯：10.5％，α-亚麻酸：4.3％，乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：2.3％，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：5.5％，过氧化苯甲酰：2.2％，丙烯酸丁酯：1.3％，2-羟基-1,2-二苯基乙酮：5.7％，锑掺杂氧化锡纳米晶：3.8％，纳米二氧化钛：3.3％，纳米碳化硅：1.5％，乙烯-醋酸乙烯：4.5％，聚氧乙烯脂肪醇醚：4.7％，聚二甲基硅氧烷：2.4％，聚醚改性硅油：2.1％，助溶剂：6.4％，附着力促进剂：8.3％，有机氟防水剂：余量。
实施例2
本实施例是一种高强船板钢，其化学成分质量百分比为：C：0.19％、Si：0.13％、Mn：1.77％、P：0.010％、S：0.005％、B：0.033％，Al：0.0018％、Ti：0.023％、Ca：0.003％、Ni：0.22％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的钢板表面喷涂有防抗覆冰附着乳液，防抗覆冰附着乳液的质量百分比组分为：4-甲基环己基异氰酸酯：6.9％，氨基甲酸乙酯：10.7％，α-亚麻酸：4.5％，乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯：2.5％，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：5.7％，过氧化苯甲酰：2.4％，丙烯酸丁酯：1.5％，2-羟基-1,2-二苯基乙酮：5.9％，锑掺杂氧化锡纳米晶：4％，纳米二氧化钛：3.5％，纳米碳化硅：1.7％，乙烯-醋酸乙烯：4.7％，聚氧乙烯脂肪醇醚：4.9％，聚二甲基硅氧烷：2.6％，聚醚改性硅油：2.3％，助溶剂：6.6％，附着力促进剂：8.5％，有机氟防水剂：余量。
按照本发明实施的钢板力学性能如表1所示。本发明实施例钢板综合力学性能良好，其屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥510MPa，适合焊接线能量在150-250kJ/cm范围内的高强船板钢，在150和250kJ/cm的大线能量焊接条件下，钢板的HAZ在-40℃下的平均冲击功在150J以上，无需热处理，生产成本较低。
表1本发明实施例的实物性能
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。