大型船用彎舵桿鍛件熱處理工藝

■ 姜曉霞，黃保國

近期，我公司生產(chǎn)的某船廠用20Mn材質(zhì)大型彎舵桿鍛件（見圖1），長(zhǎng)約11m，重約55t，需采用鍛造方式生產(chǎn)。該鍛件形狀較為復(fù)雜，且因尺寸落差較大，技術(shù)要求較高，實(shí)際生產(chǎn)中很難一次熱處理滿足要求。因此，實(shí)際生產(chǎn)中我們通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，制訂了熱處理生產(chǎn)方案，最終達(dá)到一次熱處理滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)及超聲波檢測(cè)要求。

1. 鍛件形狀及尺寸

鍛件形狀及尺寸如圖1所示。該鍛件形狀較為復(fù)雜，而且兩端尺寸差較大，在后續(xù)熱處理生產(chǎn)時(shí)兩端性能指標(biāo)呈現(xiàn)出較大差值。

圖1 鍛件形狀及尺寸

2. 彎舵桿技術(shù)要求

（1）材料 20Mn鋼化學(xué)成分要求見表1。

（2）力學(xué)性能 該彎舵桿為鍛后熱處理進(jìn)行性能、無損檢測(cè)驗(yàn)收，試樣取自鍛件兩端表面近80mm位置。熱處理時(shí)鍛件一端寬度為1935mm，一端直徑為860mm。熱處理后力學(xué)性能要求見表2。

（3）超聲波檢測(cè) 該鍛件雖然尺寸落差大，但各部位無損檢測(cè)要求均相同，心部φ6mm，表層φ3mm，見表3。

3. 工藝難點(diǎn)

（1）材料分析 20Mn鋼鍛件屬低碳鋼。技術(shù)要求較國標(biāo)嚴(yán)格限制了合金元素含量，且碳當(dāng)量的要求限制了該鋼號(hào)主要元素C、Mn含量，熱處理后難以同時(shí)穩(wěn)定滿足強(qiáng)度、沖擊韌度要求。

（2）力學(xué)性能分析 由于該鍛件兩端尺寸差較大，熱處理空冷時(shí)兩端很難達(dá)到同樣冷速，并且技術(shù)要求強(qiáng)度差≤70MPa。因此，鍛件熱處理后很難控制其強(qiáng)度差要求。

（3）超聲波檢測(cè)要求 該鍛件形狀復(fù)雜，鍛造過程中為節(jié)省生產(chǎn)成本，利用現(xiàn)有附具進(jìn)行鍛造，因尺寸較大端鍛造比小，造成尺寸較大端內(nèi)部殘留較多粗大組織，對(duì)熱處理后無損檢測(cè)產(chǎn)生較大影響。

（4）熱處理變形問題 該彎舵桿屬于半長(zhǎng)軸半方鍛件，裝爐困難，尺寸落差大，很難各個(gè)位置墊平、墊實(shí)。因此，在熱處理過程中非常容易產(chǎn)生變形，并且鍛件若變形嚴(yán)重，將升高溫進(jìn)行鍛造返修，需重新進(jìn)行熱處理，從而造成較高額外生產(chǎn)成本。

4. 熱處理工藝開發(fā)

（1）材料優(yōu)化 為保證鍛件強(qiáng)度、沖擊韌度綜合性能，在滿足技術(shù)要求的前提下，制訂了20Mn鋼公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，見表4。將C、Mn含量控制在最上限，以此提高其強(qiáng)度指標(biāo)。在合金元素總和≤0.80%要求下，全部按照上限控制，以此提高鍛件強(qiáng)度、沖擊性能指標(biāo)。

（2）熱處理工藝 為降低生產(chǎn)成本，熱處理采用一次正火+回火工藝（見圖2），并在空冷時(shí)采用噴霧冷卻方式（見圖3），加速鍛件冷卻速度，并且可以有效地控制兩端冷速不均問題。通過噴霧冷卻可以獲得更加均勻的空冷組織，以此進(jìn)一步保證鍛件強(qiáng)度、沖擊性能要求，并且提高鍛件超聲波檢測(cè)效果。

表1 20Mn鋼化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 20Mn鋼彎舵桿熱處理后力學(xué)性能要求

表3 彎舵桿無損檢測(cè)要求

表4 20Mn鋼內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）變形控制 為使鍛件熱處理后變形在可控范圍，采用專用墊塊將鍛件整體墊起、墊平（見圖4），尤其是在尺寸變化的各個(gè)拐點(diǎn)處，防止了鍛件易變形處的變形趨勢(shì)。

5. 結(jié)果

通過上述方案的實(shí)施，該批20Mn鋼彎舵桿鍛件全部一次熱處理成功，無損檢測(cè)、性能檢測(cè)合格（性能檢測(cè)結(jié)果見表5），滿足鍛件各項(xiàng)技術(shù)要求，并且鍛件未產(chǎn)生較大變形，無返修發(fā)生。

6. 結(jié)語

通過材料優(yōu)化，合理控制元素含量，熱處理空冷采用噴霧冷卻方式，最終解決鍛件生產(chǎn)難題。并且成功開發(fā)出20Mn鋼彎舵桿熱處理生產(chǎn)方式，保證了鍛件產(chǎn)品質(zhì)量，降低了鍛件生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖2 20Mn鋼彎舵桿鍛后熱處理工藝

表5 20Mn鋼彎舵桿鍛件實(shí)際性能值

鍛件編號(hào) 位置 σs/MPa （0℃）/J 1 大端 322 525 29.5 65 78、80、68小端 335 535 28.5 60 80、90、92 2 大端 315 510 30.0 65 85、84、90小端 330 530 29.0 55 67、80、73 3 大端 328 528 29.0 63 70、74、69小端 340 541 27.0 55 55、63、58 Ψ AKV σb/MPa δ5（%） （%）

圖3 鍛件噴霧空冷

圖4 彎舵桿裝爐