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CN104388832A - 船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴 - Google Patents

船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴 Download PDF

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CN104388832A CN201410681239.XA CN201410681239A CN104388832A CN 104388832 A CN104388832 A CN 104388832A CN 201410681239 A CN201410681239 A CN 201410681239A CN 104388832 A CN104388832 A CN 104388832A
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Abstract

本发明公开了船用曲轴材料的制造方法及其由该方法制造的船用曲轴，其中，该方法包括以下步骤：(1)将经冶炼后的钢液浇铸成钢锭；(2)采用两镦两拔的方式将所述钢锭进行锻造；(3)采用先冷却再等温退火的热处理方式将经步骤(2)后的锻材进行后处理。本发明通过采用上述方法制造的曲轴满足42CrMoA(+Ni+V)锻材的要求，可应用到船用内燃机曲轴上。

Description

船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴
技术领域
本发明属于铁基合金结构钢的制造方法，具体地，本发明涉及一种42CrMoA(+Ni+V)船用内燃机曲轴锻材材料的制造方法，以及由该方法制造的船用曲轴。
背景技术
轮船的心脏是柴油机，而曲轴是柴油机的最核心部件之一，柴油发动机的强大动力需通过曲轴传递给螺旋浆来推动螺旋前进。船用曲轴传递动力大，承受交变载荷，对曲轴钢的强度、硬度、抗冲击性能有很高的要求，同时对纯净度、细晶、组织等有较高的要求。
曲轴材料的要求具体表现在：
(1)既要求有高的抗拉强度、又要求有很高的抗冲击指标。
(2)十分严格的曲轴锻件超声波和磁粉探伤规定。
(3)不能产生极其微小的夹杂波裂纹以满足弯锻时的局部巨量变形量。
(4)检验实际晶粒度，要求晶粒度细于5.0级。
(5)纯净度要求高，需按国标和欧标同时检测。
(6)有魏氏组织、带状组织等相关组织要求。
(7)曲轴因其重量大、加工精度高、制造难度大，一直是我国船舶工业的“软肋”，长期来完全依赖进口。
因此，如何制造出符合要求的船用曲轴材料仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的旨在提供42CrMoA(+Ni+V)曲轴材料产品质量好、成材率高的制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种船用曲轴材料的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)将经冶炼后的钢液浇铸成钢锭；
(2)采用两镦两拔的方式将所述钢锭进行锻造；
(3)采用先冷却再等温退火的热处理方式将经步骤(2)后的锻材进行后处理。
本发明还提供了由上述方法制造的船用曲轴。
本发明通过采用上述方法制造的曲轴满足42CrMoA(+Ni+V)锻材的要求，可应用到船用内燃机曲轴上。
另外，本发明的方法采用低温慢注的浇铸工艺，能保证钢获得低的气体含量和夹杂水平，保证钢的内部质量。通过压机两镦两拔的生产方式，能充分保证钢锭铸态组织的破碎，再配以适当的变形量和回复再结晶效果，能使晶粒得到较充分的细化，有利于钢的晶粒度和探伤性能；采用缓冷+等温退火的热处理方式，使钢的组织按照所需要的组织进行转变，能充分控制有害的魏氏组织和带状组织，使其级别达到所需的要求，并得到需要的细的铁素体和珠光体。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种船用曲轴材料的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)将经冶炼后的钢液浇铸成钢锭；
(2)采用两镦两拔的方式将所述钢锭进行锻造；
(3)采用先冷却再等温退火的热处理方式将经步骤(2)后的锻材进行后处理。
根据本发明，在步骤(1)中，所述钢锭可以为重量为6-9吨的八角钢锭，优选为重量为8-9吨的八角钢锭。
根据本发明，在步骤(1)中，所述冶炼包括电炉冶炼、炉外精炼(LF炉外精炼)和真空脱气(VD真空去气)的冶炼工艺，其中，所述电炉冶炼、所述炉外精炼以及所述真空脱气的条件没有具体限定，可以为本领域的常规选择。
根据本发明，在步骤(1)中，所述钢液浇铸的条件包括：浇铸温度可以为1525-1535℃，优选为1529-1531℃，浇铸时间为15-25分钟，优选为19-23分钟；在本发明中，钢液(钢水)的浇铸温度可以为钢的熔点+温度过热度，其中，该钢的熔点约为1495℃，温度过热度可以为30-41℃，优选为34-36℃，因而。钢液(钢水)的浇铸温度可以为1525-1535℃，优选为1529-1531℃。在本发明中，通过低温慢注的浇铸工艺，能够获得良好的钢中各合金元素的质量百分比的含量。
根据本发明，在步骤(1)中，将经冶炼后的钢液进行浇铸工艺后，在上述冶炼和浇铸工艺条件下，能够使以所述钢锭的总重量为基准，C的含量为0.4-0.44重量％，Mn的含量为0.7-0.75重量％，Si的含量为0.2-0.3重量％，P的含量为≤0.020重量％，S的含量为≤0.015重量％，Cr的含量为1-1.19重量％，Mo的含量为0.2-0.24重量％，Ni的含量为0.4-0.5重量％，V的含量为0.07-0.1重量％，Cu的含量为≤0.2重量％，其余为Fe含量。
优选地，以所述钢锭的总重量为基准，C的含量为0.41-0.43重量％，Mn的含量为0.71-0.73重量％，Si的含量为0.22-0.25重量％，P的含量为≤0.012重量％，S的含量为≤0.006重量％，Cr的含量为1.12-1.19重量％，Mo的含量为0.21-0.22重量％，Ni的含量为0.43-0.44重量％，V的含量为0.08-0.09重量％，Cu的含量为≤0.15重量％，其余为Fe含量。
更优选地，以所述钢锭的总重量为基准，C的含量为0.41-0.43重量％，Mn的含量为0.71-0.73重量％，Si的含量为0.22-0.25重量％，P的含量为0.001-0.012重量％，S的含量为0.001-0.006重量％，Cr的含量为1.12-1.19重量％，Mo的含量为0.21-0.22重量％，Ni的含量为0.43-0.44重量％，V的含量为0.08-0.09重量％，Cu的含量为0.01-0.15重量％，其余为Fe含量。
根据本发明，在步骤(2)中，所述锻造包括将所述钢锭进行预处理、压机开坯和精锻的过程。
根据本发明，在步骤(2)中，所述钢锭经压机开坯后锻造为中间坯，且所述中间坯的直径可以为450-550mm，优选为450-480mm。
根据本发明，将所述中间坯冷却的方式没有具体限定，可以为本领域的常规选择，优选地，锻造完成后，尽快将中间坯用天车掉入炉中进行炉冷的方式来冷却。根据本发明，所述预处理的条件包括：所述钢锭进入加热炉的初始温度为大于等于500℃，然后在温度为1200-1250℃下保温5-6小时；优选地，所述钢锭进入加热炉的初始温度为500-550℃，然后在温度为1200-1250℃下保温5-6小时。
根据本发明，所述压机开坯的条件包括：在温度为1200-1250℃下实施，优选在温度为1200-1220℃下实施。
根据本发明，所述压机没有具体限定，可以为本领域的常规选择，优选地，所述压机为4500KN的压机。
根据本发明，所述两镦两拔的方式为“镦-拔-镦-拔”的变形方案。其中，“镦”的变形方式没有具体限定，可以为本领域的常规选择，优选地，“镦”采用打钳把的镦粗方式；以及“拔”的变形方式没有具体限定，可以为本领域的常规选择，优选地，拔采用压机纵向拔长的方式；且每次镦粗的变形可以为小于原高度的1/2，优选地，每次镦粗的变形为原高度的1/2-1/3。
根据本发明，所述精锻机没有具体限定，可以为本领域的常规选择，优选地，所述精锻为1800KN的精锻机。
根据本发明，所述精锻的条件包括：可以在1170-1190℃温度下保温2-3小时，优选地，在1175-1185℃温度下保温2-2.5小时。
根据本发明，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成。
根据本发明，在步骤(3)中，所述热处理的条件包括：将所述锻材在锻造后冷却至≤200℃，再采用850-900℃温度下保温7-8小时，然后再以30℃/h至35℃/h的冷却速度冷却至750-800℃温度下保温8-9小时；优选地，所述热处理的条件包括：将所述锻材在锻造后冷却至150-180℃，再采用860-880℃温度下保温7-7.5小时，然后再以30℃/h至32℃/h的冷却速度冷却至760-780℃温度下保温8.5-9小时；在本发明中，采用缓冷+等温退火的热处理方式，能够使钢的组织按照所需要的组织进行转变，能够充分控制有害的魏氏组织和带状组织，使其级别达到所需的要求，并得到需要的细的铁素体和珠光体。
本发明还提供了一种由上述方法制造的船用曲轴。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例和对比例中，化学分析通过GB/T223方法测得，室温拉伸通过GB/T228方法测得，缺口冲击通过GB/T229测得，晶粒度通过GB/T6394测得，低倍通过GB/T226测得，以及
原料为公司牌号为42CrMoA(+Ni+V)的市售品。
实施例1
该实施例用于说明本发明的船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴。
(1)采用电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空去气的冶炼工艺，然后在1530℃温度下浇铸20分钟(低温慢注的浇铸工艺)，以所获得钢的总重量为基准，其中，C的含量为0.42重量％、Mn的含量为0.72重量％、Si的含量为0.25重量％、P的含量为0.01重量％、S的含量为0.005重量％、Cr的含量为1.19重量％、Mo的含量为0.21重量％、Ni的含量为0.44重量％、V的含量为0.08重量％、Cu的含量为0.10重量％、铁的含量为96.575重量％；出钢后浇铸成9t八角钢锭；
(2)将9t八角钢锭经送到锻造车间进加热炉的钢锭温度为500℃温度，在1220℃的保温时间为5h；
压机开坯采用两镦两拔的生产方式，即镦-拔-镦-拔的变形方案，镦粗采用打钳把的镦粗方式，在1200℃下，使钢得到充分变形，锻至Ф450-Ф550mm的中间坯，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成，所述压机为4500KN的压机，每次镦粗的变形为原高度的1/3；
中间坯锻造后用砂轮清理表面，再在精锻机加热炉用1180℃加热，保温时间为2h，再用1800KN的精锻机锻至成材；
(3)锻造完成后，尽快下冷床，用天车掉入炉中炉冷，炉冷至温度为200℃，再加热采用870℃温度下保温8小时，然后再以30℃/h的冷却速度冷却至770℃温度下保温8.5小时；
(4)取样检测，钢材再经过矫直、剥皮、探伤、定尺下料等相关工序得到所需尺寸规格的成品材Q1。
将Q1进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
实施例2
该实施例用于说明本发明的船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴。
(1)采用电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空去气的冶炼工艺，然后在1531℃温度下浇铸22分钟(低温慢注的浇铸工艺)，以所获得钢的总重量为基准，其中，C的含量为0.42％、Mn的含量为0.72％、Si的含量为0.22％、P的含量为0.012％、S的含量为0.005％、Cr的含量为1.12％、Mo的含量为0.22％、Ni的含量为0.43％、V的含量为0.09％、Cu的含量为0.10％、铁的含量为96.663重量％；出钢后浇铸成9t八角钢锭；
(2)将9t八角钢锭经送到锻造车间进加热炉的钢锭温度为500℃温度，在1220℃的保温时间为5h；
压机开坯采用两镦两拔的生产方式，即镦-拔-镦-拔的变形方案，镦粗采用打钳把的镦粗方式，在1250℃下，使钢得到充分变形，锻至Ф450-Ф550mm的中间坯，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成，所述压机为4500KN的压机，每次镦粗的变形为原高度的1/2；
中间坯锻造后用砂轮清理表面，再在精锻机加热炉用1180℃加热，保温时间为2h，再用1800KN的精锻机锻至成材；
(3)锻造完成后，尽快下冷床，用天车掉入炉中炉冷，炉冷至温度为200℃，再加热采用870℃温度下保温7.5小时，然后再以30℃/h的冷却速度冷却至770℃温度下保温9小时；
(4)取样检测，钢材再经过矫直、剥皮、探伤、定尺下料等相关工序得到所需尺寸规格的成品材Q2。
将Q2进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
实施例3
该实施例用于说明本发明的船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴。
(1)采用电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空去气的冶炼工艺，然后在1534℃温度下浇铸19分钟(低温慢注的浇铸工艺)，以所获得钢的总重量为基准，其中，C的含量为0.43重量％、Mn的含量为0.74重量％、Si的含量为0.27重量％、P的含量为0.009重量％、S的含量为0.006重量％、Cr的含量为1.15重量％、Mo的含量为0.21重量％、Ni的含量为0.43重量％、V的含量为0.1重量％、Cu的含量为0.08重量％、铁的含量为96.575重量％；出钢后浇铸成9t八角钢锭；
(2)将9t八角钢锭经送到锻造车间进加热炉的钢锭温度为530℃温度，在1210℃的保温时间为6h；
压机开坯采用两镦两拔的生产方式，即镦-拔-镦-拔的变形方案，镦粗采用打钳把的镦粗方式，在1210℃下，使钢得到充分变形，锻至Ф450-Ф550mm的中间坯，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成，所述压机为4500KN的压机，每次镦粗的变形为原高度的1/3；
中间坯锻造后用砂轮清理表面，再在精锻机加热炉用1170℃加热，保温时间为2.5h，再用1800KN的精锻机锻至成材；
(3)锻造完成后，尽快下冷床，用天车掉入炉中炉冷，炉冷至温度为180℃，再加热采用870℃温度下保温7.5小时，然后再以30℃/h的冷却速度冷却至770℃温度下保温8.5小时；
(4)取样检测，钢材再经过矫直、剥皮、探伤、定尺下料等相关工序得到所需尺寸规格的成品材Q3。
将Q3进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
实施例4
该实施例用于说明本发明的船用曲轴材料的制造方法及由该方法制造的船用曲轴。
(1)采用电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空去气的冶炼工艺，然后在1535℃温度下浇铸18分钟(低温慢注的浇铸工艺)，以所获得钢的总重量为基准，其中，C的含量为0.4重量％、Mn的含量为0.70重量％、Si的含量为0.22重量％、P的含量为0.013重量％、S的含量为0.006重量％、Cr的含量为1.11重量％、Mo的含量为0.20重量％、Ni的含量为0.41重量％、V的含量为0.1重量％、Cu的含量为0.12重量％、铁的含量为96.721重量％；出钢后浇铸成9t八角钢锭；
(2)将9t八角钢锭经送到锻造车间进加热炉的钢锭温度为550℃温度，在1220℃的保温时间为5.5h；
压机开坯采用两镦两拔的生产方式，即镦-拔-镦-拔的变形方案，镦粗采用打钳把的镦粗方式，在1230℃下，使钢得到充分变形，锻至Ф450-Ф550mm的中间坯，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成，所述压机为4500KN的压机，每次镦粗的变形为原高度的1/3；
中间坯锻造后用砂轮清理表面，再在精锻机加热炉用1180℃加热，保温时间为2.5h，再用1800KN的精锻机锻至成材；
(3)锻造完成后，尽快下冷床，用天车掉入炉中炉冷，炉冷至温度为200℃，再加热采用870℃温度下保温7小时，然后再以30℃/h的冷却速度冷却至770℃温度下保温8小时；
(4)取样检测，钢材再经过矫直、剥皮、探伤、定尺下料等相关工序得到所需尺寸规格的成品材Q4。
将Q4进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法制造船用曲轴，不同的是，在步骤(3)中，进行热处理的条件为：将所述中间坯冷却后，再加热到850℃温度下保温9小时，然后再以40℃/h的冷却速度冷至450℃出炉空冷。
结果将制备的DQ1进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
对比例2
按照实施例1的方法制造船用曲轴，不同的是，在步骤(2)中，进行锻造的条件为：压机开坯采用“一镦一拔”的生产方式，即“镦-拔”的变形方案，镦粗采用打钳把的镦粗方式，在1200℃下，使钢得到充分变形，锻至Ф450-Ф550mm的中间坯，在整个锻造过程中不回炉，一火锻成，所述压机为4500KN的压机，每次镦粗的变形为原高度的1/3；
结果将制备的DQ2进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
对比例3
按照实施例1的方法制造船用曲轴，不同的是，在步骤(1)中，进行浇铸的条件为：在1545℃温度下浇铸20分钟的浇铸工艺。
结果将制备的DQ3进行力学性能(抗拉强度和冲击)以及晶粒度等等的测试，结果如表1所示。
表1
根据实施例1-4以及对比例1-3的结果可以看出：实施例1-4的抗拉强度均高于对比例1-3的抗拉强度，实施例1-4的冲击也均优于对比例1-3的冲击，实施例1-4的晶粒度均大于5级，而对比例1-3的冲击均小于5级，以及实施例1-4低倍性能均能够达到合格。
说明本发明通过采用上述方法制造的曲轴满足42CrMoA(+Ni+V)锻材的要求，可应用到船用内燃机曲轴上。
另外，本发明的方法采用低温慢注的浇铸工艺，能保证钢获得低的气体含量和夹杂水平，保证钢的内部质量；以及
通过压机两镦两拔的生产方式，能充分保证钢锭铸态组织的破碎，再配以适当的变形量和回复再结晶效果，能使晶粒得到较充分的细化，有利于钢的晶粒度和探伤性能；采用缓冷+等温退火的热处理方式，使钢的组织按照所需要的组织进行转变，能充分控制有害的魏氏组织和带状组织，使其级别达到所需的要求，并得到需要的细的铁素体和珠光体。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种船用曲轴材料的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)将经冶炼后的钢液浇铸成钢锭；
(2)采用两镦两拔的方式将所述钢锭进行锻造；
(3)采用先冷却再等温退火的热处理方式将经步骤(2)后的锻材进行后处理。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在步骤(1)中，所述钢液浇铸的条件包括：浇铸温度为1525-1535℃，优选为1529-1531℃，浇铸时间为15-25分钟，优选为19-23分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述钢锭为重量为6-9吨的八角钢锭。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述冶炼包括电炉冶炼、炉外精炼和真空脱气的冶炼工艺。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在步骤(1)中，以所述钢锭的总重量为基准，C的含量为0.4-0.44重量％，Mn的含量为0.7-0.75重量％，Si的含量为0.2-0.3重量％，P的含量为≤0.02重量％，S的含量为≤0.015重量％，Cr的含量为1-1.19重量％，Mo的含量为0.2-0.24重量％，Ni的含量为0.4-0.5重量％，V的含量为0.07-0.1重量％，Cu的含量为≤0.2重量％，其余为Fe的含量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(1)中，以所述钢锭的总重量为基准，C的含量为0.41-0.43重量％，Mn的含量为0.71-0.73重量％，Si的含量为0.22-0.25重量％，P的含量为≤0.012重量％，S的含量为≤0.006重量％，Cr的含量为1.12-1.19重量％，Mo的含量为0.21-0.22重量％，Ni的含量为0.43-0.44重量％，V的含量为0.08-0.09重量％，Cu的含量为≤0.15重量％，其余为Fe的含量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述锻造包括将所述钢锭进行预处理、压机开坯和精锻的过程。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，钢锭经所述压机开坯后锻造为中间坯，且所述中间坯的直径为450-550mm。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预处理的条件包括：所述钢锭进入加热炉的初始温度为大于等于500℃，然后在温度为1200-1250℃下保温5-6小时；优选地，所述钢锭进入加热炉的初始温度为500-550℃，然后在温度为1200-1250℃下保温5-6小时。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述压机开坯的条件包括：在温度为1200-1250℃下实施。
11.根据权利要求7或10所述的方法，其中，所述压机为4500KN的压机。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述两镦两拔的方式为镦-拔-镦-拔的变形方案，且每次镦粗的变形为小于原高度的1/2，优选地，每次镦粗的变形为原高度的1/2-1/3。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述精锻为1800KN的精锻机。
14.根据权利要求7或13所述的方法，其中，所述精锻的条件包括：在1170-1190℃温度下保温2-3小时。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述热处理的条件包括：将所述锻材在锻造后冷却至温度≤200℃下，再加热至850-900℃温度下保温7-8小时，然后再以30℃/h至35℃/h的冷却速度冷却至750-800℃温度下且保温8-9小时。
16.由权利要求1-15任意一项所述的方法制备的船用曲轴。
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