大型船用吊鉤鍛件淬火冷卻方式的研究

楊曉禹，王洪斌，張彩紅

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江 齊齊哈爾 161042)

目前使用的大型船用四爪吊鉤多為鑄件，使用過程中在鉤爪的U型彎部位應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)龜裂，需要反復(fù)返修，給大型起重船造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。大型船用吊鉤未來發(fā)展趨勢，首先是由鑄件改為鍛件，再由普通鍛件改為全纖維仿形鍛造鍛件，從而大幅提高吊鉤的起吊能力與安全可靠性，同時減少大型起重船靠岸檢修時間，提升大型起重船的商業(yè)運行效率與經(jīng)濟(jì)效益。

圖1為全纖維仿形鍛造的5000噸級船用四爪吊鉤鍛件，為變截面鍛件，性能要求較高，采用劇烈的淬火方式極易導(dǎo)致鍛件開裂[1]。本文通過設(shè)計3組熱處理實驗，對比了不同淬火冷卻方式對鍛件性能的影響，確定淬火冷卻方式；然后利用Deform軟件模擬計算水冷過程中鍛件各部位的應(yīng)力和溫度變化，確定了最佳的淬火工藝參數(shù)，從而獲得了綜合性能較好的鍛件[2]。

圖1 大型船用四爪吊鉤三維造型

1 鍛件材質(zhì)及性能要求

本文中大型船用吊鉤鍛件材質(zhì)為30CrNiMo8，化學(xué)成分見表1，機械性能要求見表2。取樣位置為近內(nèi)孔表面80 mm處。

表1 鍛件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 機械性能要求

2 試驗方法

2.1 淬火冷卻方式的確定

對于30CrNiMo8材質(zhì)鍛件大部分僅要求室溫或0 ℃沖擊韌性，對-30 ℃沖擊韌性的研究較少，為得到強度和-30 ℃沖擊功均滿足設(shè)計要求的吊鉤鍛件，必須提高鍛件的淬火冷卻速率。但吊鉤鍛件為變截面鍛件，不同位置的淬火厚度為300～1100 mm，上端取樣位置處的淬火厚度為340 mm，下端取樣位置處的淬火厚度為1080 mm，截面尺寸相差極大，且鍛件碳含量相對較高，劇烈的淬火方式會在鍛件內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，極易導(dǎo)致鍛件開裂[3]。

為了確定吊鉤鍛件的淬火工藝參數(shù)，進(jìn)行淬火熱處理模擬實驗，如圖2和圖3所示，分別采用水冷和油冷的冷卻方式，并檢測取樣位置處的機械性能，根據(jù)冷卻特性曲線確定冷卻速率[4]。

圖2 吊鉤鍛件采用水冷的熱處理工藝

圖3 吊鉤鍛件采用油冷的熱處理工藝

表3為不同熱處理工藝下鍛件的機械性能。由表3可知，油冷時，鍛件的-30 ℃沖擊功偏低，不能滿足鍛件的性能要求；水冷時，鍛件的強度和-30 ℃沖擊功均滿足性能要求。因此，吊鉤鍛件淬火時不能采用單一油淬的冷卻方式。吊鉤鍛件的碳當(dāng)量約為0.67，原則上可以采用水淬的冷卻方式，但吊鉤鍛件為異形件，截面尺寸變化較大，如一直采用水冷，鍛件內(nèi)部的應(yīng)力極大，會增加鍛件開裂傾向。綜合考慮性能和鍛件的實際形狀尺寸情況，熱處理工藝最終確定采用先水冷后油冷的冷卻方式，以期在保證鍛件性能的同時降低開裂的風(fēng)險。

表3 不同熱處理工藝下鍛件的機械性能

2.2 淬火水冷時間的確定

淬火水冷時間對鍛件的性能有重要的影響，鍛件水冷時間太短，鍛件性能無法滿足要求；水冷時間太長，又易導(dǎo)致鍛件開裂。為了確定最佳的水冷時間，利用deform軟件模擬吊鉤鍛件水冷過程中鍛件各部位應(yīng)力和溫度的變化。圖4為模擬得到的吊鉤鍛件水冷15 min后溫度和應(yīng)力的分布，P1和P2為鍛件的取樣位置處。模擬結(jié)果表明，鍛件水冷15 min后，取樣位置處溫度降低到600 ℃左右，已經(jīng)基本避開了珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，后期降溫速度變慢也基本不會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變；同時鍛件鉤爪處的有效應(yīng)力達(dá)到了1400 MPa，基本上達(dá)到了該鍛件的屈服強度。為了保證鍛件不開裂，確定鍛件水冷時間為15 min[5]。

圖4 吊鉤鍛件水冷15 min后溫度和應(yīng)力的分布

3 試驗結(jié)果

根據(jù)模擬計算結(jié)果最終制定的熱處理工藝如圖5所示[6]，吊鉤鍛件熱處理后的機械性能見表4。由表4可知，鍛件的屈服強度和-30 ℃沖擊功均滿足性能要求，機械性能較好。

表4 吊鉤鍛件機械性能檢測結(jié)果

圖5 吊鉤鍛件的熱處理工藝

4 結(jié)論

根據(jù)熱處理試驗和軟件模擬計算結(jié)果，確定了吊鉤鍛件的冷卻方式和冷卻時間，制定了最佳的熱處理工藝。最佳淬火冷卻方式為：水冷15 min后油冷190～200 min。此時鍛件的強度和-30 ℃沖擊功均滿足設(shè)計要求。經(jīng)實際生產(chǎn)，最終獲得了機械性能良好的大型船用吊鉤鍛件。