艉軸是船舶的重要組成部分，主要用來(lái)傳遞主機(jī)功率，艉軸的工作環(huán)境比較惡劣，不僅易被海水腐蝕，大型船舶在行駛過(guò)程中艉軸還會(huì)受到壓力、拉力、扭力、彎力作用，同時(shí)還要承受多種負(fù)荷作用，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊負(fù)荷，對(duì)于冰區(qū)航行船舶，還需滿足低溫環(huán)境要求。因此，艉軸除要求具備足夠的強(qiáng)度外，還必須有良好的低溫沖擊韌性。本次生產(chǎn)艉軸材質(zhì)為40Mn4，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，其強(qiáng)度要求較高，同時(shí)還要求滿足-10℃低溫沖擊性能，對(duì)于此材質(zhì)來(lái)說(shuō)整體性能要求較高，采用常規(guī)生產(chǎn)控制方式較難達(dá)到。在此次生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)采用合理配比化學(xué)成分、優(yōu)化鍛造工藝，調(diào)整熱處理淬火工藝等方式，最終滿足了艉軸的各項(xiàng)力學(xué)性能要求，尤其是低溫沖擊韌性。
主要技術(shù)要求
化學(xué)成分
化學(xué)成分要求為客戶提供的化學(xué)成分，見表1。
力學(xué)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(xué)性能要求見表2。
超聲波檢測(cè)
鍛件應(yīng)進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，按LR 船級(jí)社要求驗(yàn)收。鍛件不得有白點(diǎn)、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(xué)性能要求較高、鍛件重量大，我公司內(nèi)控了非金屬夾雜物和晶粒度要求，見表3。該艉軸的長(zhǎng)度在22m 以上，臺(tái)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(cè)試與檢驗(yàn)結(jié)果
化學(xué)成分
該艉軸40Mn4 鋼的熔煉成分結(jié)果，見表4。
力學(xué)性能
超聲波檢測(cè)
超聲波檢測(cè)結(jié)果符合LR 船級(jí)社要求。
非金屬夾雜物及晶粒度
非金屬夾雜物和晶粒度檢測(cè)結(jié)果見表6，取樣位置處晶粒度照片如圖2 所示。
過(guò)程控制與結(jié)果分析
冶煉
為保證力學(xué)性能達(dá)到買方要求，在冶煉過(guò)程中，優(yōu)化配比化學(xué)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(yàn)收成分的下限，同時(shí)為提高淬透性和沖擊性能，增加微量鉻、鎳元素，同時(shí)增加了細(xì)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(guò)程中優(yōu)選廢鋼、生鐵等優(yōu)質(zhì)原材料，可提高鋼的原始純凈度。電爐冶煉過(guò)程通過(guò)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(chǎn)生的CO 氣體使鋼液產(chǎn)生沸騰現(xiàn)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(nèi)部質(zhì)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(zhì)量；真空脫氣將鋼水包放入真空罐內(nèi)，加強(qiáng)氬氣攪拌，在真空狀態(tài)下進(jìn)行脫氣，能有效降低氣體含量和非金屬夾雜物含量。澆注過(guò)程采用真空澆注，并采用氬氣保護(hù)，減少鋼水二次氧化，提高鋼水的純凈度，可避免外來(lái)夾雜物的進(jìn)入；嚴(yán)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(duì)鋼錠成分偏析的控制和鋼錠溫度場(chǎng)的控制。
鍛造及鍛后熱處理
該艉軸屬于長(zhǎng)軸類，右端有法蘭，且法蘭右端有部分臺(tái)階軸也需要鍛出，鍛造難度級(jí)別較高。鍛造加熱過(guò)程中，嚴(yán)格控制鋼錠的加熱溫度、升溫速度、加熱保溫時(shí)間，防止過(guò)熱過(guò)燒；在鍛造過(guò)程中，嚴(yán)格控制水冒口切除量，使鍛件的純凈度得到了保障；嚴(yán)格控制鍛造火次、鍛造比和終鍛溫度，避免產(chǎn)生粗晶現(xiàn)象。該艉軸在120MN 壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，過(guò)程大致是：第一火鐓拔切水口，第二火鐓拔切肩拔長(zhǎng)部分臺(tái)階，第三火拔長(zhǎng)法蘭部分切肩摔子拔長(zhǎng)部分臺(tái)階，第四火采用摔子拔長(zhǎng)、鍛法蘭、摔子精整校直出成品。鍛造采用KD 鍛造法，并經(jīng)兩次主變形方式，使心部變形區(qū)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(fā)生，提高鍛件的內(nèi)部質(zhì)量。控制最后一火的終鍛溫度和變形量，提高鍛件的晶粒度；由于鍛件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用摔子拔長(zhǎng)精整，使該艉軸外觀質(zhì)量較好。在鍛造出成品后及時(shí)安排正回火熱處理，為最終熱處理做好組織和晶粒度準(zhǔn)備，并為力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到提供了有利條件。
調(diào)質(zhì)處理
粗加工后進(jìn)行超聲波探傷，合格后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。由于工件較長(zhǎng)，熱處理若采用井式爐垂直懸掛方式淬火，頂端入水時(shí)間較長(zhǎng)，且頂端與末端入水的時(shí)間差較大，很難保證頂端的力學(xué)性能，尤其是兩端抗拉強(qiáng)度差，所以我公司采用罩式爐艉軸平放進(jìn)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(shí)，兩端入水時(shí)間基本一致，為滿足兩端抗拉強(qiáng)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(diào)節(jié)各次水冷和空冷時(shí)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(zhuǎn)變區(qū)溫度以下，隨后空冷，空冷時(shí)間以鍛件表面溫度不超過(guò)回火溫度為限，此后水冷時(shí)間逐次減少，空冷時(shí)間逐次延長(zhǎng)，以減少鍛件的截面溫度差，防止開裂。根據(jù)鍛件的實(shí)際成分制定了合理的淬火溫度，在產(chǎn)品淬火后嚴(yán)格控制終冷溫度并及時(shí)進(jìn)爐回火，進(jìn)一步預(yù)防應(yīng)力開裂。采用較大水空交替的冷卻方式，確保了鍛件力學(xué)性能一次生產(chǎn)合格。調(diào)質(zhì)工藝如圖3 所示。
結(jié)論
冶煉優(yōu)化化學(xué)成分配比，鍛造嚴(yán)格控制水冒口切除量、采用KD 鍛造方式、控制終鍛溫度，調(diào)質(zhì)處理采用水空交替較快的冷卻方式，達(dá)到了買方及LR 船級(jí)社的低溫沖擊要求。熱加工共同配合、全程聯(lián)動(dòng)、精細(xì)調(diào)整，確保了產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，并為后續(xù)生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐及保證。
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