船用轴系锻件次表面夹杂物控制的冶炼工艺改进
时间:
2026-08-26
针对40Mn 大型船用轴系锻件由大型夹杂物造成的精加工表面缺陷问题，对冶炼过程的脱氧工艺、造渣工艺与浇注工艺进行了改进，将钢中夹杂物含量与尺寸控制在较低水平，难以形成宏观缺陷，消除了这一问题对锻件质量的影响。
1.1 技术要求
锻件的检验主要包括室温下的机械性能试验，裂纹、表面缺陷检验以及非金属夹杂物的检验。裂纹、表面缺陷检验使用磁粉探伤方法，且进行磁粉探伤检验时锻件应是在完工的条件下，小的表面缺陷可以用打磨或凿削去除。须用磁粉或着色试验进行检查，来证实完全消除了这些缺陷。非金属夹杂物用超声波进行检验。40Mn轴系锻件的化学成分要求见表1。
1. 2 生产工艺
脱氧方式为硅铝锰复合脱氧，生产工艺为碱性电弧炉初炼+LF精炼+VD除气+真空浇注。
本批次共生产7支121t 40Mn 大型钢锭用于生产螺旋桨轴、中间轴等船用轴系锻件。其中，代号M1的螺旋桨轴产品在精加工完毕后做MT 探伤，结果显示表面有延轴向断续分布的发纹及少量开口性裂纹，最终报废; 代号M2 的螺旋桨轴在加工过程中发现表面缺陷报废; 其他产品亦有部分存在不同程度的此类缺陷，后经开槽去除。表2 所示为M2 的熔炼成分，为分析缺陷产生原因，对M2 进行了解剖。
对M2 垂直表面缺陷取横截面试样2 块，试样1缺陷处为凹坑形态，凹坑底部为夹杂物，同时缺陷附近发现大型夹杂( 见图1a) ，试样2 酸浸后局部出现密集的条状浸蚀坑，低倍照片见图1b。能谱分析结果见表3。
通过以上分析可知，钢水纯净度较差，缺陷处主要有内生及外来两种类型的大型夹杂物: a 由内生氧化铝聚集而成的大型夹杂物，Al2O3脆性夹杂在钢锭的次表面聚集成堆，长度接近毫米级，构成宏观缺陷，形成断续分部的发纹及少量开口性缺陷; b Al、Ca、Mn、Mg 等复合氧化物构成外来大型夹杂物，说明精炼渣与钢水的分离性差、易滞留钢中形成缺陷。这些夹杂物造成的缺陷使螺旋桨轴在精加工过程中报废。
为了解决上述问题，在工艺思路上进行了如下改进: a 在冶炼过程中控制钢水中Al2O3的含量，并改进渣系组成与结构，促进夹杂物充分上浮使精炼渣与钢水分离; b 浇注过程减少含Al2O3耐材对钢水的污染; c 改进浇注条件，在真空浇注过程中尽可能降低钢水的二次氧化与精炼渣的带入量，减少夹杂物在大型钢锭凝固过程中的聚集，使小尺寸的的内生夹杂物尽可能的分散分布。为此，我们对精炼过程的脱氧方式进行了调整，对顶渣组成与造渣方式进行了优化，并对VAC浇注技术进行改进，成功解决了这一难题。
1) 初炼炉后造高碱度特种顶渣，炉渣应保证良好的流动性，渣量满足保护钢水的要求。造电石渣进行深脱氧，当［O≤30×10^-6 时，加入合金完成合金化操作。
2) 对顶渣进行改性处理，将硫控制到50×10^-6以内。精炼后期，用碳粉保持还原气氛，进一步脱氧脱硫，当温度达到1650～1660℃时进行VD 处理。
3) VAC浇注过程必须保证良好的氩气保护效果，通过控制中间包开浇温度、中间包芯杆压力使钢流充分散开，并保证冒口良好的保温效果。
工艺改进后共生产8支大型钢锭用于生产螺旋桨轴、中间轴等船用轴系锻件，锻件精加工表面缺陷问题得到大幅改善。
