大型冰级船用螺旋桨轴的研制

2013-09-23付前进高鸿雁

大型铸锻件 2013年4期

付前进逯伟高鸿雁

(大连华锐重工铸钢有限公司，辽宁116000)

在现有的造船订单中，冰级船的比例在增加。冰级船用螺旋桨轴锻件的力学性能指标增加了低温冲击功的要求，并高于常温要求。如温度为-10℃时，冲击功须大于27 J，其值远高于常温要求的15 J正常指标。同时，各船级社船规对轴系锻件的炉后化学成分已经做了明确规定，这给轴系生产带来了较大的难题。

1 螺旋桨轴的基本要求

图1是我公司为一家造船企业生产的螺旋桨轴锻件，按GL船级社规定进行取样，其力学性能要求见表1。

表1 冰级船用螺旋桨轴力学性能要求Table 1 Mechanical properties requirements of ice class marine propeller shaft

图1 螺旋桨轴锻件毛坯取样Figure 1 Sampling on the forging blank of propeller shaft

2 化学成分的制定

在船用锻件一般船级社规范中，螺旋桨轴无冲击功要求。但是冰级船不但增加冲击功要求，而且还要求在-10℃条件下达到27 J的冲击功，其值远高于常温的冲击功要求。螺旋桨轴不允许调质状态交货，而正回火状态下螺旋桨轴的组织状态是珠光体。在珠光体组织状态下，为了能在-10℃时达到27 J冲击功的要求，只有在满足船级社对化学成分要求的同时，采取合金强化。

通过分析实际生产中的螺旋桨轴组织状态，发现只有通过合金强化与细化晶粒的方法，才能在-10℃时达到27 J的冲击功要求。具体化学元素含量确定原则与比例如下：

(1)碳在不调质的条件下，主要以碳化物形式析出，过高会影响冲击功，过低会使强度降低。在调质的条件下，0.4%C的固溶量会使强度达到最大值。在正回火的条件下0.30%～0.60% 的含碳量，可以满足强度要求。

(2)锰一般以固溶态存在，是提高淬透性的元素。同时，过量的Mn会使晶粒粗化。因此Mn限定在1.30%～1.60%是合适的。

(3)镍也是固溶态存在的元素，能提高淬透性。但船规要求其上限值为0.4%。其加入量控制在船规的上限，并寄希望与Mn的联合作用，对低温冲击会有一定的贡献。

(4)钼是有条件的形成碳化物元素，对提高强度、细化晶粒贡献最大。但由于船规限定其值不大于0.15%，这里按上限量加入，希望对细化晶粒起一定作用。

(5)铝、氮这两种元素联合控制残余含量，目的是进一步细化晶粒、提高强度与冲击韧性。按船规要求控制其含量。这两种元素的含量控制是能否达到冰级船性能指标的关键。

基于以上化学成分的影响因素，为达到冰级船性能指标，确定了内部冶炼钢锭的化学成分，见表2。

表2 冰级船用螺旋桨轴的化学成分要求(质量分数，%) Table 2 Chemical compositions requirements of ice class marine propeller shaft (mass fraction,%)

3 生产过程执行情况

3.1 钢锭制备

根据锻造工艺，需要制备的钢锭重量为76 t，锻件重42 200 kg。为满足GL船级社的超声检测要求及内控化学成分要求，钢锭制备工艺如下：

(1)60 t电弧炉+15 t电弧炉粗炼钢水。要求配碳量0.95%，并选择不含Ni、Mo、Cr的废钢。出钢条件要求温度：1 685～1 695℃，C：0.30%，P≤0.006%。

实际执行情况为，出钢温度：1 685℃，C：0.28%，P≤0.005%。

(2)LF炉精炼+VD处理

当电炉出钢到钢包时，不允许电炉渣进入钢包，钢水兑入LF炉前，LF包底需加入LF炉合成渣及Al锭，兑包时不允许电炉渣进入LF包内。补充合成渣及石灰至满足脱硫要求，提温至1 650℃做全化学分析，提温至1 685℃以上进行内控化学成分的调整。

出钢条件要求温度1 695℃、化学成分合格，完成N、Al的内部控制分析。

VD真空处理：LF出钢后倒掉部分渣，留渣1.5 t左右。真空处理真空度23 Pa，保压时间15 min～20 min。氩气压力根据温度情况调整。在VD处理前，按LF出钢前的取样结果，补充加入氮化锰铁及铝锭至目标值。调整渣为有利于夹杂物球化的状态。

实际执行情况：化学成分(质量分数，%)：C0.32、Si0.23、Mn1.48、P0.008、S0.005、Cr0.25、Mo0.10、Ni0.30、N 、Al目标值。VD后〔H〕=1.1×10-6。

(3)真空浇注

经过VD真空处理的钢水化学成分达到内控要求，在23 Pa的真空条件下进行76 t钢锭的浇注。

3.2 锻造过程

按照图1锻件毛坯取样图要求，在60 MN吨压机上进行两次中间镦粗及FM法压实操作拔长后，经过5个火次完成了锻造。法兰锻造比达4.5以上，轴体锻造比达18以上。

在从45 MN增压到60 MN的快锻油压机上对76 t钢锭进行镦粗，镦粗直径达到∅2 650 mm。

对于FM法压实操作，由于压机吨位的原因，很难在镦粗的同一火次内完成压实操作，应按等效方截面=0.815×∅镦粗直径，进行简单规方，然后下一火次在高温的条件下进行压实操作。这也符合压实并焊合的条件，即高温1 100℃，压力、应力偏张量下产生变形。其操作技巧是在任何条件下不得形成平行四边形界面，以避免在平行四边形的长轴中心线上产生剪切应力，形成剪切滑移裂纹。

3.3 锻后热处理

由于第二次镦粗后，无法在FM法辅具的条件下直接拔长出成品，需要重新高温加热，导致局部锻比小于1.35，属于无锻比加热。按照力学性能及低温冲击要求，必须调整晶粒度达到4级以上。为弥补微合金化对细化晶粒的不足，决定进行两次正火。锻后性能热处理曲线见图2。

第一次正火温度选择契尔诺夫B点，这是为了既不使奥氏体化时晶粒粗化，又可以获得均匀的奥氏体晶粒，给第二次正火作好预备晶粒度准备。

第二次正火执行正常的正火工序，此时细化晶粒的主要元素为N、Al。这两种元素的微量加入可以形成AlN、Al2O3化合物。该化合物在契尔诺夫B点温度下可沿晶界析出，使之在第二次正火时以AlN、Al2O3重新结晶，形成较细的奥氏体。其他微量元素对细化晶粒起一定作用，但由于加入量的限制，起到的细化晶粒作用次之。

三次过冷的温度与时间必须足够使奥氏体转变为珠光体，不应存在残余奥氏体。第一次过冷如果存在残余奥氏体，在契尔诺夫B点温度下，没有任何组织转变，此次正火失效。第二次过冷如果存在残余奥氏体，二次正火就不会有细化晶粒的作用。第三次过冷如果存在残余奥氏体的话，由于残余奥氏体对氢的固溶含量可以达到4.8×10-6，这会给回火时的扩氢带来不利。