大型冰級(jí)船用螺旋槳軸的研制

付前進(jìn) 逯 偉 高鴻雁

(大連華銳重工鑄鋼有限公司，遼寧116000)

在現(xiàn)有的造船訂單中，冰級(jí)船的比例在增加。冰級(jí)船用螺旋槳軸鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)增加了低溫沖擊功的要求，并高于常溫要求。如溫度為-10℃時(shí)，沖擊功須大于27 J，其值遠(yuǎn)高于常溫要求的15 J正常指標(biāo)。同時(shí)，各船級(jí)社船規(guī)對(duì)軸系鍛件的爐后化學(xué)成分已經(jīng)做了明確規(guī)定，這給軸系生產(chǎn)帶來了較大的難題。

1 螺旋槳軸的基本要求

圖1是我公司為一家造船企業(yè)生產(chǎn)的螺旋槳軸鍛件，按GL船級(jí)社規(guī)定進(jìn)行取樣，其力學(xué)性能要求見表1。

表1 冰級(jí)船用螺旋槳軸力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical properties requirements of ice class marine propeller shaft

圖1 螺旋槳軸鍛件毛坯取樣Figure 1 Sampling on the forging blank of propeller shaft

2 化學(xué)成分的制定

在船用鍛件一般船級(jí)社規(guī)范中，螺旋槳軸無沖擊功要求。但是冰級(jí)船不但增加沖擊功要求，而且還要求在-10℃條件下達(dá)到27 J的沖擊功，其值遠(yuǎn)高于常溫的沖擊功要求。螺旋槳軸不允許調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，而正回火狀態(tài)下螺旋槳軸的組織狀態(tài)是珠光體。在珠光體組織狀態(tài)下，為了能在-10℃時(shí)達(dá)到27 J沖擊功的要求，只有在滿足船級(jí)社對(duì)化學(xué)成分要求的同時(shí)，采取合金強(qiáng)化。

通過分析實(shí)際生產(chǎn)中的螺旋槳軸組織狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)只有通過合金強(qiáng)化與細(xì)化晶粒的方法，才能在-10℃時(shí)達(dá)到27 J的沖擊功要求。具體化學(xué)元素含量確定原則與比例如下：

(1)碳在不調(diào)質(zhì)的條件下，主要以碳化物形式析出，過高會(huì)影響沖擊功，過低會(huì)使強(qiáng)度降低。在調(diào)質(zhì)的條件下，0.4%C的固溶量會(huì)使強(qiáng)度達(dá)到最大值。在正回火的條件下0.30%～0.60% 的含碳量，可以滿足強(qiáng)度要求。

(2)錳一般以固溶態(tài)存在，是提高淬透性的元素。同時(shí)，過量的Mn會(huì)使晶粒粗化。因此Mn限定在1.30%～1.60%是合適的。

(3)鎳也是固溶態(tài)存在的元素，能提高淬透性。但船規(guī)要求其上限值為0.4%。其加入量控制在船規(guī)的上限，并寄希望與Mn的聯(lián)合作用，對(duì)低溫沖擊會(huì)有一定的貢獻(xiàn)。

(4)鉬是有條件的形成碳化物元素，對(duì)提高強(qiáng)度、細(xì)化晶粒貢獻(xiàn)最大。但由于船規(guī)限定其值不大于0.15%，這里按上限量加入，希望對(duì)細(xì)化晶粒起一定作用。

(5)鋁、氮這兩種元素聯(lián)合控制殘余含量，目的是進(jìn)一步細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度與沖擊韌性。按船規(guī)要求控制其含量。這兩種元素的含量控制是能否達(dá)到冰級(jí)船性能指標(biāo)的關(guān)鍵。

基于以上化學(xué)成分的影響因素，為達(dá)到冰級(jí)船性能指標(biāo)，確定了內(nèi)部冶煉鋼錠的化學(xué)成分，見表2。

表2 冰級(jí)船用螺旋槳軸的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 2 Chemical compositions requirements of ice class marine propeller shaft (mass fraction,%)

3 生產(chǎn)過程執(zhí)行情況

3.1 鋼錠制備

根據(jù)鍛造工藝，需要制備的鋼錠重量為76 t，鍛件重42 200 kg。為滿足GL船級(jí)社的超聲檢測要求及內(nèi)控化學(xué)成分要求，鋼錠制備工藝如下：

(1)60 t電弧爐+15 t電弧爐粗煉鋼水。要求配碳量0.95%，并選擇不含Ni、Mo、Cr的廢鋼。出鋼條件要求溫度：1 685～1 695℃，C：0.30%，P≤0.006%。

實(shí)際執(zhí)行情況為，出鋼溫度：1 685℃，C：0.28%，P≤0.005%。

(2)LF爐精煉+VD處理

當(dāng)電爐出鋼到鋼包時(shí)，不允許電爐渣進(jìn)入鋼包，鋼水兌入LF爐前，LF包底需加入LF爐合成渣及Al錠，兌包時(shí)不允許電爐渣進(jìn)入LF包內(nèi)。補(bǔ)充合成渣及石灰至滿足脫硫要求，提溫至1 650℃做全化學(xué)分析，提溫至1 685℃以上進(jìn)行內(nèi)控化學(xué)成分的調(diào)整。

出鋼條件要求溫度1 695℃、化學(xué)成分合格，完成N、Al的內(nèi)部控制分析。

VD真空處理：LF出鋼后倒掉部分渣，留渣1.5 t左右。真空處理真空度23 Pa，保壓時(shí)間15 min～20 min。氬氣壓力根據(jù)溫度情況調(diào)整。在VD處理前，按LF出鋼前的取樣結(jié)果，補(bǔ)充加入氮化錳鐵及鋁錠至目標(biāo)值。調(diào)整渣為有利于夾雜物球化的狀態(tài)。

實(shí)際執(zhí)行情況：化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：C0.32、Si0.23、Mn1.48、P0.008、S0.005、Cr0.25、Mo0.10、Ni0.30、N 、Al目標(biāo)值。VD后〔H〕=1.1×10-6。

(3)真空澆注

經(jīng)過VD真空處理的鋼水化學(xué)成分達(dá)到內(nèi)控要求，在23 Pa的真空條件下進(jìn)行76 t鋼錠的澆注。

3.2 鍛造過程

按照?qǐng)D1鍛件毛坯取樣圖要求，在60 MN噸壓機(jī)上進(jìn)行兩次中間鐓粗及FM法壓實(shí)操作拔長后，經(jīng)過5個(gè)火次完成了鍛造。法蘭鍛造比達(dá)4.5以上，軸體鍛造比達(dá)18以上。

在從45 MN增壓到60 MN的快鍛油壓機(jī)上對(duì)76 t鋼錠進(jìn)行鐓粗，鐓粗直徑達(dá)到?2 650 mm。

對(duì)于FM法壓實(shí)操作，由于壓機(jī)噸位的原因，很難在鐓粗的同一火次內(nèi)完成壓實(shí)操作，應(yīng)按等效方截面=0.815×?鐓粗直徑，進(jìn)行簡單規(guī)方，然后下一火次在高溫的條件下進(jìn)行壓實(shí)操作。這也符合壓實(shí)并焊合的條件，即高溫1 100℃，壓力、應(yīng)力偏張量下產(chǎn)生變形。其操作技巧是在任何條件下不得形成平行四邊形界面，以避免在平行四邊形的長軸中心線上產(chǎn)生剪切應(yīng)力，形成剪切滑移裂紋。

3.3 鍛后熱處理

由于第二次鐓粗后，無法在FM法輔具的條件下直接拔長出成品，需要重新高溫加熱，導(dǎo)致局部鍛比小于1.35，屬于無鍛比加熱。按照力學(xué)性能及低溫沖擊要求，必須調(diào)整晶粒度達(dá)到4級(jí)以上。為彌補(bǔ)微合金化對(duì)細(xì)化晶粒的不足，決定進(jìn)行兩次正火。鍛后性能熱處理曲線見圖2。

第一次正火溫度選擇契爾諾夫B點(diǎn)，這是為了既不使奧氏體化時(shí)晶粒粗化，又可以獲得均勻的奧氏體晶粒，給第二次正火作好預(yù)備晶粒度準(zhǔn)備。

第二次正火執(zhí)行正常的正火工序，此時(shí)細(xì)化晶粒的主要元素為N、Al。這兩種元素的微量加入可以形成AlN、Al2O3化合物。該化合物在契爾諾夫B點(diǎn)溫度下可沿晶界析出，使之在第二次正火時(shí)以AlN、Al2O3重新結(jié)晶，形成較細(xì)的奧氏體。其他微量元素對(duì)細(xì)化晶粒起一定作用，但由于加入量的限制，起到的細(xì)化晶粒作用次之。

三次過冷的溫度與時(shí)間必須足夠使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，不應(yīng)存在殘余奧氏體。第一次過冷如果存在殘余奧氏體，在契爾諾夫B點(diǎn)溫度下，沒有任何組織轉(zhuǎn)變，此次正火失效。第二次過冷如果存在殘余奧氏體，二次正火就不會(huì)有細(xì)化晶粒的作用。第三次過冷如果存在殘余奧氏體的話，由于殘余奧氏體對(duì)氫的固溶含量可以達(dá)到4.8×10-6，這會(huì)給回火時(shí)的擴(kuò)氫帶來不利。

3.4 檢測結(jié)果

螺旋槳軸經(jīng)過毛坯取樣，其力學(xué)性能檢測結(jié)果如表3所示，完全符合GL船級(jí)社規(guī)范要求。

圖2 鍛后性能熱處理曲線Figure 2 The curve of post forging heat treatment

類別Rp0.2/MPaRm/MPaA(%)Z(%)CVN/JCVN(-10℃)/J實(shí)測值40165924615431 35 32

4 結(jié)論

通過對(duì)螺旋槳軸的化學(xué)成分的微合金化調(diào)整，以及對(duì)冶煉、鍛造、鍛后熱處理工藝的調(diào)整，使得冰級(jí)船用螺旋槳軸的性能檢測結(jié)果完全符合船級(jí)社要求。

[1] 康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理.北京：龍門書局，1998.

[2] 付前進(jìn).FM鍛造法在支承輥的應(yīng)用.大型鑄鍛件，1996(1).

[3] 鋼鐵冶金學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[4] 崔成萬.新型精煉渣的研制應(yīng)用.大型鑄鍛件，2008(1).