一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺
阅读说明：本技术 一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺 (Forging and heat treatment process for high-strength forging of marine rudder system ) 是由 张晶 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺,其技术方案要点是包括以下步骤：S1：对原材料进行熔炼；S2：原材料锻造加热,得到钢锭；S3：锻造,得到锻件；钢锭锻造包括三个火次；S4：锻件热处理；S5、对锻件进行调质处理,本发明具有产品强度和韧性高、良好的冷热变形能力和优良的性能稳定性,使用寿命长的优点。(The invention discloses a forging and heat treatment process of a high-strength forging of a marine rudder system, which has the technical scheme main points that the forging and heat treatment process comprises the following steps: s1: smelting the raw materials; s2: forging and heating the raw materials to obtain a steel ingot; s3: forging to obtain a forged piece; the steel ingot forging comprises three heating times; s4: carrying out heat treatment on the forged piece; s5, quenching and tempering are carried out on the forged piece, and the invention has the advantages of high product strength and toughness, good cold and hot deformation capability, excellent performance stability and long service life.)
技术领域
本发明涉及锻件热处理工艺领域，特别涉及一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺。
背景技术
18Cr2Ni4W为高强度钢常用合金渗碳钢,强度,韧性高,淬透性良好,也可在不渗碳而调质的情况下使用,一般用做截面较大,载荷较高且韧性良好,缺口敏感性低的重要零件。随着国内特种船舶建造水平的大力发展，对船舶功能性要求也越来越多。正因为此类材质既具有高强度，耐磨，淬透性好。所以此类钢在船用锻件领域运用也愈来愈广泛。由于海上是高盐、高湿度的特殊环境，对于锻件的性能要求也越发苛刻。
但是传统材料存在以下问题：材料导热性差，线性膨胀系数大，所以锻造性能不良，过热敏感性大，锻造工艺控制不当会产生晶粒迅速粗化，严重影响后期热处理质量。因此此类材料的生产合格率较低，产品的性能和使用寿命均匀不能满足海上使用的严格要求。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺，具有产品强度和韧性高、良好的冷热变形能力和优良的性能稳定性，使用寿命长的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺，包括以下步骤：
S1：对原材料进行熔炼；
S2：原材料锻造加热，得到钢锭；
S3：锻造，得到锻件；钢锭锻造包括三个火次：
(1)第一火次：钢锭依次拔长、镦粗，锻造温度为1180～1205℃；
(2)第二火次：钢锭依次拔长、镦粗成型，锻造温度为1180-1200℃；
(3)第三火次：将钢锭拔长成型,锻造温度为1150-1180℃；
S4：锻件热处理，包括：
(1)锻后空冷处理：将锻件放至空气中冷却；；
(2)对锻件进行正火以及回火处理：1、将锻件送入炉中正火并保温，正火温度920～930℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件空冷，空冷必须小于500℃后再进炉回火；2、将锻件送入炉中回火并保温，回火温度660～680℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min；保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下出炉空冷；
(3)锻件粗加工；
S5、对锻件进行调质处理，包括：
(1)锻件淬火：锻件入炉加热，在910～920℃的淬火温度下保温，保温结束后出炉将锻件放入水溶性介质池中冷却；
(2)一次回火：锻件入炉加热，在530-550℃的回火温度下保温，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温；
二次回火：锻件入炉加热，在500-530℃的回火温度下保温，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
进一步的，锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.13-0.19％，Mn：0.3-0.6％，P：≤0.020％，S≤0.020％，Si：≤0.17-0.37％，Cr：1.35-1.65％，Ni：4.0-4.5％，W：0.8-1.2％；Cu：≤0.20％，余量为Fe及杂质。
进一步的，所述步骤S2具体包括：(1)装炉；装炉温度≤400℃；(2)升温；400-800℃按加热升温速度≤100℃/h；(3)保温；分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1200℃；每个保温阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭保温1.2～1.5h。
进一步的，在步骤S3的第一火次中，钢锭的终锻温度≥900℃，完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180～1200℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
进一步的，在步骤S3的第二火次中，终锻温度≥900℃；完成的第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1150-1180℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
进一步的，在步骤S3的第三火次中，终锻温度≥900℃；完成第三火次后，将锻件空冷至600℃入炉做锻后热处理。
进一步的，在步骤S3的第一火次中，总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2；第二火次中，总拔长比＞2.2，总镦粗比＞2.2；第三火次中，总拔长比＞2.2。
进一步的，在步骤S4的正火以及回火处理中：锻件在500-600℃的温度条件下装炉回火；锻件在680℃的温度条件下装炉回火。
进一步的，在步骤S5中：1、淬火中，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；2、一次回火中，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min；3、二次回火中，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min。
进一步的，在步骤S5中：1、淬火中，淬火保温温度为910℃，冷却温度必须小于40℃后再进炉回火，淬火过程的重复次数≤2；2、一次回火中，回火保温温度为540℃；2、二次回火中，回火保温温度为500℃。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.采用多火次控温锻造，尽可能得到较大变形量，能够防止锻件裂纹的产生，既克服了容易过热的问题，又能保证晶粒度，同时又能提高了材料的组织均匀性，得到细晶基体，充分发挥细晶强化的作用，大大强化了产品的综合力学性能，进而延长产品在严苛海况下的使用寿命；
2.采用锻后正火加回火方式，既可以均匀化细化晶粒，进一步消除了组织的不均匀性，又消除材料内部的残余应力，有效的提高了最终热处理的效果；
3.采用淬火加双回火的热处理方式，既可以减少残奥的存在，又可以消除材料内部的残余应力，有效的提高了产品的抗变形能力及性能的稳定性。
4.通过合理调整钢中的合金元素含量范围，提高材料的可锻性，从而便于锻造时增加材料的变形量，使得锻件在锻后获得均匀细晶粒，进一步发挥细晶强化的作用。
附图说明
图1是船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺的步骤示意图；
图2是试样1的金相图；
图3是试样2的金相图；
图4是试样3的金相图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
实施例1：一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：对原材料进行熔炼，具体为：对电弧炉和炉外精炼的处理过程。原材料中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.13-0.19％，Mn：0.3-0.6％，P：≤0.020％，S≤0.020％，Si：≤0.17-0.37％，Cr：1.35-1.65％，Ni：4.0-4.5％，W：0.8-1.2％；Cu：≤0.20％，余量为Fe及杂质。由于对钢中的合金元素的要求范围较为宽泛，因此根据需求调节部分合金元素的含量范围，为了提高材料的可锻性。
步骤S2：原材料锻造加热，得到钢锭。具体包括以下工步：
(1)装炉；装炉温度≤400℃；(2)升温；400-800℃按加热升温速度≤100℃/h；(3)保温；分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1200℃；每个保温阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭保温1.2～1.5h。
S3：锻造，得到锻件；钢锭锻造包括三个火次：
(1)第一火次：钢锭依次拔长、镦粗，锻造温度为1180℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(2)第二火次：钢锭依次拔长、镦粗成型，锻造温度为1180℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成的第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1150℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(3)第三火次：钢锭拔长成型，锻造温度为1150℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2。完成第三火次后，将锻件空冷至600℃入炉做锻后热处理。
完成三个火次的处理，得到处于初态的锻件。
S4：锻件热处理，具体包括以下工步：
(1)锻后空冷处理：将锻件放至空气中冷却，锻件冷却到500℃。
(2)对锻件进行正火以及回火处理：1、将锻件送入炉中正火并保温，入炉温度500℃，正火温度920℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件空冷，空冷必须小于500℃后再进炉回火；2、将锻件送入炉中回火并保温，回火温度660℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min；保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下出炉空冷。
(3)锻件粗加工。
S5、对锻件进行调质处理，具体包括以下工步：
(1)锻件淬火：锻件入炉加热，在910℃的淬火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min，保温结束后出炉将锻件放入水溶性介质池中冷却，冷却温度必须小于40℃，以便后续再进炉回火。根据锻件需求，淬火可以重复进行，淬火过程的重复次数≤2。
(2)一次回火：锻件入炉加热，锻件入炉温度小于40℃，在530℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
(3)二次回火：锻件入炉加热，在500℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
实施例2：一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺，与实施例1不同的地方在于：
S3：锻造，得到锻件；钢锭锻造包括三个火次：
(1)第一火次：钢锭依次拔长、镦粗，锻造温度为1190℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1190℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(2)第二火次：钢锭依次拔长、镦粗成型，锻造温度为1190℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成的第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1165℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(3)第三火次：钢锭拔长成型，锻造温度为1165℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2。完成第三火次后，将锻件空冷至600℃入炉做锻后热处理。
S4：锻件热处理，具体包括以下工步：
(1)锻后空冷处理：将锻件放至空气中冷却，锻件冷却到550℃。
(2)对锻件进行正火以及回火处理：1、将锻件送入炉中正火并保温，入炉温度550℃，正火温度925℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件空冷，空冷必须小于500℃后再进炉回火；2、将锻件送入炉中回火并保温，回火温度670℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min；保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下出炉空冷。
S5、对锻件进行调质处理，具体包括以下工步：
(1)锻件淬火：锻件入炉加热，在915℃的淬火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min，保温结束后出炉将锻件放入水溶性介质池中冷却，冷却温度必须小于40℃，以便后续再进炉回火。根据锻件需求，淬火可以重复进行，淬火过程的重复次数≤2。
(2)一次回火：锻件入炉加热，锻件入炉温度小于40℃，在540℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
(3)二次回火：锻件入炉加热，在515℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
实施例3：一种船用舵系高强度锻件锻造及热处理工艺，与实施例1不同的地方在于：
S3：锻造，得到锻件；钢锭锻造包括三个火次：
(1)第一火次：钢锭依次拔长、镦粗，锻造温度为1205℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(2)第二火次：钢锭依次拔长、镦粗成型，锻造温度为1200℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2；总镦粗比＞2.2。完成的第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每200mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
(3)第三火次：钢锭拔长成型，锻造温度为1180℃，并且保证终锻温度≥900℃。其总拔长比＞2.2。完成第三火次后，将锻件空冷至600℃入炉做锻后热处理。
S4：锻件热处理，具体包括以下工步：
(1)锻后空冷处理：将锻件放至空气中冷却，锻件冷却到600℃。
(2)对锻件进行正火以及回火处理：1、将锻件送入炉中正火并保温，入炉温度600℃，正火温度930℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件空冷，空冷必须小于500℃后再进炉回火；2、将锻件送入炉中回火并保温，回火温度680℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min；保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下出炉空冷。
S5、对锻件进行调质处理，具体包括以下工步：
(1)锻件淬火：锻件入炉加热，在920℃的淬火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min，保温结束后出炉将锻件放入水溶性介质池中冷却，冷却温度必须小于40℃，以便后续再进炉回火。根据锻件需求，淬火可以重复进行，淬火过程的重复次数≤2。
(2)一次回火：锻件入炉加热，锻件入炉温度小于40℃，在550℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
(3)二次回火：锻件入炉加热，在530℃的回火温度下保温，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.3～2.5min，保温结束后将锻件随炉冷却至400℃以下，之后锻件出炉空冷至室温。
产品性能检测：
试样准备：从实施例1、实施例2和实施例3中随机抽选一组产品作为试样。
检测项目：抗拉强度Rm(MPa)、屈服强度Rp0.2(Mpa)、伸长率A％、收缩率Z％、AKv冲击(J)和硬度HB。
工作人员对三组试样分别进行综合力学实验，详细检测结果见表1。
表1：锻件综合性能检测表
实验结果分析：
1、抗拉强度Rm(MPa)和屈服强度Rp0.2(Mpa)为两个重要的结构强度指标，其能直观反映锻件的结构强度，试样1、2和3的实测值均满足性能要求，其中屈服强度超出标准20％左右。
2、伸长率A％和收缩率Z％为反映锻件塑性的性能指标，试样1、2和3的实测值均满足性能要求，并且收缩率Z％实测值超出标准近一倍。
3、AKv冲击(J)反映锻件在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，一般材料内部夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹晶粒粗化等都会使ak值明显降低。对每组试样均进行三次冲击功测试，实测结果远远超过标准，进一步说明锻件的内部组织均匀并且致密，减少残奥的存在，消除材料内部的残余应力。
4、硬度HB，样1、2和3的实测值均满足性能要求，在保证使用要求的前提下，兼顾锻件的可锻性。
锻件组织微观检测：
检测项目：1、晶粒度按GB/T6394，不小于5级。
2、非金属夹杂物按GB/T10561，A细≤1.5，A粗≤1.0；B细≤1.5，B粗≤1.0；C细≤1.5，C粗≤1.0；D细≤2.0，D粗≤1.0。
从实施例1、实施例2和实施例3中分别随机选取试样。
金相检测结果：
试样1：
A、金相微观结果见图2所示，可见组织均匀并致密，没有晶界断裂。
B、A细0，A粗0；B细0.5，B粗0.5；C细1.0，C粗1.0；D细1.0，D粗1.0，符合标准。
C、晶粒度评定级别：7.5级，大于5级，符合标准。
试样2：
A、金相微观结果见图3所示，可见组织均匀并致密，没有晶界断裂。
B、A细0.5，A粗0.5；B细0.5，B粗0.5；C细0.5，C粗0.5；D细1.0，D粗1.0，符合标准。
C、晶粒度评定级别：8级，大于5级，符合标准。
试样3：
A、金相微观结果见图4所示，可见组织均匀并致密，没有晶界断裂。
B、A细1.0，A粗1.0；B细0.5，B粗0.5；C细0.5，C粗0.5；D细1.0，D粗1.0，符合标准。
C、晶粒度评定级别：8级，大于5级，符合标准。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。