大型船用吊钩锻件淬火冷却方式的研究

杨晓禹，王洪斌，张彩红

(中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部，黑龙江 齐齐哈尔 161042)

目前使用的大型船用四爪吊钩多为铸件，使用过程中在钩爪的U型弯部位应力集中处容易出现龟裂，需要反复返修，给大型起重船造成严重经济损失。大型船用吊钩未来发展趋势，首先是由铸件改为锻件，再由普通锻件改为全纤维仿形锻造锻件，从而大幅提高吊钩的起吊能力与安全可靠性，同时减少大型起重船靠岸检修时间，提升大型起重船的商业运行效率与经济效益。

图1为全纤维仿形锻造的5000吨级船用四爪吊钩锻件，为变截面锻件，性能要求较高，采用剧烈的淬火方式极易导致锻件开裂[1]。本文通过设计3组热处理实验，对比了不同淬火冷却方式对锻件性能的影响，确定淬火冷却方式；然后利用Deform软件模拟计算水冷过程中锻件各部位的应力和温度变化，确定了最佳的淬火工艺参数，从而获得了综合性能较好的锻件[2]。

图1 大型船用四爪吊钩三维造型

1 锻件材质及性能要求

本文中大型船用吊钩锻件材质为30CrNiMo8，化学成分见表1，机械性能要求见表2。取样位置为近内孔表面80 mm处。

表1 锻件化学成分(质量分数，%)

表2 机械性能要求

2 试验方法

2.1 淬火冷却方式的确定

对于30CrNiMo8材质锻件大部分仅要求室温或0 ℃冲击韧性，对-30 ℃冲击韧性的研究较少，为得到强度和-30 ℃冲击功均满足设计要求的吊钩锻件，必须提高锻件的淬火冷却速率。但吊钩锻件为变截面锻件，不同位置的淬火厚度为300～1100 mm，上端取样位置处的淬火厚度为340 mm，下端取样位置处的淬火厚度为1080 mm，截面尺寸相差极大，且锻件碳含量相对较高，剧烈的淬火方式会在锻件内部产生较大的应力，极易导致锻件开裂[3]。

为了确定吊钩锻件的淬火工艺参数，进行淬火热处理模拟实验，如图2和图3所示，分别采用水冷和油冷的冷却方式，并检测取样位置处的机械性能，根据冷却特性曲线确定冷却速率[4]。

图2 吊钩锻件采用水冷的热处理工艺

图3 吊钩锻件采用油冷的热处理工艺

表3为不同热处理工艺下锻件的机械性能。由表3可知，油冷时，锻件的-30 ℃冲击功偏低，不能满足锻件的性能要求；水冷时，锻件的强度和-30 ℃冲击功均满足性能要求。因此，吊钩锻件淬火时不能采用单一油淬的冷却方式。吊钩锻件的碳当量约为0.67，原则上可以采用水淬的冷却方式，但吊钩锻件为异形件，截面尺寸变化较大，如一直采用水冷，锻件内部的应力极大，会增加锻件开裂倾向。综合考虑性能和锻件的实际形状尺寸情况，热处理工艺最终确定采用先水冷后油冷的冷却方式，以期在保证锻件性能的同时降低开裂的风险。

表3 不同热处理工艺下锻件的机械性能

2.2 淬火水冷时间的确定

淬火水冷时间对锻件的性能有重要的影响，锻件水冷时间太短，锻件性能无法满足要求；水冷时间太长，又易导致锻件开裂。为了确定最佳的水冷时间，利用deform软件模拟吊钩锻件水冷过程中锻件各部位应力和温度的变化。图4为模拟得到的吊钩锻件水冷15 min后温度和应力的分布，P1和P2为锻件的取样位置处。模拟结果表明，锻件水冷15 min后，取样位置处温度降低到600 ℃左右，已经基本避开了珠光体转变区域，后期降温速度变慢也基本不会发生珠光体转变；同时锻件钩爪处的有效应力达到了1400 MPa，基本上达到了该锻件的屈服强度。为了保证锻件不开裂，确定锻件水冷时间为15 min[5]。

图4 吊钩锻件水冷15 min后温度和应力的分布

3 试验结果

根据模拟计算结果最终制定的热处理工艺如图5所示[6]，吊钩锻件热处理后的机械性能见表4。由表4可知，锻件的屈服强度和-30 ℃冲击功均满足性能要求，机械性能较好。

表4 吊钩锻件机械性能检测结果

图5 吊钩锻件的热处理工艺

4 结论

根据热处理试验和软件模拟计算结果，确定了吊钩锻件的冷却方式和冷却时间，制定了最佳的热处理工艺。最佳淬火冷却方式为：水冷15 min后油冷190～200 min。此时锻件的强度和-30 ℃冲击功均满足设计要求。经实际生产，最终获得了机械性能良好的大型船用吊钩锻件。