CN113969373A

CN113969373A - 一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件及制作方法

Info

Publication number: CN113969373A
Application number: CN202111206476.7A
Authority: CN
Inventors: 陈江忠; 贾华方; 俞晓刚
Original assignee: BAODING HEAVY INDUSTRY CO LTD
Current assignee: BAODING HEAVY INDUSTRY CO LTD
Priority date: 2021-10-16
Filing date: 2021-10-16
Publication date: 2022-01-25

Abstract

本发明涉及一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件及制作方法，质量百分数：C0.16～0.22、Si0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、Ti0.003～0.01、S≤0.030、P≤0.030。铸钢件在下舵承筒体外圆增设大圆弧过渡区域，将船体钢板与筒体直接角接焊改为大圆弧过渡区域与船体钢板对接焊。不但消除了焊接过程对下舵承筒体的热影响，同时更有利于消除焊接过程的应力。制作方法在冒口底部到过渡圆弧上表面区域根据过渡圆弧的形状尺寸设置一圈采用多种发热物质混合后压制成型的非金属补贴，与钢水直接接触表面涂刷耐火度较高的醇基锆英粉涂料。优点：既实现了铸件的整体“顺序凝固”，加强散热，增加了铸件的凝固速度，更有利于细化晶粒，提高铸件的致密性。

Description

一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种既消除了焊接过程对下舵承筒体的热影响，又能对接焊更有利于提高焊接质量，同时还能提高大圆弧过渡联接区域的性能，更有利于消除焊接过程应力的大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件及制作方法。

背景技术

下舵承铸钢件是船用舵系部件中重要零件，它对于舵杆联接舵叶固定于船体起到重要的保护和支撑作用。传统的下舵承铸钢件通过与船底板焊接，固定于船体，下舵承铸钢件根据CB790《滑动水密下舵承》标准规定，一般采用ZG230-450碳钢铸造而成。

传统的下舵承铸钢件根据CB790《滑动水密下舵承》标准规定，一般采用ZG230-450碳钢铸造而成。其化学成分：C≤0.30、Si≤0.60、Mn≤0.90、Cr≤0.35、Mo≤0.20、Ni≤0.40、V≤0.05、P≤0.035、S≤0.035、残余总量≤1.00（残余总量为Cr、Mo、Ni、V元素的总和）；力学性能：抗拉强度Rm≥450 MPa、屈服强度Re≥230 MPa、伸长率A5≥22%、断面收缩率Z≥32%、20℃AKv冲击吸收功≥25 J。其外轮廓形状为筒体结构。铸造毛坯通过机械加工后，在船体中进行焊接后固定，筒体外圆与船体板通过角焊的方式焊接固定（见图5和图6）。其不足之处：由于焊接过程需要在野外高空作业，因此对焊接带来非常的不变，同时对焊接的质量也带来一定影响。由于钢板与筒体为垂直衔接，因此焊接采用角焊，筒体通过角焊缝与钢板联接，焊接工作量大，焊接过程对下舵承铸钢件筒体的热影响较大，焊后去应力困难，因此传统的角焊联接方式不仅不利于提高焊接强度性能，同时由于焊接热影响对筒体的使用寿命也大打折扣。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既消除了焊接过程对下舵承筒体的热影响，又能对接焊更有利于提高焊接质量，同时还能提高大圆弧过渡联接区域的性能，更有利于消除焊接过程应力的大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件及制作方法。

设计方案：随着船舶向着高精尖方向发展，对下舵承铸钢件的要求也越来越高。不仅要求产品具有高的强度性能，同时需要适应严寒地区低温条件下的工作环境，因此铸钢件的力学性能不仅要求有高的强度性能，同时需要具有低温高韧性的特点，据新设计要求的下舵承铸钢件性能要求：抗拉强度Rm≥520 Mpa、屈服强度Re≥260 MPa、伸长率A5≥25%、断面收缩率Z≥40%、0℃冲击吸收功AKv≥27J。而制造一种新型的既满足铸件的可焊接性要求，又具有低温高韧性高强度力学性能指标的下舵承铸钢件，克服生产过程中下舵承筒体与船体板角焊接带来的负面影响。

解决下舵承筒体由于角焊接联接带来的应力集中和热影响造成性能下降的问题，在结构上采用在下舵承筒体外圆增设大圆弧过渡区，采用船底板钢板与大圆弧过渡区对接焊的联接方式（见图1和2）。

在结构上采用在下舵承筒体外圆增设大圆弧过渡区，采用船底板钢板与大圆弧过渡区对接焊的联接方式,有利于消除焊接过程的应力,提高焊接质量，但是大圆弧过渡结构在铸件的凝固过程中会形成热节分布区，不利于该区域的“顺序凝固”。传统的工艺方案为了实现铸件的“顺序凝固”，需要在内孔增设一圈金属补贴来满足铸件的补缩要求(见图7)，由于金属补贴的增设，铸件的壁厚增大，需要钢水量相对集中的实心冒口来补缩。传统的铸造工艺方案内孔加工余量大，铸件的整体壁厚较厚，钢水热量集中，造成铸件的凝固收缩应力集中，增加了铸件表面产生裂纹的倾向；同时对铸件的钢水温度的控制要求也提高，如果钢水温度控制不好，极易因局部钢水温度过高补缩不到位而造成铸件的疏松。根据CB790《滑动水密下舵承》标准规定，下舵承铸钢件材质一般采用ZG230-450船用碳钢，根据船规要求，碳含量要求低于0.23%，因此该材质的传统组分构成通过常规的正火热处理，在满足铸件材料强度性能的前提下，铸件的伸长率和断面收缩率往往很难达到设计要求，尤其是在0℃下的冲击吸收功很难满足设计要求。

为此本发明在铸造工艺方案的优化和改进措施上：

1.从改变传统工艺采用内孔增设金属补贴带来的收缩应力集中和增加了机械加工余量的问题出发，新的工艺方案取消内孔金属补贴，同时为了满足铸件的 “顺序凝固”要求，在冒口底部到过渡圆弧上表面区域根据过渡圆弧的形状尺寸设置一圈采用多种发热物质混合后压制成型的“非金属补贴”（见图3），与钢水直接接触表面涂刷耐火度较高的醇基锆英粉涂料。

非金属补贴材料组分采用铝粉、硅铁粉和氧化铁以及木屑等发热物质和纤维材料按比例压制成型。

“非金属补贴”在接触钢水时，发热物质会产生热量，可以延缓该区域的冷却速度，有效的保证热节区域凝固收缩过程冒口补缩的通道畅通，从而实现铸件的“顺序凝固”。在过渡圆弧下表面区域敷厚度在50mm左右激冷效果是普通型砂4倍的铬铁矿砂就行激冷，可以加速过渡圆弧下表面的冷却凝固，同时一定程度上减小了热节区域范围。非金属补贴由于本身不需要补缩，减小了铸件的整体壁厚，工艺冒口采用中空的结构，使铸件整体在实现“顺序凝固”同时，散热加强，增加了铸件的凝固速度，更有利于细化晶粒，提高铸件的致密性；另一方面也减少了铸件在凝固收缩过程中的收缩应力。改进后的铸造结构工艺方案如图5所示。

2.从提高铸件的综合力学性能出发，在保证材料强度性能前提下，利用本公司自主研制的 “一种GS24Mn6优化材料”专利核心技术，通过调整和优化材料的组分构成，改善钢水的流动性和细化晶粒，提高了材料的低温冲击韧性。通过对组分构成的C、Si、Mn、P、S主体元素含量范围进行控制，并对残余元素Cr、Mo元素的残余含量进行有效利用，同时添加微量元素V、Ti来细化晶粒。

传统的组分含量要求(质量百分数)如下：

C≤0.23%，Si≤0.60%,Mn≤1.60,S、P≤0.035,残余元素：Cr≤0.30%, Mo≤0.15。

a.C元素含量的提高有利于改善钢水的流动性，有利于提高铸件的强度性能，但是C的增加会降低材料的塑性和韧性，结合铸件焊接性要求。

本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，最终将C含量控制在：0.16～0.22%。根据材料的焊接性能要求控制碳当量C_eq值不大于0.23%，并结合工程结构用钢碳锰当量规定锰含量一般不小于3倍含碳量，可以得出碳、锰含量应满足以下数学函数关系:

W_c+W_Mn/6≤0.41%,

3W_c≤W_Mn

（式中：W_c为碳质量百分含量，W_Mn为锰质量百分含量）

由此可以得出碳含量（W_c）应控制在0.23%以下，并根据含碳量对机械性能的影响，当含碳量低于0.15%时，就会对钢的强度性能影响较大，以此碳含量（W_c）控制在0.16～0.22%。目的在保证满足铸件焊接性的前提下，降低碳含量降低对材料前度性能的影响。

b.Si具有改善钢水流动性的作用，Si含量在0.25～0.45%时，由于良好的脱氧作用，因此明显改善钢水的流动性，低于0.25%，钢水流动性会降低，不利于铸件的凝固补缩。Si含量超过0.40%时，易形成柱状晶，增加热裂倾向，不利于提高铸件的低温冲击性能。

因此本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，最终将Si含量控制在：0.25～0.40%。

c.Mn可以缩小结晶范围，提高钢水的流动性，提高强度，Mn具有良好的脱氧作用，因此含量不宜过低，在低碳合金钢中含量不超过1.50%时，不会降低材料的塑性，但有增加体收缩和线収缩，增加冷、裂的倾向，因此本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，结合锰当量规定锰含量一般不小于3倍含碳量要求。在不降低材料塑性前提下，就可能提高材料的强度性能，弥补碳含量下降造船的强度性能下降的缺点，最终将Mn含量控制在：0.90～1.50%。

d.S、P元素在钢中作为有害元素存在，因按低含量控制。

因此含量控制要求：S、P≤0.030%。

e.Cr、Mo在钢中作为残余元素存在，Cr具有细化晶粒，提高强度，在低含量范围不会降低材料塑性，结合残余含量要求，控制在：0.15～0.25%; Mo在低碳合金结构钢中，含量不大于0.2%左右具有良好的提高钢的塑性和韧性的作用，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。同时Mo是铁素体形成元素，易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，需要控制加入量。因此结合残余含量要求，Mo含量控制在0.10-0.15%。

本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，最终Cr含量控制在0.15～0.25%。目的：在控制Cr含量在残余含量范围，加入低含量的Cr，可以有效的提高材料的强度性能而不降低材料的塑性。

f.V、Ti合金元素的微合金化，V、Ti元素具有细化晶粒的作用。

V元素能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，V元素还能提高钢的高温蠕变性能，V元素在含量0.05%～0.10%时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20%，形成V₄C₃碳化物，会提高钢的热强性。

因此本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，最终V含量控制在：0.04-0.08%。目的：V元素可以起到很好的细化晶粒的作用，从而同时提高材料的强度性能和塑性。

Ti是钢中强脱氧剂，能降低钢的时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。能形成稳定的TiC,在高温1300℃时依然很稳定，可以很好的抑制奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时Ti元素也是铁素体形成元素，当含量较高时，极易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，一般不超过0.01%，因此也需要控制加入。

本发明通过理论及实际多次反复的试验、测试，最终确定合适的控制加入量为：0.003-0.01%。目的：能降低钢的时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，细化晶粒，提高材料的强度性能和塑性。

最终确定了优化后的材料组分构成为质量百分数（%），即：一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是质量百分数：C0.16～0.22、Si0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、Ti0.003～0.01、S≤0.030、P≤0.030。

3．产品的试制及试制结果：

按改进后的结构工艺方案进行铸件试制生产，铸件浇注成型保温完毕，清理铸件表面。铸件进行性能热处理，传统的低碳钢类铸件热处理一般采用正火或退火热处理，热处理结束进行机械加工。本发明新型下舵承铸钢件在热处理工艺方案上也进行了改进和优化。根据优化后的组分特点对铸件毛坯连同冒口一起进行正火热处理，正火结束出炉空冷到300-350℃进行浇冒口切割处理，在高温进行热割冒口，可以减小切割应力的产生，浇冒口切割完毕，进炉利用炉子余热缓冷到常温。待铸件冷却到常温进行粗加工，粗加工按预留单边10mm余量进行机加工。机械加工完毕，大圆弧过渡非机加工区域打磨至露出金属光泽后，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：920±10℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。目的一方面消除铸造应力，另一方面对铸坯组织进行细化处理。

回火温度：640±10℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。目的消除在于消除应力。

热处理结束，从铸件本体上取样进行化学成分分析和力学性能试验，该铸件经本体取样的实测化学成分和力学性能如下：即下表为本发明参数选择点经热处力后所达到的目的和所带来的技术效果如下：

铸件机加工完毕及整理成品，对铸件进行无损检测，无损检测结果均满足技术要求规定的超声波探伤和磁粉检测标准规定的验收要求。

对铸件取样进行金相分析，铸件的金相组织为：铁素体+珠光体。

本项目的关键在于解决既要满足铸件的可焊接性要求，又具有低温高韧性高强度力学性能指标的下舵承铸钢件，克服生产过程中下舵承筒体与船体板由于角焊接带来的负面影响。

解决这一矛盾问题采用的技术方案是：

a.通过在下舵承筒体外圆增设大圆弧过渡区域，将船体钢板与筒体直接角接焊改为大圆弧过渡区域与船体钢板对接焊。不但消除了焊接过程对下舵承筒体的热影响，同时采用对接焊更有利于提高焊接质量。

b.从提高下舵承铸钢件综合力学性能入手，充分利用本公司自主研制的专利 “一种GS24Mn6优化材料”的材料优化技术对传统的ZG230-450碳钢材料的C、Si、Mn三大主体元素的含量进行优化控制，通过降低C、Si元素含量，提高Mn元素含量来保证铸件的强度性能，并充分利用Cr、Ni、Mo、V残余元素对材料性能的影响，对Cr、Ni、Mo、V残余元素的残余含量进行有效控制，不仅市铸件具有高的强度性能和可焊性，同时具有低温高韧性的优点。

c.根据优化材料的特点，对铸件的热处理工艺方案就行了优化，用毛坯连同浇冒口一起正火热处理方法替代传统的冒口切割后再进行正火热处理，并在正火热处理结束后进行粗加工和表面打磨，最后进行加工后的回火热处理方法，提高了铸件的综合力学性能。

本发明与背景技术相比，一是通过在下舵承筒体外圆增设大圆弧过渡区域，将船体钢板与筒体直接角接焊改为大圆弧过渡区域与船体钢板对接焊。不但消除了焊接过程对下舵承筒体的热影响，同时采用对接焊更有利于提高焊接质量。大圆弧过渡联接不仅提高了联接区域的性能，同时更有利于消除焊接过程的应力；二是增设大圆弧过渡区域与船体钢板对接焊的联接方法，从而彻底解决了下舵承铸钢件在与船体钢板焊接过程中的不利影响，同时提高了产品结构的综合性能；三是通过利用公司自主研制材料优化专利技术对主体元素的有效控制和对残余元素的利用，并通过添加V、Ti微合金元素进行微合金化，不但提高了钢水的流动性，同时达到了细化晶粒的目的；四是通过本设计的成型非金属补贴和外敷铬铁矿砂的工艺措施替代传统的金属补贴铸造工艺，加强了铸件的补缩效果和加速了铸件的凝固速度，更有利于减少柱状晶区和粗大等轴晶区范围，从而达到获得细晶粒的目的；五是减小了铸件的整体壁厚，工艺冒口采用中空的结构，使铸件整体在实现“顺序凝固”同时，散热加强，增加了铸件的凝固速度，更有利于细化晶粒，提高铸件的致密性；另一方面也减少了铸件在凝固收缩过程中的收缩应力。

附图说明

图1是采用大圆弧过渡下舵承铸钢件与船底板对接焊联接示意图。

图2是图1侧视结构示意图。

图3是非金属发热补贴示意图。

图4是铸造结构示意图。

图5是传统下舵承铸钢件与船底板角接焊联接示意图。

图6是图5侧视结构示意图。

图7是传统铸造示意图。

具体实施方式

实施例1：一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，质量百分数：C0.16～0.22、Si0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、Ti0.003～0.01、S≤0.030、P≤0.030。

实施例2：在实施例1的基础上，C0.206、Si0.369、Mn1.233、Cr0.221、Mo0.137、V0.053、Ti0.006、S≤0.008、P≤0.018。屈服强度σ_s290 Mpa、抗拉强度σ_b580 Mpa、延伸率δ₅31.5%、断面收缩率ψ51.5%、0℃冲击吸收功Akv64 J、70 J、66 J。

关键成分的改变（选择）的目的：

从材料的焊接性要求出发，根据碳当量不等式函数关系来控制三大主体元素的最有效范围；

a.根据C、Si、Mn三大主体元素对材料强度性能具有积极作用，而对材料的塑性起制约作用，同时结合材料的焊接性要求，尽可能低含量控制；

b.有效利用钢中残余元素Cr、Mo对于材料的性能影响，将残余含量进行有效控制，从而提高材料的强度性能和塑性。

c.通过添加微合金元素V、Ti细化晶粒来消除低含量合金元素相互制约对材料综合性能带来的不利影响。

实施例2：在实施例1的基础上， C0.209、Si0.362、Mn1.220、Cr0.224、Mo0.133、V0.050、Ti0.007、S≤0.008、P≤0.017。屈服强度σ_s295 Mpa、抗拉强度σ_b585 Mpa、延伸率δ₅31.0%、断面收缩率ψ51.5%、0℃冲击吸收功Akv60 J、62 J、68 J。

关键成分的改变（选择）的目的：

实施例3：在实施例1的基础上，参照附图1-4。一种圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的制作方法，在冒口底部到过渡圆弧上表面区域根据过渡圆弧的形状尺寸设置一圈采用多种发热物质混合后压制成型的非金属补贴，与钢水直接接触表面涂刷耐火度较高的醇基锆英粉涂料。

非金属补贴在接触钢水时，发热物质会产生热量，可以延缓该区域的冷却速度，有效的保证热节区域凝固收缩过程冒口补缩的通道畅通，从而实现铸件的“顺序凝固”。

在过渡圆弧下表面区域敷厚度在50mm左右激冷效果是普通型砂4倍的铬铁矿砂就行激冷，可以加速过渡圆弧下表面的冷却凝固，同时一定程度上减小了热节区域范围。

其圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的热处理方法，对铸件毛坯连同冒口一起进行正火热处理，正火结束出炉空冷到300-350℃进行浇冒口切割处理，在高温进行热割冒口，减小切割应力的产生，浇冒口切割完毕，进炉利用炉子余热缓冷到常温，待铸件冷却到常温进行粗加工，粗加工按预留单边10mm余量进行机加工，机械加工完毕，大圆弧过渡非机加工区域打磨至露出金属光泽后，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：920±10℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷；温度、时间选择的目的：正火温度范围是根据材料组分构成的中上限，这样可以提高铸件的过冷度，保温时间的控制既可以保证铸件内外温度一直，奥氏体化完全，同时避免保温时间过长导致的晶粒粗大，更有利于细化晶粒，提高材料的强度性能和塑性。

回火温度：640±10℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。温度、时间选择的目的：回火温度范围是根据材料组分构成的特点结合正火温度和冷却方式要求，既消除了正火人处理产生的残余应力，同时可以稳定钢的组织，更有利于细化晶粒，提高材料的强度性能和塑性。

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

1.一种大圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是质量百分数：C0.16～0.22、Si0.25～0.40、Mn0.90～1.50、Cr0.15～0.25、Mo0.10～0.15、V0.04～0.08、Ti0.003～0.01、S≤0.030、P≤0.030。

2.根据权利要求1所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是：C0.206、Si0.369、Mn1.233、Cr0.221、Mo0.137、V0.053、Ti0.006、S≤0.008、P≤0.018。

3.根据权利要求2所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是：屈服强度σ_s290Mpa、抗拉强度σ_b580 Mpa、延伸率δ₅31.5%、断面收缩率ψ51.5%、0℃冲击吸收功Akv64 J、70J、66 J。

4.根据权利要求1所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是：C0.209、Si0.362、Mn1.220、Cr0.224、Mo0.133、V0.050、Ti0.007、S≤0.008、P≤0.017。

5.根据权利要求1所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件，其特征是：屈服强度σ_s295Mpa、抗拉强度σ_b585 Mpa、延伸率δ₅31.0%、断面收缩率ψ51.5%、0℃冲击吸收功Akv60 J、62J、68 J。

6.一种圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的制作方法，其特征是：在冒口底部到过渡圆弧上表面区域根据过渡圆弧的形状尺寸设置一圈采用多种发热物质混合后压制成型的非金属补贴，与钢水直接接触表面涂刷耐火度较高的醇基锆英粉涂料。

7.根据权利要求6所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的制作方法，其特征是：非金属补贴在接触钢水时，发热物质会产生热量，可以延缓该区域的冷却速度，有效的保证热节区域凝固收缩过程冒口补缩的通道畅通，从而实现铸件的“顺序凝固”。

8.根据权利要求6所述的圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的制作方法，其特征是：在过渡圆弧下表面区域敷厚度在50mm左右激冷效果是普通型砂4倍的铬铁矿砂就行激冷，可以加速过渡圆弧下表面的冷却凝固，同时一定程度上减小了热节区域范围。

9.一种圆弧过渡接口新型下舵承铸钢件的热处理方法，其特征是：对铸件毛坯连同冒口一起进行正火热处理，正火结束出炉空冷到300-350℃进行浇冒口切割处理，在高温进行热割冒口，减小切割应力的产生，浇冒口切割完毕，进炉利用炉子余热缓冷到常温，待铸件冷却到常温进行粗加工，粗加工按预留单边10mm余量进行机加工，机械加工完毕，大圆弧过渡非机加工区域打磨至露出金属光泽后，进炉进行回火热处理，正火+回火热处理具体要求如下：

正火温度：920±10℃，保温时间按最大壁厚3分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷；

回火温度：640±10℃，保温时间按最大壁厚5分钟/毫米进行计算，保温结束，出炉空冷。