CN106222581B - 316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不仅能够确保船用桨轴具有优良的推进性能，具有良好的抗空泡腐蚀性能，而且还能与主机、船体达到船机桨完美匹配的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件及锻造方法，质量百分数：C 0.05～0.08%、Si 0.70～1.00%、Mn 1.20～1.50%、Cr 16.0～18.0%、Ni 10.0～14.0%、Mo 2.00～3.00%、N 0.02～0.05%、P≤0.035%、S≤0.015%，其余是Fe。优点：一是通过对316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件成份的优化，不仅满足船检规范及客户图纸的技术要求，而且使316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件的机械性能更加优异；二是成型的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件经超声波探伤检测没有发现任何超标缺陷，其实际晶粒度等级为5级且未见晶间腐蚀倾向。

Description

316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件及锻造方法

技术领域

本发明涉及一种不仅能够确保船用桨轴具有优良的推进性能，具有良好的抗空泡腐蚀性能，而且还能与主机、船体达到船机桨完美匹配的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件及锻造方法，属不锈钢超长船用桨轴制造领域。

背景技术

316奥氏体不锈钢船用桨轴是6500HP油田守护船轴系推进系统的重要零部件。该船主要进行海面浮油回收和消除海面油污作业、能为海上石油平台供应淡水、燃油、散料等物资，并可对游轮进行拖带、顶推和协助提油作业等。但是一是常规的船用桨轴成分要求及性能指标已经无法同时满足桨轴锻件的高强度、耐低温及耐腐蚀要求，并且由于316奥氏体不锈钢导热性差，锻造温度区间窄，锻造过程中极易产生裂纹；二是316奥氏体不锈钢导热性差，锻造温度区间窄，锻造过程中极易产生裂纹；三是锻件锻后总长达13.2米，而在锻造加热炉只有8米，整个锻造过程需要多火次加热，由于锻造温度区间的局限，最后一火次无法直接从8米拔长至13.2米；四是由于锻件轴身细长比达到36.5，锻后很容易产生弯曲变形，从而影响后续的粗加工及深孔加工。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种不仅能够确保船用桨轴具有优良的推进性能，具有良好的抗空泡腐蚀性能，而且还能与主机、船体达到船机桨完美匹配的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件及锻造方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、为了保证桨轴的高强度、耐低温及耐腐蚀要求。本申请对化学成分在满足ASTM A276-06标准基础上进行了材料的优化，具体体现在：

（1）碳(C)：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力及易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性，因此将含量控制在0.05～0.08%；

（2）硅（Si）：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。如果钢中含硅量超过0.50～0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，因此将含量控制在0.70～1.00%；

(3)锰（Mn）：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%。当加入0.70%以上时较一般锰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，因此将含量控制在1.20～1.50%。

(4) (4)磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，因此将P含量控制在0.035%以下。

(5)硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造时造成裂纹。硫还降低钢的耐腐蚀性，因此将S含量控制在0.015%以下。

除此以外，为了桨轴锻件适应恶劣的海洋海水腐蚀环境，特定添加了N元素，添加了氮以改善蠕变性能并使这种钢成为完全的奥氏体。氮在Cr-Ni奥氏体不锈钢中是一种无价且非常有益的合金元素。氮有强化作用，降低钢的晶间腐蚀敏感性，改善钢的耐腐蚀性。优化后的化学成分(质量分数%)如下表：

C	Si	Mn	P	S
					0.05～0.08	0.70～1.00	1.20～1.50	≤0.035	≤0.015
Cr	Ni	Mo	N
					16.0～18.0	10.0～14.0	2.00～3.00	0.02～0.05

2、在满足材料工程机械方面的常规强度指标要求外，考虑到桨轴锻件在特定的海洋环境和低温条件下的工作状态，因此增加断面收缩率和低温冲击韧性要求，以保证产品的高质量和高要求，具体的指标要求如下表：

3、除了满足化学成分及机械性能的要求外，考虑到桨轴锻件的全面质量要求符合其工作环境条件，因此对其内部组织及耐腐蚀性也提出了更高的要求，具体金相要求为晶粒度等级2级以上且未见晶间腐蚀倾向。

4、为了防止锻造过程产生开裂现象，首先保证钢锭加热到始锻温度1200℃后，保温时间在10小时以上，使整个钢锭内外温度均匀；其次，锻造时钢锭倒棱与压钳口分两火次进行，开始锻造时，先以小压下量轻压表面，压下量控制≤50mm，待塑性提高后，再适当提高压下量。为防止轴锻件端部产生裂纹，钢锭在镦粗时提高始锻温度至1220℃并采用球面镦粗板，拔长至八方截面后，号印长度不小于截面直径的0.3倍。

5、钢锭预拔长至7.5米后，返加热炉加热，出炉后，先拔长靠近法兰侧轴身至约7米长，然后采用局部加热的方法放入加热炉，出炉后最终拔长到锻件所需尺寸。

6、锻造时为防止法兰部位因多次加热、法兰位置变形量不够而产生粗晶现象，在拔长号印前增加法兰在最终成形前的变形量≥10%，从而解决法兰的粗晶现象。

7、通过采用随炉升温至1050±10℃，保温10小时后水冷30分钟固溶热处理后出水池，进行校直处理后300℃回火消除应力处理，使后续的粗加工及深孔加工可以顺利进行。

技术方案1：一种316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，质量百分数：C 0.05～0.08%、Si 0.70～1.00%、Mn 1.20～1.50%、Cr 16.0～18.0%、Ni 10.0～14.0%、Mo 2.00～3.00%、 N 0.02～0.05%、 P≤0.035%、S≤0.015%，其余是Fe。

技术方案2：一种316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件的锻造方法，锻件重量9.9t，材料规格为13.5t梅花锭，一锭锻制一件；法兰锻造比3.4，轴身锻造比12.6；锻造温度：1200℃～850℃，按加热工艺加热锻造：第一火次：钢锭轻压表面，冒口与锭身连接处一起轻压，倒棱,（控制压下量≤30mm）；冒口轻压钳口至￠520mmx700mm，返炉加热，控制压下量≤50mm；第二火次：始锻温度提高至1220℃，并适当延长保温时间。出炉，在￠550mm镦粗漏盘上镦粗；第三火次：逐步增大压下量拔长钢锭至850mm八角，号印，分料；第四～五火次：拔长Ⅰ处至￠450mm，调头；Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至460mm八角，控制总长＜8000mm，错去钳口，返炉加热；第六火次：先拔长中间处至约7000mm长，滚圆法兰，返炉局部加热；第七火次：Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至工艺尺寸，完工。

本发明与背景技术相比，一是通过对316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件成份的优化，不仅满足船检规范及客户图纸的技术要求，而且使316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件的机械性更加优异；二是成型316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件经超声波探伤检测没有发现任何超标缺陷，其实际晶粒度等级为5级且未见晶间腐蚀倾向。

附图说明

图1是本申请热处理工艺曲线示意图。

图2是本申请加热工艺曲线示意图。

图3是桨轴锻件第一火次示意图。

图4是桨轴锻件第二火次示意图。

图5是桨轴锻件第三火次示意图。

图6是桨轴锻件第四～五火次示意图。

图7是桨轴锻件第六火次示意图。

图8是本申请的最终成形示意图。

具体实施方式

实施例1：一种316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，质量百分数：C 0.05～0.08%、Si 0.70～1.00%、Mn 1.20～1.50%、Cr 16.0～18.0%、Ni 10.0～14.0%、Mo 2.00～3.00%、 N0.02～0.05%、 P≤0.035%、S≤0.015%，其余是Fe。

抗拉强度Rm （MPa）≥520； 屈服强度Rp0.2 （MPa）≥240；

伸长率A（%）≥40； 断面收缩率Z （%）≥60

冲击韧性值（J）AKv≥34(-10℃)。

实施例2：在实施例1的基础上，C 0.07%、Si 0.8%、Mn 1.28%、Cr 16.3%、Ni10.15%、Mo 2.10%、 N 0.023%、 P 0.032%、S 0.009%，其余是Fe。

抗拉强度 Rm（MPa）574； 屈服强度 Rp0.2（MPa）282；

伸长率 A% 65； 断面收缩率 Z% 78；

冲击韧性值 (-10 ℃) Kv₂（J）86.0，90.0，92.0。

实施例3：在实施例1的基础上，C 0.06%、Si 0.85%、Mn 1.35%、Cr 16.5%、Ni10.3%、Mo 2.20%、 N 0.022%、 P 0.030%、S 0.007%，其余是Fe。

抗拉强度 Rm（MPa）603；屈服强度 Rp0.2（MPa）305；

伸长率 A% 62； 断面收缩率 Z% 75；

冲击韧性值 (-10 ℃) Kv₂（J）72.0，86.0，94.0。

实施例4：在实施例1的基础上，一种316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件的锻造方法，316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件重量9.9 t，材料规格为13.5t梅花锭，一锭锻制一件；法兰锻造比3.4，轴身锻造比12.6；锻造温度：1200℃～850℃，按加热工艺加热锻造，见图2：

第一火次：钢锭轻压表面，冒口与锭身连接处一起轻压，倒棱,（控制压下量≤30mm）;冒口轻压钳口至￠520mmx700mm，返炉加热。（控制压下量≤50mm），见图3。

第二火次：始锻温度提高至1220℃，并适当延长保温时间。出炉，在￠550mm镦粗漏盘上镦粗（带球面镦粗板），见图4。

第三火次：逐步增大压下量拔长钢锭至850mm八角，号印，分料，见图5。

第四～五火次：拔长Ⅰ处至￠450mm，调头；Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至460mm八角，控制总长＜8000mm，错去钳口，返炉加热，见图6。

第六火次：先拔长中间处至约7000mm长，滚圆法兰，返炉局部加热见图7。

第七火次：Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至工艺尺寸，完工，见图8。

性能热处理：为了使316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件得到良好的综合机械性能，并满足后续的锻件粗加工及深孔加工，特制定随炉升温15小时至1050±10℃，保温10小时后水冷30分钟出炉的固溶热处理工艺，具体的工艺曲线如图1所示。

316奥氏体不锈钢船用桨轴锻件固溶热处理工艺：由于锻件锻后毛坯长度达13.2米，固溶热处理后，锻件会产生弯曲变形。因此固溶热处理水冷出水池后，进行校直处理并采用300℃回火以消除锻件的内应力。

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。

Claims (6)

1.一种316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其组分特征是质量百分数：C 0.05～0.08%、Si 0.70～1.00%、Mn 1.20～1.50%、Cr 16.0～18.0%、Ni 10.0～14.0%、Mo 2.00～3.00%、 N 0.02～0.05%、 P≤0.035%、S≤0.015%，其余是Fe；其锻造方法：锻件重量9.9 t，材料规格为13.5t梅花锭，一锭锻制一件；法兰锻造比3.4，轴身锻造比12.6；锻造温度：1200℃～850℃，按加热工艺加热锻造：

第一火次：钢锭轻压表面，冒口与锭身连接处一起轻压，倒棱,控制压下量≤30mm；冒口轻压钳口至Φ520mmx700mm，返炉加热，控制压下量≤50mm；

第二火次：始锻温度提高至1220℃，并适当延长保温时间，出炉，在Φ550mm镦粗漏盘上镦粗；

第三火次：逐步增大压下量拔长钢锭至850mm八角，号印，分料；

第四～五火次：拔长Ⅰ处至Φ450mm，调头；Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至460mm八角，控制总长＜8000mm，错去钳口，返炉加热；

第六火次：先拔长中间处至7000mm长，滚圆法兰，返炉局部加热；

第七火次：Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ处拔长至工艺尺寸，完工。

2.根据权利要求1所述的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其力学性能特征是：

抗拉强度Rm （MPa）≥520； 屈服强度Rp0.2 （MPa）≥240；

伸长率A（%）≥40； 断面收缩率Z （%）≥60

冲击韧性值（J）-10℃ AKv≥34。

3.根据权利要求1所述的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其特征是：C 0.07%、Si0.8%、Mn 1.28%、Cr 16.3%、Ni 10.15%、Mo 2.10%、 N 0.023%、 P 0.032%、S 0.009%，其余是Fe。

4.根据权利要求3所述的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其特征是：

抗拉强度 Rm（MPa）574； 屈服强度 Rp0.2（MPa）282；

伸长率 A% 65； 断面收缩率 Z% 78；

冲击韧性值（J） -10℃ Kv₂86.0，90.0，92.0。

5.根据权利要求1所述的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其特征是：C 0.06%、Si0.85%、Mn 1.35%、Cr 16.5%、Ni 10.3%、Mo 2.20%、 N 0.022%、 P 0.030%、S 0.007%，其余是Fe。

6.根据权利要求5所述的316奥氏体不锈钢超长船用桨轴锻件，其特征是：

抗拉强度 Rm（MPa）603；屈服强度 Rp0.2（MPa）305；

伸长率 A% 62； 断面收缩率 Z% 75；

冲击韧性值（J） (-10 ℃) Kv₂72.0，86.0，94.0。