大型船用合金鋼中間軸制造工藝研究

白 晶 劉繼紅

(石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司)

大型船用合金鋼中間軸制造工藝研究

白 晶 劉繼紅

(石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司)

根據(jù)船用合金鋼中間軸的技術(shù)要求，通過(guò)對(duì)成分設(shè)計(jì)，冶煉、鍛造、熱處理各個(gè)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格管控，最終試制成功了在性能，金相組織方面都滿足要求的合金鋼中間軸并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

船用合金鋼中間軸 鍛件 工藝研究

0 前言

船用軸鍛件是船舶的重要部件，在船舶制造中占有重要地位[1]。隨著船舶的大型化發(fā)展，其配套的中間軸、螺旋槳軸等尺寸也向超長(zhǎng)超重發(fā)展[2]，在成分方面不再是單一的碳錳鋼，而是向合金鋼方向發(fā)展，這對(duì)制造技術(shù)提出了更高的要求。近期，我公司生產(chǎn)試制的合金鋼中間軸長(zhǎng)約11 m，法蘭與軸身截面差大，技術(shù)要求高，本文通過(guò)對(duì)中間軸的工藝研究，最終試制成功，獲得了滿足認(rèn)證要求的性能指標(biāo)，為公司一次性通過(guò)5家船級(jí)社認(rèn)證打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 合金鋼中間軸的技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

表1 船級(jí)社要求的化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù) / wt%

1.2 力學(xué)性能

表2 船級(jí)社要求的力學(xué)性能指標(biāo)

2 試制工藝

2.1 冶煉

采用轉(zhuǎn)爐冶煉(BOF)、爐外精煉(LF)、真空脫氣(VD)和真空澆注(VC)工藝生產(chǎn)鋼錠。由于該鍛件為船用鍛件，對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)格，對(duì)煉鋼的化學(xué)成分控制及純凈度要求嚴(yán)格，成分配比難，冶煉難度大。配料時(shí)配優(yōu)質(zhì)廢鋼、料頭、生鐵，嚴(yán)禁混入雜質(zhì)。澆注時(shí)嚴(yán)格控制注溫注速，確保散流良好。嚴(yán)控有害元素含量，最終產(chǎn)品分析P含量為0.010%，S含量為0.003%，完全滿足合同技術(shù)要求。

2.2 鍛造

鋼錠脫模后熱送至鍛造廠，選擇合理的鋼錠加熱速度，同時(shí)應(yīng)該注意鋼錠各部分受熱充分、均勻，以降低金屬的變形抗力，為鍛造變形做充分的準(zhǔn)備。采用墩粗和拔長(zhǎng)工藝三火次出成品，最后一火嚴(yán)控鍛比及終鍛溫度，避免晶粒粗大問(wèn)題出現(xiàn)，總鍛比為4.4。在執(zhí)行鍛造工藝過(guò)程中對(duì)裝爐溫度、加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、爐氣氣氛等作了較嚴(yán)格的限制，同時(shí)，在鍛造工藝上對(duì)鍛件的變形程度、變形溫度等都作了定量要求，最終鍛出了合格成品。

2.3 鍛后熱處理

鍛后熱處理的主要目的是消除內(nèi)應(yīng)力，防止白點(diǎn)和氫脆，調(diào)整和改善大型鍛件在高溫鍛造過(guò)程中所形成的過(guò)熱和粗大組織，為最終熱處理做好準(zhǔn)備。我公司采用雙真空熔煉，鋼中的含氫量已得到了有效的控制。因此，鍛后熱處理的主要目的已由過(guò)去的去氫、防止白點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)整組織、細(xì)化晶粒，為調(diào)質(zhì)熱處理及超聲波探傷做準(zhǔn)備。

由于鍛后鍛件表面溫度還在750 ℃以上．心部溫度也在1 000 ℃左右，所以，鍛件空冷至400 ℃～450 ℃左右保溫，加快組織轉(zhuǎn)變。再通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，在減少內(nèi)外溫差和改善內(nèi)外組織均勻化的同時(shí)．使奧氏體組織轉(zhuǎn)變更為充分，獲得更穩(wěn)定、更均勻的轉(zhuǎn)變組織，為隨后的正火作好組織準(zhǔn)備。

2.4 調(diào)質(zhì)熱處理

為了保證爐溫均勻性，將中間軸置于電爐執(zhí)行工藝。裝爐時(shí)使中間軸的法蘭遠(yuǎn)離臺(tái)車面，將工件墊平墊實(shí)，嚴(yán)防變形。確保鍛件各部分均勻加熱，提高了鍛件加熱質(zhì)量，杜絕了法蘭局部過(guò)燒、變形等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

調(diào)質(zhì)工藝如圖1所示。為節(jié)約成本和從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，選擇雙介質(zhì)(水、空交替)淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油淬。為了降低內(nèi)應(yīng)力規(guī)避開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，本文采用空氣預(yù)冷和水空交替的冷卻方式來(lái)保障工件冷卻后的性能要求并防止開(kāi)裂。

圖1 調(diào)質(zhì)熱處理工藝

空氣預(yù)冷：工件加熱出爐后不直接去淬火而是吊在空氣中預(yù)冷，目的是使工件在高溫奧氏體穩(wěn)定區(qū)緩慢冷卻，減少熱應(yīng)力，減少冷卻過(guò)程中截面上的溫度差，減少工件的蓄熱量，為增加之后快冷階段的冷卻速率提供了條件，還可以有效的避免工件開(kāi)裂。這個(gè)階段要保證空冷的時(shí)間足夠長(zhǎng)而又不至于使工件在整個(gè)冷卻過(guò)程中出現(xiàn)性能較差的鐵素體、珠光體組織。

雙介質(zhì)淬火冷卻：由于中間軸的軸身和法蘭的截面差較大，直接水浸淬火易產(chǎn)生裂紋，采用“空冷+水冷+空冷+水冷+空冷”的雙介質(zhì)多循環(huán)淬火冷卻方式不但力學(xué)性能滿足要求，而且也避免了開(kāi)裂產(chǎn)生。

3 研制結(jié)果

3.1 化學(xué)成分

合金鋼材料的熔煉分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熔煉分析結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù) /wt%

3.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3.3 金相組織

晶粒度為6.5～7級(jí)，顯微組織是回火索氏體十貝氏體+極少量鐵素體，如圖2,圖3所示。

圖2 水口組織

4 結(jié)果分析

(1)圖紙和船規(guī)中并未對(duì)化學(xué)成分做具體要求，需要結(jié)合工廠的實(shí)際情況和工裝輔具、節(jié)約成本等方面設(shè)計(jì)符合我公司的鋼錠成分。為保證力學(xué)性能符合技術(shù)要求，通過(guò)設(shè)計(jì)化學(xué)成分配比見(jiàn)表3，從冶煉上嚴(yán)格控制成分，并在雙真空下保證氫、氧及其它雜質(zhì)元素的控制。采取措施及時(shí)高效的快速脫氧、脫硫，為獲得良好的

圖3 冒口組織

綜合力學(xué)性能提供有利保證。

(2)采用合理壓實(shí)方法保證探傷要求，同時(shí)保證鋼錠頭部和尾部有足夠的切除量。成形火次留有足夠鍛比，合理控制加熱溫度及保溫時(shí)間。嚴(yán)格把控終鍛溫度，防止晶粒粗大和混晶對(duì)下序造成的影響。

(3)由于本次試制產(chǎn)品為為中碳合金鋼，且法蘭與軸身尺寸相差大，用完全水浸的淬火工藝有很大的淬裂風(fēng)險(xiǎn)，如果采用油淬其生產(chǎn)成本增加很多，本試制工藝中采用了水空雙介質(zhì)淬火的方式，在淬火后立即回火，防止終冷溫度低產(chǎn)生裂紋。通過(guò)在熱處理各個(gè)環(huán)節(jié)的控制在滿足性能的前提下，有效規(guī)避了淬裂風(fēng)險(xiǎn)，降低了成本。

5 結(jié)論

通過(guò)有效控制各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及優(yōu)化熱處理工藝，使得鍛件的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能均滿足船級(jí)社認(rèn)證規(guī)范的要求。在此試制結(jié)果的基礎(chǔ)之上，公司一次性通過(guò)了5家船級(jí)社船用合金鋼鍛件的生產(chǎn)認(rèn)證許可。我公司研制開(kāi)發(fā)的大型船用合金鋼中間軸已開(kāi)始批量化生產(chǎn)，質(zhì)量得到用戶的一致認(rèn)可。

[1] 賀歡,王浩強(qiáng),張?zhí)K星等.船用軸鍛件低溫沖擊韌性研究[J]. 大型鑄鍛件,2014(5):34-35

[2] 孫興邦，孫銀海，王松林等．船用大鍛件的熱處理[M]．第二版，北京：國(guó)防工業(yè)出版社．1987：4．

RESEARCH ON MANUFACTURING PROCESS OF LARGE MARINE ALLOY INTERMEDIATE SHAFTING

Bai Jing Liu Jihong

(ShiGang JingCheng Development and Equipment Manufacturing Co.,Ltd)

According to technical requirements of marine alloy intermediate shafting, through strengthen process quality control of chemical composition, smelting process, forging process and heat treatment process, the marine alloy intermediate shafting is produced successfully. The mechanical property and metallographic structure meet the technical requirements.

marine alloy intermediate shafting forging process research

?工程師,遼寧.營(yíng)口(115005),石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司;

2016—7—8