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        大型船用彎舵桿鍛件熱處理工藝

        2015-07-10 09:33:28姜曉霞黃保國
        金屬加工(熱加工) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:鍛件形狀熱處理

        ■ 姜曉霞,黃保國

        近期,我公司生產(chǎn)的某船廠用20Mn材質(zhì)大型彎舵桿鍛件(見圖1),長約11m,重約55t,需采用鍛造方式生產(chǎn)。該鍛件形狀較為復(fù)雜,且因尺寸落差較大,技術(shù)要求較高,實際生產(chǎn)中很難一次熱處理滿足要求。因此,實際生產(chǎn)中我們通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,制訂了熱處理生產(chǎn)方案,最終達到一次熱處理滿足各項性能指標(biāo)及超聲波檢測要求。

        1. 鍛件形狀及尺寸

        鍛件形狀及尺寸如圖1所示。該鍛件形狀較為復(fù)雜,而且兩端尺寸差較大,在后續(xù)熱處理生產(chǎn)時兩端性能指標(biāo)呈現(xiàn)出較大差值。

        圖1 鍛件形狀及尺寸

        2. 彎舵桿技術(shù)要求

        (1)材料 20Mn鋼化學(xué)成分要求見表1。

        (2)力學(xué)性能 該彎舵桿為鍛后熱處理進行性能、無損檢測驗收,試樣取自鍛件兩端表面近80mm位置。熱處理時鍛件一端寬度為1935mm,一端直徑為860mm。熱處理后力學(xué)性能要求見表2。

        (3)超聲波檢測 該鍛件雖然尺寸落差大,但各部位無損檢測要求均相同,心部φ6mm,表層φ3mm,見表3。

        3. 工藝難點

        (1)材料分析 20Mn鋼鍛件屬低碳鋼。技術(shù)要求較國標(biāo)嚴(yán)格限制了合金元素含量,且碳當(dāng)量的要求限制了該鋼號主要元素C、Mn含量,熱處理后難以同時穩(wěn)定滿足強度、沖擊韌度要求。

        (2)力學(xué)性能分析 由于該鍛件兩端尺寸差較大,熱處理空冷時兩端很難達到同樣冷速,并且技術(shù)要求強度差≤70MPa。因此,鍛件熱處理后很難控制其強度差要求。

        (3)超聲波檢測要求 該鍛件形狀復(fù)雜,鍛造過程中為節(jié)省生產(chǎn)成本,利用現(xiàn)有附具進行鍛造,因尺寸較大端鍛造比小,造成尺寸較大端內(nèi)部殘留較多粗大組織,對熱處理后無損檢測產(chǎn)生較大影響。

        (4)熱處理變形問題 該彎舵桿屬于半長軸半方鍛件,裝爐困難,尺寸落差大,很難各個位置墊平、墊實。因此,在熱處理過程中非常容易產(chǎn)生變形,并且鍛件若變形嚴(yán)重,將升高溫進行鍛造返修,需重新進行熱處理,從而造成較高額外生產(chǎn)成本。

        4. 熱處理工藝開發(fā)

        (1)材料優(yōu)化 為保證鍛件強度、沖擊韌度綜合性能,在滿足技術(shù)要求的前提下,制訂了20Mn鋼公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn),見表4。將C、Mn含量控制在最上限,以此提高其強度指標(biāo)。在合金元素總和≤0.80%要求下,全部按照上限控制,以此提高鍛件強度、沖擊性能指標(biāo)。

        (2)熱處理工藝 為降低生產(chǎn)成本,熱處理采用一次正火+回火工藝(見圖2),并在空冷時采用噴霧冷卻方式(見圖3),加速鍛件冷卻速度,并且可以有效地控制兩端冷速不均問題。通過噴霧冷卻可以獲得更加均勻的空冷組織,以此進一步保證鍛件強度、沖擊性能要求,并且提高鍛件超聲波檢測效果。

        表1 20Mn鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表2 20Mn鋼彎舵桿熱處理后力學(xué)性能要求

        表3 彎舵桿無損檢測要求

        表4 20Mn鋼內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        (3)變形控制 為使鍛件熱處理后變形在可控范圍,采用專用墊塊將鍛件整體墊起、墊平(見圖4),尤其是在尺寸變化的各個拐點處,防止了鍛件易變形處的變形趨勢。

        5. 結(jié)果

        通過上述方案的實施,該批20Mn鋼彎舵桿鍛件全部一次熱處理成功,無損檢測、性能檢測合格(性能檢測結(jié)果見表5),滿足鍛件各項技術(shù)要求,并且鍛件未產(chǎn)生較大變形,無返修發(fā)生。

        6. 結(jié)語

        通過材料優(yōu)化,合理控制元素含量,熱處理空冷采用噴霧冷卻方式,最終解決鍛件生產(chǎn)難題。并且成功開發(fā)出20Mn鋼彎舵桿熱處理生產(chǎn)方式,保證了鍛件產(chǎn)品質(zhì)量,降低了鍛件生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)品市場競爭力。

        圖2 20Mn鋼彎舵桿鍛后熱處理工藝

        表5 20Mn鋼彎舵桿鍛件實際性能值

        鍛件編號 位置 σs/MPa (0℃)/J 1 大端 322 525 29.5 65 78、80、68小端 335 535 28.5 60 80、90、92 2 大端 315 510 30.0 65 85、84、90小端 330 530 29.0 55 67、80、73 3 大端 328 528 29.0 63 70、74、69小端 340 541 27.0 55 55、63、58 Ψ AKV σb/MPa δ5(%) (%)

        圖3 鍛件噴霧空冷

        圖4 彎舵桿裝爐

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