大型船用彎舵桿鍛件熱處理工藝

■ 姜曉霞，黃保國

近期，我公司生產的某船廠用20Mn材質大型彎舵桿鍛件（見圖1），長約11m，重約55t，需采用鍛造方式生產。該鍛件形狀較為復雜，且因尺寸落差較大，技術要求較高，實際生產中很難一次熱處理滿足要求。因此，實際生產中我們通過數據統計分析，制訂了熱處理生產方案，最終達到一次熱處理滿足各項性能指標及超聲波檢測要求。

1. 鍛件形狀及尺寸

鍛件形狀及尺寸如圖1所示。該鍛件形狀較為復雜，而且兩端尺寸差較大，在后續熱處理生產時兩端性能指標呈現出較大差值。

圖1 鍛件形狀及尺寸

2. 彎舵桿技術要求

（1）材料 20Mn鋼化學成分要求見表1。

（2）力學性能 該彎舵桿為鍛后熱處理進行性能、無損檢測驗收，試樣取自鍛件兩端表面近80mm位置。熱處理時鍛件一端寬度為1935mm，一端直徑為860mm。熱處理后力學性能要求見表2。

（3）超聲波檢測 該鍛件雖然尺寸落差大，但各部位無損檢測要求均相同，心部φ6mm，表層φ3mm，見表3。

3. 工藝難點

（1）材料分析 20Mn鋼鍛件屬低碳鋼。技術要求較國標嚴格限制了合金元素含量，且碳當量的要求限制了該鋼號主要元素C、Mn含量，熱處理后難以同時穩定滿足強度、沖擊韌度要求。

（2）力學性能分析 由于該鍛件兩端尺寸差較大，熱處理空冷時兩端很難達到同樣冷速，并且技術要求強度差≤70MPa。因此，鍛件熱處理后很難控制其強度差要求。

（3）超聲波檢測要求 該鍛件形狀復雜，鍛造過程中為節省生產成本，利用現有附具進行鍛造，因尺寸較大端鍛造比小，造成尺寸較大端內部殘留較多粗大組織，對熱處理后無損檢測產生較大影響。

（4）熱處理變形問題 該彎舵桿屬于半長軸半方鍛件，裝爐困難，尺寸落差大，很難各個位置墊平、墊實。因此，在熱處理過程中非常容易產生變形，并且鍛件若變形嚴重，將升高溫進行鍛造返修，需重新進行熱處理，從而造成較高額外生產成本。

4. 熱處理工藝開發

（1）材料優化 為保證鍛件強度、沖擊韌度綜合性能，在滿足技術要求的前提下，制訂了20Mn鋼公司內控標準，見表4。將C、Mn含量控制在最上限，以此提高其強度指標。在合金元素總和≤0.80%要求下，全部按照上限控制，以此提高鍛件強度、沖擊性能指標。

（2）熱處理工藝 為降低生產成本，熱處理采用一次正火+回火工藝（見圖2），并在空冷時采用噴霧冷卻方式（見圖3），加速鍛件冷卻速度，并且可以有效地控制兩端冷速不均問題。通過噴霧冷卻可以獲得更加均勻的空冷組織，以此進一步保證鍛件強度、沖擊性能要求，并且提高鍛件超聲波檢測效果。

表1 20Mn鋼化學成分要求（質量分數） （%）

表2 20Mn鋼彎舵桿熱處理后力學性能要求

表3 彎舵桿無損檢測要求

表4 20Mn鋼內控標準（質量分數） （%）

（3）變形控制 為使鍛件熱處理后變形在可控范圍，采用專用墊塊將鍛件整體墊起、墊平（見圖4），尤其是在尺寸變化的各個拐點處，防止了鍛件易變形處的變形趨勢。

5. 結果

通過上述方案的實施，該批20Mn鋼彎舵桿鍛件全部一次熱處理成功，無損檢測、性能檢測合格（性能檢測結果見表5），滿足鍛件各項技術要求，并且鍛件未產生較大變形，無返修發生。

6. 結語

通過材料優化，合理控制元素含量，熱處理空冷采用噴霧冷卻方式，最終解決鍛件生產難題。并且成功開發出20Mn鋼彎舵桿熱處理生產方式，保證了鍛件產品質量，降低了鍛件生產成本，提高了產品市場競爭力。

圖2 20Mn鋼彎舵桿鍛后熱處理工藝

表5 20Mn鋼彎舵桿鍛件實際性能值

鍛件編號 位置 σs/MPa （0℃）/J 1 大端 322 525 29.5 65 78、80、68小端 335 535 28.5 60 80、90、92 2 大端 315 510 30.0 65 85、84、90小端 330 530 29.0 55 67、80、73 3 大端 328 528 29.0 63 70、74、69小端 340 541 27.0 55 55、63、58 Ψ AKV σb/MPa δ5（%） （%）

圖3 鍛件噴霧空冷

圖4 彎舵桿裝爐