耐低温用大型螺旋桨轴及制造工艺的制作方法

本发明涉及一种采用碳钢或碳锰钢制造大型螺旋浆轴，不仅从根本上能够解决大型螺旋浆轴锻后锻件粗晶和混晶现象，而且能够满足大型螺旋浆轴低温冲击韧性要求的耐低温用大型螺旋桨轴及制造工艺，属大型螺旋浆轴制造领域。

背景技术：

耐低温用大型船用螺旋桨轴是船舶中的关键部件，在船舶制造中占有重要地位，该轴粗加工后的尺寸如图3所示。在大型螺旋浆轴制造领域，目前国外都用合金钢生产，而不用碳钢或碳锰钢生产，纠其原因在于碳钢或碳锰钢大型锻件往往容易产生混晶，晶粒难以细化等因素的影响，会对低温冲击韧性不利。因为采用大型螺旋浆轴碳钢或碳锰钢大型锻件制造有以下几个难点：一是由于该螺旋桨轴长度长，直径大，锻后往往造成锻件粗晶和混晶现象，给锻后热处理造成很大困难。如果不解决粗晶和混晶的问题，那么锻件经调质后的机械性能，特别是低温冲击韧性就无法满足客户要求；二是传统碳钢或碳锰钢本身的淬透性比较差，而对大直径的大型锻件来说，影响更大，按各船级社的取样要求，低温冲击韧性无法达到要求。

具体体现在：

1、现有船用轴系锻件化学成分：

碳钢或碳锰钢由于受淬透性的影响，所以对有冰区加强要求的大型船用轴系锻件，目前国外都用合金钢生产，另外，碳钢或碳锰钢大型锻件往往容易产生混晶，晶粒难以细化等因素的影响，也会对低温冲击韧性不利。

船用轴系锻件的机械性能要求

2、碳钢和碳锰钢调质后的机械性能测试结果：

采用45钢和40Mn钢生产的锻件经不同热处理工艺热处理后，做了机械性能试验，结果如下：

(1)45钢经860℃正火和650℃回火，再经840℃淬火和590℃回火后和45钢经890℃正火和650℃回火，再经860℃淬火和600℃回火后的机械性能如下表.

45钢螺旋桨轴的机械性能

从上表结果我们可以看出，45钢生产的螺旋桨轴经两种不同工艺热处理后的机械性能基本相同，都是抗拉指标均符合指标要求，但是低温冲击韧性达不到指标要求。

(2)40Mn钢经860℃正火和650℃回火，再经840℃淬火和590℃回火和40Mn钢经890℃正火650℃回火，再经860℃淬火和600℃回火的机械性能如下表。

40Mn螺旋桨轴的机械性能

从上表的结果看，40Mn钢生产的螺旋桨轴，低温冲击韧性仍满足不了指标要求，而且其强度也只能基本达到指标要求。

技术实现要素：

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种采用碳钢或碳锰钢制造大型螺旋浆轴，不仅从根本上能够解决大型螺旋浆轴锻后锻件粗晶和混晶现象，而且能够满足大型螺旋浆轴低温冲击韧性 要求的耐低温用大型螺旋桨轴及制造工艺。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、化学成份的优化：根据该螺旋桨轴的机械性能指标要求，如采用传统的碳钢或碳锰钢经调质处理后，其强度指标完全能满足要求，关键是低温冲击韧性达不到要求，而冲击韧性与材料的晶粒度和金相组织有密切关系，调质后的回火索氏体组织冲击韧性最高，其次是贝氏体组织和珠光体加铁素体组。在实际生产条件下，由于受锻件化学成份尺寸等因素的影响，往往不可能全部获得回火索氏体组。因此为了提高低温冲击韧性，提高锻件的淬透性，改善锻件的金相组织是关键；其次，锻件晶粒的细化不仅能提高其强度，对冲击韧性的提高更明显，而合金元素的加入能提高锻件的淬透性。Mn的加入不仅提高其淬透性，还能提高其低温冲击韧性，但Mn含量过高，容易造成锻件夹杂物偏析等缺陷严重，导致超声波探伤不合格，另外Cr、Ni、Mo等元素也能有效地提高锻件的淬透性和细化晶粒，特别是Cr、Ni、Mo同时存在时，比单独存在时更能有效地提高其淬透性，改善机械性能，所以我们将Cr的含量控制在0.20-0.28％，Mo的含量控制在0.10-0.15％，Ni的含量控制在0.20-0.30％。C需能提高锻件的淬透性和强度，但对冲击韧性，特别低温冲击韧性不利，所以我们将C的含量控制在0.38-0.42％，有害杂质元素P,S控制≤0.025％。2、热处理工艺参数改进：(1)碳钢或碳锰钢大型锻件锻后正火处理的温度，原来我们采用860℃正火，但结果往往有不同程度的混晶现象。据资料介绍，提高正火温度，可以清除混晶现象，所以本申请 将正火温度提高到890℃正火。(2)将淬火温度由原来的840℃提高到860℃。因为淬火温度的提高，不仅能提高锻件的淬透层深度，同时还能提高锻件淬火后的硬度。(3)为了确保中心贯穿孔的加工精度，采用如图1、图2所示热处理工艺。

技术方案1：一种耐低温用大型螺旋桨轴，质量百分数：C：0.38～0.42、Si：0.27～0.37、Mn：1.00～1.20、P和S：≤0.025、Cr：0.20～0.28、Mo：0.10～0.15、Ni：0.20～0.30、Cu：≤0.20。

技术方案2：一种耐低温用大型螺旋桨轴制造工艺，在现有耐低温用大型螺旋桨轴制造工艺的基础上：(1)大型螺旋桨轴热处理工艺参数：碳钢或碳锰钢大型锻件锻后正火处理的温度由860℃正火提高到890℃正火；淬火温度由原来的840℃提高到860℃；(2)大型螺旋桨轴锻后热处理工艺：碳钢或碳锰钢大型锻件在10个小时内随炉升温至890±10℃、保温14小时后，空冷至工件表面温度≤300℃，然后在4个小时内随炉升温至650±10℃、保温24小时后炉冷至≤400℃出炉；(3)大型螺旋桨轴调质工艺：锻后热处理后碳钢或碳锰钢大型锻件在10个小时内随炉升温至860±10℃、保温10个小时后，水冷1小时；然后在4个小时内随炉升温至600±10℃、保温16小时后，空冷即可。

本发明与背景技术相比，采用本申请经过优化后成分，两种不同热处理后的机械性能均比背景技术中45钢和40Mn钢的性能高，而且低温冲击韧性好，并且经过调整后工艺处理的桨轴，冲击韧性稳定，完全达到了指标要求。

附图说明

图1是大型螺旋桨轴锻后热处理工艺示意图。

图2是大型螺旋桨轴调质工艺示意图。

图3是大型船用螺旋桨轴粗加工后的示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-3。一种耐低温用大型螺旋桨轴，质量百分数：C：0.38～0.42、Si：0.27～0.37、Mn：1.00～1.20、P和S：≤0.025、Cr：0.20～0.28、Mo：0.10～0.15、Ni：0.20～0.30、Cu：≤0.20。

实施例2：在实施例1的基础上，C：0.40、Si：0.32、Mn：1.1、P和S：≤0.020、Cr：0.24、Mo：0.13、Ni：0.25、Cu：≤0.18。

实施例3：在实施例1的基础上，C：0.38、Si：0.27、Mn：1.00、P和S：≤0.025、Cr：0.20、Mo：0.10、Ni：0.20、Cu：≤0.20。

实施例4：在实施例1的基础上，C：0.42、Si：0.37、Mn：1.20、P和S：≤0.025、Cr：0.28、Mo：0.15、Ni：0.30、Cu：≤0.20。

实施例5：在实施例1的基出上，一种耐低温用大型螺旋桨轴制造工艺，在现有耐低温用大型螺旋桨轴制造工艺的基础上：(1)大型螺旋桨轴热处理工艺参数：碳钢或碳锰钢大型锻件锻后正火处理的温度由860℃正火提高到890℃正火；淬火温度由原来的840 ℃提高到860℃；(2)大型螺旋桨轴锻后热处理工艺：碳钢或碳锰钢大型锻件在10个小时内随炉升温至890±10℃、保温14小时后，空冷至工件表面温度≤300℃，然后在4个小时内随炉升温至650±10℃、保温24小时后炉冷至≤400℃出炉；(3)大型螺旋桨轴调质工艺：锻后热处理后碳钢或碳锰钢大型锻件在10个小时内随炉升温至860±10℃、保温10个小时后，水冷1小时；然后在4个小时内随炉升温至600±10℃、保温16小时后，空冷即可。

其机械性能指标：(1)860℃正火+650℃回火及840℃淬火+600℃回火后，耐低温用大型螺旋桨轴机械性能：Re mpa436，Rm mpa692，A％21.0(纵向)、23.0(切向)，Z％58.5(纵向)、60.5(切向)，Kv-10℃J44.38.27、Kv J-10℃34.29.20；(2)890℃正火+650℃回火及860℃淬火+600℃回火后，耐低温用大型螺旋桨轴机械性能：Re mpa465、Rm mpa714、A％20.5、Z％59.0、Kv J48.52.49、Kv J-10℃37.32.34。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。