艉軸是船舶的重要組成部分，主要用來傳遞主機功率，艉軸的工作環境比較惡劣，不僅易被海水腐蝕，大型船舶在行駛過程中艉軸還會受到壓力、拉力、扭力、彎力作用，同時還要承受多種負荷作用，會產生很大的沖擊負荷，對于冰區航行船舶，還需滿足低溫環境要求。因此，艉軸除要求具備足夠的強度外，還必須有良好的低溫沖擊韌性。本次生產艉軸材質為40Mn4，其化學成分見表1，力學性能見表2，其強度要求較高，同時還要求滿足-10℃低溫沖擊性能，對于此材質來說整體性能要求較高，采用常規生產控制方式較難達到。在此次生產過程中，通過采用合理配比化學成分、優化鍛造工藝，調整熱處理淬火工藝等方式，最終滿足了艉軸的各項力學性能要求，尤其是低溫沖擊韌性。
主要技術要求
化學成分
力學性能
兩端在距任何熱處理表面1/4 厚度或最大80mm處取縱向試樣，各檢一拉三沖，力學性能要求見表2。
超聲波檢測
鍛件應進行100%超聲波檢測，按LR 船級社要求驗收。鍛件不得有白點、裂紋、夾渣、折疊等缺陷。
非金屬夾雜物及晶粒度
由于該艉軸力學性能要求較高、鍛件重量大，我公司內控了非金屬夾雜物和晶粒度要求，見表3。該艉軸的長度在22m 以上，臺階多，直徑分布在φ490mm ～φ640mm 之間，鍛件所用的鋼錠重，鍛造難度大，熱處理冷卻困難。粗加工圖如圖1 所示。
測試與檢驗結果
化學成分
力學性能
超聲波檢測
非金屬夾雜物及晶粒度
非金屬夾雜物和晶粒度檢測結果見表6，取樣位置處晶粒度照片如圖2 所示。
過程控制與結果分析
冶煉
為保證力學性能達到買方要求，在冶煉過程中，優化配比化學成分。為提高低溫沖擊和降低艉軸的粗晶概率，將碳含量、錳含量控制在驗收成分的下限，同時為提高淬透性和沖擊性能，增加微量鉻、鎳元素，同時增加了細化晶粒元素鈮。由于該船軸用的鋼錠重且大，采用電爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣+真空澆注的工藝路線。在配料過程中優選廢鋼、生鐵等優質原材料，可提高鋼的原始純凈度。電爐冶煉過程通過采用吹氧，氧化鋼液中的碳、磷，去除氣體和夾雜物，使鋼液均勻加熱升溫；熔池中產生的CO 氣體使鋼液產生沸騰現象，使熔池受到劇烈攪拌，均勻熔池成分和溫度；上浮的CO 氣泡有利于鋼中氣體和夾雜物的排出，從而提高鋼的內部質量；爐外精煉采用埋弧加熱，氬氣攪拌，能有效控制好脫氧、脫硫、凈化鋼水，顯著提高鋼的質量；真空脫氣將鋼水包放入真空罐內，加強氬氣攪拌，在真空狀態下進行脫氣，能有效降低氣體含量和非金屬夾雜物含量。澆注過程采用真空澆注，并采用氬氣保護，減少鋼水二次氧化，提高鋼水的純凈度，可避免外來夾雜物的進入；嚴格控制真空度，能有更好的脫氣效果；采用多包澆注，有利于對鋼錠成分偏析的控制和鋼錠溫度場的控制。
鍛造及鍛后熱處理
該艉軸屬于長軸類，右端有法蘭，且法蘭右端有部分臺階軸也需要鍛出，鍛造難度級別較高。鍛造加熱過程中，嚴格控制鋼錠的加熱溫度、升溫速度、加熱保溫時間，防止過熱過燒；在鍛造過程中，嚴格控制水冒口切除量，使鍛件的純凈度得到了保障；嚴格控制鍛造火次、鍛造比和終鍛溫度，避免產生粗晶現象。該艉軸在120MN 壓機上進行鍛造，過程大致是：第一火鐓拔切水口，第二火鐓拔切肩拔長部分臺階，第三火拔長法蘭部分切肩摔子拔長部分臺階，第四火采用摔子拔長、鍛法蘭、摔子精整校直出成品。鍛造采用KD 鍛造法，并經兩次主變形方式，使心部變形區較大，有利于鍛件中心線與鋼錠中心線的重合及鍛合心部缺陷，改善鋼錠的鍛造性能，減少表面裂紋的發生，提高鍛件的內部質量�？刂谱詈笠换鸬慕K鍛溫度和變形量，提高鍛件的晶粒度；由于鍛件長度較長，采用摔子拔長精整，使該艉軸外觀質量較好。在鍛造出成品后及時安排正回火熱處理，為最終熱處理做好組織和晶粒度準備，并為力學性能指標達到提供了有利條件。
調質處理
粗加工后進行超聲波探傷，合格后進行調質處理。由于工件較長，熱處理若采用井式爐垂直懸掛方式淬火，頂端入水時間較長，且頂端與末端入水的時間差較大，很難保證頂端的力學性能，尤其是兩端抗拉強度差，所以我公司采用罩式爐艉軸平放進行加熱。在保證拉伸性能合格的條件下必須滿足低溫沖擊性能，冷卻采用水空交替較快的冷卻方式。采用罩式爐裝爐方式，淬火時，兩端入水時間基本一致，為滿足兩端抗拉強度差合格提供了有利保障。水空交替的冷卻方式使鍛件的冷卻速度可介于水冷和空冷之間，調節各次水冷和空冷時間，即可控制鍛件的冷卻速度。第一次水冷保證鍛件表面層冷卻到珠光體轉變區溫度以下，隨后空冷，空冷時間以鍛件表面溫度不超過回火溫度為限，此后水冷時間逐次減少，空冷時間逐次延長，以減少鍛件的截面溫度差，防止開裂。根據鍛件的實際成分制定了合理的淬火溫度，在產品淬火后嚴格控制終冷溫度并及時進爐回火，進一步預防應力開裂。采用較大水空交替的冷卻方式，確保了鍛件力學性能一次生產合格。調質工藝如圖3 所示。
結論
冶煉優化化學成分配比，鍛造嚴格控制水冒口切除量、采用KD 鍛造方式、控制終鍛溫度，調質處理采用水空交替較快的冷卻方式，達到了買方及LR 船級社的低溫沖擊要求。熱加工共同配合、全程聯動、精細調整，確保了產品的內在質量，并為后續生產提供了可靠的技術支撐及保證。
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