大型低速柴油機用高性能汽缸蓋及制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽缸蓋鍛件生產(chǎn)完成后，內(nèi)部既不會出現(xiàn)偏析、疏松、晶粒分布不勻等現(xiàn)象，而且在同一平面內(nèi)性能差異極微，性能穩(wěn)定，并且材料利用率高的大型低速柴油機用高性能汽缸蓋及制造工藝，屬汽缸蓋制造領域。
【背景技術】
[0002]目前國內(nèi)船用柴油機制造商，均采用MAN公司專利技術要求進行汽缸蓋制造，因性能要求，多采用合金鋼鍛制，而合金鋼鍛件塑性、韌性等較差，鍛件生產(chǎn)完成后，內(nèi)部往往易出現(xiàn)偏析、疏松、晶粒分布不勻等現(xiàn)象，經(jīng)性能檢測，導致指標不符或同一平面內(nèi)性能差異極大，性能不穩(wěn)定。另一方面，因缸蓋本身結(jié)構特點，分上、下兩個不同直徑的平面，且存在一個較大內(nèi)孔，這使材料利用率往往較低。
[0003]即鋼錠整體加熱后大壓下量鐓粗，鐓粗后錯冒口，鐓粗漏盤更換成大平砧，沖子沖孔后，坯料豎起，套進芯棒，滾圓完工。
1、鋼錠整錠鐓粗，必須采用大壓下量，鋼錠內(nèi)部晶粒雖被打碎，起到細化作用，但對于低碳合金鋼而言，其塑性相對較差，內(nèi)部仍可能存在偏析，或組織不均勻，且內(nèi)部會存在較大應力；
2、錯冒口后大平砧上鐓粗，側(cè)面擠出量不易控制，因此需在下料時適當增加下料重量，導致生產(chǎn)成本上升；
3、滾圓成型后，缸蓋粗加工成品尺寸分不同直徑，后續(xù)工件的切削加工量非常大，機床加工費時費力；
4、超聲波檢測后，其內(nèi)部的晶粒狀態(tài)均不夠穩(wěn)定，存在“粗晶”現(xiàn)象，這個后續(xù)的熱處理過程帶來潛在風險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]設計目的:避免【背景技術】中的不足之處，設計一種汽缸蓋鍛件生產(chǎn)完成后，內(nèi)部既不會出現(xiàn)偏析、疏松、晶粒分布不勻等現(xiàn)象，而且在同一平面內(nèi)性能差異極微，性能穩(wěn)定，并且材料利用率高的大型低速柴油機用高性能汽缸蓋及制造工藝。
[0005]設計方案:船用主機大部分時間是在滿負荷情況下工作，有時在變負荷情況下運轉(zhuǎn)。船舶經(jīng)常在顛簸中航行，所以船用柴油機應能在縱傾15°?25°和橫傾15°?35°的條件下可靠工作。本發(fā)明的大型低速柴油機用高性能汽缸蓋，因其需承受高溫和高壓的作用，導致在機械性能方面需具有特殊的要求，一方面要求熱處理均勻，組織細化，且強度分布要勻稱。另一方面工件的抗疲勞強度指標必須達標，因缸蓋在使用中需承受持續(xù)性的高溫高壓和運動所產(chǎn)生的負荷，其抗疲勞性能必須優(yōu)良，如此方能保證其使用壽命，保證柴油機的正常運作。
[0006]低速船用柴油機汽缸蓋鍛件最終成品形狀結(jié)構復雜，使用時為保證性能均勻穩(wěn)定，具一定耐高溫腐蝕性、耐沖擊特性等，需對材質(zhì)成分進行優(yōu)化控制，另需根據(jù)使用條件，明確具體性能指標。
[0007]按目前國內(nèi)常用柴油機的性能要求，其應達到下列指標:
抗拉強度2 640MPa、屈服強度2 450MPa、伸長率2 18.0%、斷面收縮率2 40.0%、耐沖擊韌性值AKv^ 32J, HB:190-220.成分控制:C: 0.17-0.22%、Si < 0.45%^Mn: 0.95-1.1%、P < 0.03%、S < 0.03%^Cr:0.9-1.1%、Μο:0.4-0.5%、Ni<0.4%、V:0.08-0.12%、Nb<0.005%。
[0008]一、本申請在制定如上成分控制要求，主要從以下幾個方面進行了考慮:
1、鋼中含碳量對機械性能有最直接的影響，隨著碳當量的增加，鋼種強度硬度會顯著上升，但其塑性及韌性則會變差，如圖5所示，因此對于此次研制，要同時考慮強度及韌性方面的影響，碳當量必須控制在一定范圍，本次試制碳當量在0.17-0.22%，如此設定一方面考慮到缸蓋的綜合性能指標，如碳當量控制過高，對于內(nèi)部偏析及耐低溫沖擊特性等均較難控制，另一方面精確的低碳當量控制，對鍛造時的塑性要求起到正面作用；
2、P、S含量的控制，P、S在鋼種屬有害元素，其含量不宜過高，工件中若含有一定的S，雖在一定程度上能改善鋼的切削性能，但會使鋼中偏析現(xiàn)象嚴重，同時Fe與S會形成Fe S化合物，消弱晶粒之間的結(jié)合力，導致鋼的熱脆現(xiàn)象。P與S—樣，雖能改善切削，但P含量的增加，會增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，致使鋼在冷加工時容易脆裂，即所謂的冷脆現(xiàn)象，因此本次試制對原材料的控制中，把P、S元素含量均控制在0.03%以下；
3、Mn含量的控制，在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30 —
0.50%，在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“猛鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，同時Mn元素的加入能極大的提高的延展性能，反映在力學性能上，能使鋼的斷后伸長率有大幅提升，主要原因為在液體狀態(tài)下，Mn元素結(jié)合而成的晶粒細化，單位面積上晶粒較多，且晶界連接較強，起到一定的耐腐蝕作用。但Mn含量過高，鋼錠加熱到奧氏體化溫度后，鋼種晶粒會急劇增大，脆性明顯，冷卻后對性能不利。綜合考慮，對Mn含量設定在0.95-1.1%之間；
4、Si含量的控制，在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15—
0.30%的硅。Si的加入，能顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度，和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，但對鋼的韌性、焊接性能等有一定負面影響，最終設定Si含量 <0.45%;
5、Cr,Mo,Ni的含量控制:鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼、耐熱鋼的重要合金元素。此次成分優(yōu)化，Cr元素的控制是關鍵，區(qū)間設定在0.9-1.1%之間。此能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力，還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性，本項目產(chǎn)品需具備在高溫高壓下持續(xù)運行的能力，因此Mo的加入是必須的，含量精確控制在0.4-0.5%。
[0009]Ni作為稀有元素，對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力，適當加入對改善綜合性能具有積極作用，Ni含量控制<0.4%。
[0010]6、V是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在尚溫尚壓下可提尚抗氣腐蝕能力。^含量控制:0.08-0.12%;
7、Nb能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。因此Nb含量控制<0.005%。
[0011]二、技術分析:
1.對制定的元素成分進行分析，包括單個元素以及元素與元素之間的影響，制定鋼錠加熱工藝，終鍛溫度，始鍛溫度的控制，始鍛溫度若過高，則會使晶粒急速膨脹，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，使內(nèi)部的組織晶界發(fā)生變化而影響最終的性能，若終鍛溫度過低，使產(chǎn)品成型時的變形量不均勻，且存在較大的鍛造應力，也會導致產(chǎn)品最終的尺寸與性能不穩(wěn)定，因此首先要根據(jù)成分的配比確定科學合理的加熱工藝和始終鍛溫度；
2.鍛造工藝技術分析，該類產(chǎn)品按常規(guī)的鍛造工藝進行生產(chǎn)，鍛造毛坯到粗加工結(jié)束，切削量達25%，加工費時，工效低下，因此需根據(jù)產(chǎn)品的實際情況制定科學的鍛造工藝，關鍵是對沖孔過程必須進行控制，因此需配備專門的芯棒，沖子，通過專用工裝的設計，鍛造出高利用率且質(zhì)量符合要求的產(chǎn)品；另一方面，鍛造過程中必須要對變形量進行控制，包括鐓拔次數(shù)的控制等，使組織均勻分布，且應力降低到最小程度；
3.熱處理工藝技術的分析，熱處理主要目的是消除鍛造應力，使內(nèi)部組織均勻細化，且使最終的機械性能符合要求。根據(jù)具體使用情況，熱處理過程中需保證淬火深度，回火時間控制，使內(nèi)外部組織均勻，這需在成分優(yōu)化控制的基礎上，做好第一熱處理，一方面保證珠光體+鐵素體組織均勻細化，另一方面需消除鍛造應力。
[0012]三、技術創(chuàng)新點:
1.在本申請人已有“一種GS24Mn6鑄鋼件”專利技術基礎上，對成分進行優(yōu)化控制，以已有專利入手，對單個元素，元素與元素間的作用進行分析，最終形成如下成分范圍:C:0.17-0.22%、Si<0.45%^Mn:0.95-1.1%、P<0.03%、S<0.03%^ Cr:0.9-1.l%、Mo:0.4-0.5%、Ni<0.4%、V:0.08-0.12%、Nb<0.005%。
[0013]2.鍛造工藝技術，采用新型鍛造方法，設計漏盤，鋼錠加熱時采用分段加熱技術，鍛造過程控制產(chǎn)品表面的變化，采用快速小壓下量壓制技術，使鍛后產(chǎn)品具有合格的內(nèi)部質(zhì)量和外觀尺寸。考慮到本身材質(zhì)(S20CrMoVS)塑性較差，對鋼錠采用分段加熱，由傳統(tǒng)的一個鋼錠生產(chǎn)一件缸蓋，通過一次鐓粗成型的鍛造工藝改進為一件鋼錠生產(chǎn)兩個缸蓋，鋼錠通過兩次大壓下量鐓拔，鐓拔后對坯料重新鋸料下料，在專用漏盤上采用單次壓下量<5%的變形量的新型鍛造工藝，通過新型工藝，保證工件內(nèi)部被完全鍛透，晶粒細化均勻，組織狀態(tài)穩(wěn)定。
[0014]3.熱處理工藝技術的改進:傳統(tǒng)的熱處理工藝技術為毛坯鍛造結(jié)束后，隨即進行粗加工，再采用完全水冷的方式進行淬火，后回火。在此基礎