一种整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件制造技术

本发明专利技术涉及一种整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其质量百分数：C:0.15～0.20%,Si:0.20～0.45%,Mn:1.00～1.60%,S、P：≤0.030%,Cr:0.20～0.30%,Ni:0.20～0.40%,Mo:0.10～0.15%,V:0.04～0.08%,Ti:0.02～0.06%,其余为Fe。优点：一是采用整体铸造成型的方法来代替艉轴架轴毂和支臂分别铸造（锻造），再焊接成型的设计结构，不仅简化了制造工序，同时降低了生产成本，提高材料的利用率；二是整体铸造成型的人字艉轴架材料的性能达到了一致，整体的工作性能更能满足高动力船舶航行要求工作的载荷；三是由于实现了材料的一体化，产品克服了铸锻分体制造并通过焊接带来的缺陷，延长了产品的使用寿命，提高了工作效率，具有极其可观的经济效益和发展前景。

Cast steel part of stern shaft frame for integral casting forming large high power ship

The invention relates to a shaft bracket castings an integral casting of large high power ship, its mass percentage: C:0.15 ~ 0.20%, Si:0.20 ~ 0.45%, Mn:1.00 ~ 1.60%, S, P, 0.030%, Cr:0.20 ~ 0.30%, Ni:0.20 ~ 0.40%, Mo:0.10 ~ 0.15%, V:0.04 ~ 0.08%, Ti: 0.02 ~ 0.06%, the rest Fe. The advantages are: using the method of integral casting to replace the stern shaft hub rack and a supporting arm casting (forging), then welding structure design of molding, not only simplifies the manufacturing process, while reducing production costs, improve the utilization rate of materials; two is the performance of herringbone shaft bracket of the integral casting material at the same, the overall performance can meet the high power ship load requirements; three is due to the material integration, product manufacturing and casting body overcomes the defects caused by the welding, prolonging the service life of the products, improve the work efficiency, has the extremely considerable economic benefits and development prospects the.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用整体铸造成型的方法来代替艉轴架轴毂和支臂分别铸造（锻造），再焊接成型的设计结构，不仅使人字艉轴架材料的性能达到了一致，而且整体的工作性能更能满足高动力船舶航行要求工作载荷的整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，属高动力船舶用艉轴架铸钢件制造领域。
技术介绍
艉轴架又称“人字架”，通“尾轴架”。艉轴架是支承船外推进轴的支架，由轴毂和支臂组成。一般用于中小型舰船上，有单臂和双臂两种。单臂艉轴架只有一个支臂，其刚性较差，但重量轻，损坏时易于修理更换，常用于多螺旋桨的小型舰艇上。双臂艉轴架俗称人字架，刚性比单臂艉轴架好。人字艉轴架的两个支臂夹角在60°～90°之间，接近90°时刚性最好。支柱伸入船体内与刚性骨架连接，伸入处外板应加强，支臂的的截面根据流体力学原理，一般设计成鱼体流线型，以减少船舶航行时水的阻力。人字艉轴架大量应用于船体宽大、吃水浅、后体丰满的滚装船、渡船、客船等设有双桨的船型。由于人字艉轴架承受轴系和螺旋桨的静载荷以及螺旋桨工作时的动载荷，因此艉轴架在船体中固定的稳定性以及两支臂与轴毂之间的夹角会直接影响螺旋桨工作的平稳性和船舶行驶的动力。大型的人字艉轴架由于受传统制造工艺的制约，整体铸造成型的艉轴架往往会产生凝固收缩变形，两支臂夹角及支臂在船舱中的定位尺寸往往与设计要求有偏差。为了保证艉轴架与船体装配后满足船舶工作要求，在设计上往往采用艉轴架轴毂与支臂分别铸造成型（部分要求高的艉轴架轴毂和支臂采用锻造成型），然后根据艉轴架设计要求在现场固定装配，最后焊接而成（见图1-1和图1-2所示）。由于受船台工作环境限制，焊接时支臂在轴毂的定位以及焊接过程支臂在轴毂中的定位在船台上很难控制，且焊后处理很难保证严格按焊接工艺规范要求执行，焊缝区域质量很难达到设计要求。
技术实现思路
设计目的：避免
技术介绍
中的不足之处，设计一种采用整体铸造成型的方法来代替艉轴架轴毂和支臂分别铸造（锻造），再焊接成型的设计结构，不仅简化了制造工序，同时降低了生产成本，提高材料的利用率，同时整体铸造成型的人字艉轴架材料的性能达到了一致，整体的工作性能更能满足高动力船舶航行要求工作载荷的整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件。设计方案：1.在铸造工艺方案上通过增设工艺加强档和改善两支臂间型砂的退让性，来消除铸件两支臂间铸件收缩的阻碍，从而保证了艉轴架支臂的角度。2.通过在轴毂与支臂连接过渡区域和支臂顶端增设工艺补贴，不仅保证了铸件满足“顺序凝固”的要求，同时工艺补贴的设置加强了支臂的凝固收缩。3. 利用本公司自主研制的专利核心技术材料“一种GS24Mn6优化材料”，并根据船舶规范对铸件材料化学组分的控制要求，对材料组分中的C、Si、Mn三大不利于提高材料韧性的元素进行低含量控制，对Cr、Ni、Mo元素根据其在钢中的不同作用进行调整控制和并添加V、Ti来获得极细弥散相元素，从而到达细化晶粒的目的。4.根据铸件结构特点以及材料组分构成特点，通过制定专门消应力和性能热处理工艺，通过制定专门的去应力退火工艺，消除了收缩凝固过程产生的收缩应力，为下一道性能热处理奠定基础，通过专门的正火+回火热处理使材料的组分构成满足铸件材料的力学性能要求。本申请的关键在于解决整体铸造成型如何保证铸钢件的整体致密和支臂的收缩变形以及保证铸件的力学性能满足设计要求。解决这一问题采用的技术方案是：1.对整体艉轴架结构轴毂与支臂连接过渡区域采用大圆弧过渡，在铸造工艺方案上通过增设工艺加强档和工艺补贴，同时对艉轴架两支臂间的型砂的退让性进行优化和改善，从而达到了既保证了铸件内部的致密，同时消除了艉轴架支臂收缩过程的变形。2. 在利用本公司自主研制的核心专利技术材料“一种GS24Mn6优化材料”的基础上，对传统组分构成进行调整和再优化，通过降低C、Si、Mn三大不利提高材料韧性的元素含量及残余元素Cr、Ni、Mo在钢中残余含量的有效利用来提高材料的强度和韧性。同时添加微合金元素V、Ti来来细化晶粒，从而达到提高材料强度和韧性综合性能的目的。3.制定专门的消除铸造过程应力的去应力退火工艺和保证力学性能的正火+回火热处理工艺，根据调整后的组分特点制定专门的热处理工艺参数和冷却方式，使性能热处理后的铸件获得的优良性能。（一）为了实现上述设计目的，本申请在结构设计上：采用整体铸造成型（见图2）的方法来代替艉轴架轴毂和支臂分别铸造（锻造），再焊接成型的设计结构，不仅简化了制造工序，同时降低了生产成本，提高材料的利用率，同时整体铸造成型的人字艉轴架材料的性能达到了一致，整体的工作性能更能满足高动力船舶航行要求的工作载荷。本申请的技术难点分析：1.铸造工艺方案的设计如何克服铸件凝固过程造成的结构变形：根据整体艉轴架的结构特点，铸件在凝固过程中存在明显的温度场分布不均匀，从铸件凝固过程温度场分布图（见图3）来看，整个铸件凝固过程的发生由支臂顶端往轴毂区域靠拢，轴毂与支臂的过渡连接区域成为最后的凝固区。铸件的凝固过程也是铸件的收缩过程，在没有受到任何外界阻力的前提下，铸件的收缩遵循的是按铸件比例尺寸收缩，即铸件的收缩比例系数为一恒定值。除非在没有受到外界任何因素干扰的前提下，铸件收缩后才能达到设计尺寸要求。从整体艉轴架结构来看，在铸造过程中两支臂间明显受到型砂的阻碍，型砂在铸件浇注成型后两支臂件型砂烧结成V型分布（见图4），因此造成两平行支臂在凝固结束成“V”型状。2.铸造工艺如何满足整体艉轴架的内部致密：从该艉轴架凝固过程温度分别情况来看，铸件的轴毂区域是高温集中区域，也是铸件热节形成区域。根据铸件“顺序凝固” （即铸钢件在凝固顺序上遵循温度低区域先于温度高区域凝固，薄壁区域先于厚壁区域凝固的原则）的原则，在没有采取其它铸造工艺措施的情况下，最后凝固的区域（也就是铸件热节形成区域）往往容易造成铸件缩松缩孔等缺陷。3.钢水的化学组分构成如何满足铸件高动力性能的要求：由于艉轴架在船体中直接与海水接触，因此对于铸件的性能要求方面，不但要有高的强度性能，同时在低温海域要具有较高的低温冲击韧性。（二）为了实现上述设计目的，本申请在工艺参数和方案的设计上：1.首先在结构上进行优化改进，由于艉轴架轴毂与内外支臂连接过渡区域是艉轴架在工作时受载荷相对集中区域，因此对该区域采用大圆弧平滑过渡结构，该区域结构的优化改进一方面加强了该区域承受载荷的能力，同时平滑过渡也更有利与铸件“顺序凝固“过程的补缩。2.铸造工艺方案的设计，先对整体铸造的艉轴架铸钢件传统的铸造工艺方案利用仿真模拟软件对凝固过程模分析（见图5），从凝固过程分析来看，艉轴架支臂部分已经完全凝固时，而轴毂与支臂连接过渡区域仍然是高温液态，铸件的收缩凝固仍在进行。由于直支臂部分钢液相对较小，凝固过程散热较少，由于砂型必须保证再铸件凝固前有足够的强度，才能保证铸件的形状，砂型只有在高温受热后型砂中的粘结剂分解后，才会有较好的退让性。在整体艉轴架砂型中，艉轴架直支臂区域除了与钢水直接接触部分砂型浅表面高温受热分解，其余部分型砂几乎没有任何变化，因此该区域的线性收缩几乎为零。艉轴架斜支臂区域由于靠近轴毂，因此型砂受高温相对增加，越靠近轴毂，型砂的高温分解越彻底，斜支臂的线性收缩也呈现逐渐增强的趋势。在没有采取其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是质量百分数：C: 0.15～0.20%, Si: 0.20～0.45%, Mn: 1.00～1.60%,S、P：≤0.030%, Cr: 0.20～0.30%, Ni: 0.20～0.40%, Mo: 0.10～0.15%,V: 0.04～0.08%, Ti: 0.02～0.06%,其余为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是质量百分数：C: 0.15～0.20%, Si: 0.20～0.45%, Mn: 1.00～1.60%,S、P：≤0.030%, Cr: 0.20～0.30%, Ni: 0.20～0.40%, Mo: 0.10～0.15%,V: 0.04～0.08%, Ti: 0.02～0.06%,其余为Fe。2.根据权利要求1所述的整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是：依据ZL2009101021752的专利技术，对残余元素Cr、Ni、Mo的有效控制如下：Cr: 0.20～0.30%, Ni: 0.20～0.40%, Mo: 0.10～0.15%。3.根据权利要求1所述的整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是：材料力学性能Rp0.2：≥200MPa，Rm: ≥400MPa,A5%：≥25%, ψ%：≥40%，0℃试验温度下三个Akv值平均不小于27J。4.根据权利要求1所述的整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是：控制钢水中的C、Si、Mn三大主体元素在低含量范围，并有效控制残余元素Cr、Ni、Mo的含量范围，在此基础上添加V和Ti两种微量元素来细化晶粒，达到提高综合力学性能的目的。5.一种整体铸造成型大型高动力船舶用艉轴架铸钢件，其特征是：在结构上，由于艉轴架轴毂与内外支臂连接过渡区域是艉轴架在工作时受载荷相对集中区域，因此对该区域采用大圆弧平滑过渡结构，其大圆弧的弧度为R100-R200；在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江忠，钱少伦，
申请(专利权)人：宝鼎科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33