大型船用合金鋼中間軸制造工藝研究

白 晶 劉繼紅

(石鋼京誠裝備技術有限公司)

大型船用合金鋼中間軸制造工藝研究

白 晶 劉繼紅

(石鋼京誠裝備技術有限公司)

根據船用合金鋼中間軸的技術要求，通過對成分設計，冶煉、鍛造、熱處理各個環節的嚴格管控，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現了批量生產。

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展，其配套的中間軸、螺旋槳軸等尺寸也向超長超重發展[2]，在成分方面不再是單一的碳錳鋼，而是向合金鋼方向發展，這對制造技術提出了更高的要求。近期，我公司生產試制的合金鋼中間軸長約11 m，法蘭與軸身截面差大，技術要求高，本文通過對中間軸的工藝研究，最終試制成功，獲得了滿足認證要求的性能指標，為公司一次性通過5家船級社認證打下了堅實的基礎。

1 合金鋼中間軸的技術要求

1.1 化學成分

表1 船級社要求的化學成分 質量分數 / wt%

1.2 力學性能

表2 船級社要求的力學性能指標

2 試制工藝

2.1 冶煉

采用轉爐冶煉(BOF)、爐外精煉(LF)、真空脫氣(VD)和真空澆注(VC)工藝生產鋼錠。由于該鍛件為船用鍛件，對質量要求嚴格，對煉鋼的化學成分控制及純凈度要求嚴格，成分配比難，冶煉難度大。配料時配優質廢鋼、料頭、生鐵，嚴禁混入雜質。澆注時嚴格控制注溫注速，確保散流良好。嚴控有害元素含量，最終產品分析P含量為0.010%，S含量為0.003%，完全滿足合同技術要求。

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，同時應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備。采用墩粗和拔長工藝三火次出成品，最后一火嚴控鍛比及終鍛溫度，避免晶粒粗大問題出現，總鍛比為4.4。在執行鍛造工藝過程中對裝爐溫度、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、爐氣氣氛等作了較嚴格的限制，同時，在鍛造工藝上對鍛件的變形程度、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應力，防止白點和氫脆，調整和改善大型鍛件在高溫鍛造過程中所形成的過熱和粗大組織，為最終熱處理做好準備。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去的去氫、防止白點轉變為調整組織、細化晶粒，為調質熱處理及超聲波探傷做準備。

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，加快組織轉變。再通過較長時間的保溫，在減少內外溫差和改善內外組織均勻化的同時．使奧氏體組織轉變更為充分，獲得更穩定、更均勻的轉變組織，為隨后的正火作好組織準備。

2.4 調質熱處理

為了保證爐溫均勻性，將中間軸置于電爐執行工藝。裝爐時使中間軸的法蘭遠離臺車面，將工件墊平墊實，嚴防變形。確保鍛件各部分均勻加熱，提高了鍛件加熱質量，杜絕了法蘭局部過燒、變形等現象的出現。

調質工藝如圖1所示。為節約成本和從環境保護的角度出發，選擇雙介質(水、空交替)淬火代替傳統的油淬。為了降低內應力規避開裂風險，本文采用空氣預冷和水空交替的冷卻方式來保障工件冷卻后的性能要求并防止開裂。

圖1 調質熱處理工藝

空氣預冷：工件加熱出爐后不直接去淬火而是吊在空氣中預冷，目的是使工件在高溫奧氏體穩定區緩慢冷卻，減少熱應力，減少冷卻過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裂。這個階段要保證空冷的時間足夠長而又不至于使工件在整個冷卻過程中出現性能較差的鐵素體、珠光體組織。

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

3 研制結果

3.1 化學成分

合金鋼材料的熔煉分析結果見表3。

表3 熔煉分析結果 質量分數 /wt%

3.2 力學性能

力學性能檢測結果見表4。

表4 力學性能檢測結果

3.3 金相組織

晶粒度為6.5～7級，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 結果分析

(1)圖紙和船規中并未對化學成分做具體要求，需要結合工廠的實際情況和工裝輔具、節約成本等方面設計符合我公司的鋼錠成分。為保證力學性能符合技術要求，通過設計化學成分配比見表3，從冶煉上嚴格控制成分，并在雙真空下保證氫、氧及其它雜質元素的控制。采取措施及時高效的快速脫氧、脫硫，為獲得良好的

圖3 冒口組織

綜合力學性能提供有利保證。

(2)采用合理壓實方法保證探傷要求，同時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間。嚴格把控終鍛溫度，防止晶粒粗大和混晶對下序造成的影響。

(3)由于本次試制產品為為中碳合金鋼，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險，如果采用油淬其生產成本增加很多，本試制工藝中采用了水空雙介質淬火的方式，在淬火后立即回火，防止終冷溫度低產生裂紋。通過在熱處理各個環節的控制在滿足性能的前提下，有效規避了淬裂風險，降低了成本。

5 結論

通過有效控制各個生產環節及優化熱處理工藝，使得鍛件的化學成分、金相組織及力學性能均滿足船級社認證規范的要求。在此試制結果的基礎之上，公司一次性通過了5家船級社船用合金鋼鍛件的生產認證許可。我公司研制開發的大型船用合金鋼中間軸已開始批量化生產，質量得到用戶的一致認可。

[1] 賀歡,王浩強,張蘇星等.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：國防工業出版社．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.營口(115005),石鋼京誠裝備技術有限公司;

2016—7—8