大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种汽缸盖锻件生产完成后，内部既不会出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，而且在同一平面内性能差异极微，性能稳定，并且材料利用率高的大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺，属汽缸盖制造领域。
【背景技术】
[0002]目前国内船用柴油机制造商，均采用MAN公司专利技术要求进行汽缸盖制造，因性能要求，多采用合金钢锻制，而合金钢锻件塑性、韧性等较差，锻件生产完成后，内部往往易出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，经性能检测，导致指标不符或同一平面内性能差异极大，性能不稳定。另一方面，因缸盖本身结构特点，分上、下两个不同直径的平面，且存在一个较大内孔，这使材料利用率往往较低。
[0003]即钢锭整体加热后大压下量镦粗，镦粗后错冒口，镦粗漏盘更换成大平砧，冲子冲孔后，坯料竖起，套进芯棒，滚圆完工。
1、钢锭整锭镦粗，必须采用大压下量，钢锭内部晶粒虽被打碎，起到细化作用，但对于低碳合金钢而言，其塑性相对较差，内部仍可能存在偏析，或组织不均匀，且内部会存在较大应力；
2、错冒口后大平砧上镦粗，侧面挤出量不易控制，因此需在下料时适当增加下料重量，导致生产成本上升；
3、滚圆成型后，缸盖粗加工成品尺寸分不同直径，后续工件的切削加工量非常大，机床加工费时费力；
4、超声波检测后，其内部的晶粒状态均不够稳定，存在“粗晶”现象，这个后续的热处理过程带来潜在风险。
【发明内容】
[0004]设计目的:避免【背景技术】中的不足之处，设计一种汽缸盖锻件生产完成后，内部既不会出现偏析、疏松、晶粒分布不匀等现象，而且在同一平面内性能差异极微，性能稳定，并且材料利用率高的大型低速柴油机用高性能汽缸盖及制造工艺。
[0005]设计方案:船用主机大部分时间是在满负荷情况下工作，有时在变负荷情况下运转。船舶经常在颠簸中航行，所以船用柴油机应能在纵倾15°?25°和横倾15°?35°的条件下可靠工作。本发明的大型低速柴油机用高性能汽缸盖，因其需承受高温和高压的作用，导致在机械性能方面需具有特殊的要求，一方面要求热处理均匀，组织细化，且强度分布要匀称。另一方面工件的抗疲劳强度指标必须达标，因缸盖在使用中需承受持续性的高温高压和运动所产生的负荷，其抗疲劳性能必须优良，如此方能保证其使用寿命，保证柴油机的正常运作。
[0006]低速船用柴油机汽缸盖锻件最终成品形状结构复杂，使用时为保证性能均匀稳定，具一定耐高温腐蚀性、耐冲击特性等，需对材质成分进行优化控制，另需根据使用条件，明确具体性能指标。
[0007]按目前国内常用柴油机的性能要求，其应达到下列指标:
抗拉强度2 640MPa、屈服强度2 450MPa、伸长率2 18.0%、断面收缩率2 40.0%、耐冲击韧性值AKv^ 32J, HB:190-220.成分控制:C: 0.17-0.22%、Si < 0.45%^Mn: 0.95-1.1%、P < 0.03%、S < 0.03%^Cr:0.9-1.1%、Μο:0.4-0.5%、Ni<0.4%、V:0.08-0.12%、Nb<0.005%。
[0008]一、本申请在制定如上成分控制要求，主要从以下几个方面进行了考虑:
1、钢中含碳量对机械性能有最直接的影响，随着碳当量的增加，钢种强度硬度会显著上升，但其塑性及韧性则会变差，如图5所示，因此对于此次研制，要同时考虑强度及韧性方面的影响，碳当量必须控制在一定范围，本次试制碳当量在0.17-0.22%，如此设定一方面考虑到缸盖的综合性能指标，如碳当量控制过高，对于内部偏析及耐低温冲击特性等均较难控制，另一方面精确的低碳当量控制，对锻造时的塑性要求起到正面作用；
2、P、S含量的控制，P、S在钢种属有害元素，其含量不宜过高，工件中若含有一定的S，虽在一定程度上能改善钢的切削性能，但会使钢中偏析现象严重，同时Fe与S会形成Fe S化合物，消弱晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。P与S—样，虽能改善切削，但P含量的增加，会增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，即所谓的冷脆现象，因此本次试制对原材料的控制中，把P、S元素含量均控制在0.03%以下；
3、Mn含量的控制，在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30 —
0.50%，在碳素钢中加入0.70%以上时就算“猛钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，同时Mn元素的加入能极大的提高的延展性能，反映在力学性能上，能使钢的断后伸长率有大幅提升，主要原因为在液体状态下，Mn元素结合而成的晶粒细化，单位面积上晶粒较多，且晶界连接较强，起到一定的耐腐蚀作用。但Mn含量过高，钢锭加热到奥氏体化温度后，钢种晶粒会急剧增大，脆性明显，冷却后对性能不利。综合考虑，对Mn含量设定在0.95-1.1%之间；
4、Si含量的控制，在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15—
0.30%的硅。Si的加入，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，但对钢的韧性、焊接性能等有一定负面影响，最终设定Si含量 <0.45%;
5、Cr,Mo,Ni的含量控制:铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。此次成分优化，Cr元素的控制是关键，区间设定在0.9-1.1%之间。此能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性，本项目产品需具备在高温高压下持续运行的能力，因此Mo的加入是必须的，含量精确控制在0.4-0.5%。
[0009]Ni作为稀有元素，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，适当加入对改善综合性能具有积极作用，Ni含量控制<0.4%。
[0010]6、V是钢的优良脱氧剂。钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在尚温尚压下可提尚抗氣腐蚀能力。^含量控制:0.08-0.12%;
7、Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。因此Nb含量控制<0.005%。
[0011]二、技术分析:
1.对制定的元素成分进行分析，包括单个元素以及元素与元素之间的影响，制定钢锭加热工艺，终锻温度，始锻温度的控制，始锻温度若过高，则会使晶粒急速膨胀，出现过烧现象，使内部的组织晶界发生变化而影响最终的性能，若终锻温度过低，使产品成型时的变形量不均匀，且存在较大的锻造应力，也会导致产品最终的尺寸与性能不稳定，因此首先要根据成分的配比确定科学合理的加热工艺和始终锻温度；
2.锻造工艺技术分析，该类产品按常规的锻造工艺进行生产，锻造毛坯到粗加工结束，切削量达25%，加工费时，工效低下，因此需根据产品的实际情况制定科学的锻造工艺，关键是对冲孔过程必须进行控制，因此需配备专门的芯棒，冲子，通过专用工装的设计，锻造出高利用率且质量符合要求的产品；另一方面，锻造过程中必须要对变形量进行控制，包括镦拔次数的控制等，使组织均匀分布，且应力降低到最小程度；
3.热处理工艺技术的分析，热处理主要目的是消除锻造应力，使内部组织均匀细化，且使最终的机械性能符合要求。根据具体使用情况，热处理过程中需保证淬火深度，回火时间控制，使内外部组织均匀，这需在成分优化控制的基础上，做好第一热处理，一方面保证珠光体+铁素体组织均匀细化，另一方面需消除锻造应力。
[0012]三、技术创新点:
1.在本申请人已有“一种GS24Mn6铸钢件”专利技术基础上，对成分进行优化控制，以已有专利入手，对单个元素，元素与元素间的作用进行分析，最终形成如下成分范围:C:0.17-0.22%、Si<0.45%^Mn:0.95-1.1%、P<0.03%、S<0.03%^ Cr:0.9-1.l%、Mo:0.4-0.5%、Ni<0.4%、V:0.08-0.12%、Nb<0.005%。
[0013]2.锻造工艺技术，采用新型锻造方法，设计漏盘，钢锭加热时采用分段加热技术，锻造过程控制产品表面的变化，采用快速小压下量压制技术，使锻后产品具有合格的内部质量和外观尺寸。考虑到本身材质(S20CrMoVS)塑性较差，对钢锭采用分段加热，由传统的一个钢锭生产一件缸盖，通过一次镦粗成型的锻造工艺改进为一件钢锭生产两个缸盖，钢锭通过两次大压下量镦拔，镦拔后对坯料重新锯料下料，在专用漏盘上采用单次压下量<5%的变形量的新型锻造工艺，通过新型工艺，保证工件内部被完全锻透，晶粒细化均匀，组织状态稳定。
[0014]3.热处理工艺技术的改进:传统的热处理工艺技术为毛坯锻造结束后，随即进行粗加工，再采用完全水冷的方式进行淬火，后回火。在此基础