艉轴是船舶的重要组成部分，主要用来传递主机功率，艉轴的工作环境比较恶劣，不仅易被海水腐蚀，大型船舶在行驶过程中艉轴还会受到压力、拉力、扭力、弯力作用，同时还要承受多种负荷作用，会产生很大的冲击负荷，对于冰区航行船舶，还需满足低温环境要求。因此，艉轴除要求具备足够的强度外，还必须有良好的低温冲击韧性。本次生产艉轴材质为40Mn4，其化学成分见表1，力学性能见表2，其强度要求较高，同时还要求满足-10℃低温冲击性能，对于此材质来说整体性能要求较高，采用常规生产控制方式较难达到。在此次生产过程中，通过采用合理配比化学成分、优化锻造工艺，调整热处理淬火工艺等方式，最终满足了艉轴的各项力学性能要求，尤其是低温冲击韧性。
主要技术要求
化学成分
力学性能
两端在距任何热处理表面1/4 厚度或最大80mm处取纵向试样，各检一拉三冲，力学性能要求见表2。
超声波检测
锻件应进行100%超声波检测，按LR 船级社要求验收。锻件不得有白点、裂纹、夹渣、折叠等缺陷。
非金属夹杂物及晶粒度
由于该艉轴力学性能要求较高、锻件重量大，我公司内控了非金属夹杂物和晶粒度要求，见表3。该艉轴的长度在22m 以上，台阶多，直径分布在φ490mm ～φ640mm 之间，锻件所用的钢锭重，锻造难度大，热处理冷却困难。粗加工图如图1 所示。
测试与检验结果
化学成分
力学性能
超声波检测
非金属夹杂物及晶粒度
非金属夹杂物和晶粒度检测结果见表6，取样位置处晶粒度照片如图2 所示。
过程控制与结果分析
冶炼
为保证力学性能达到买方要求，在冶炼过程中，优化配比化学成分。为提高低温冲击和降低艉轴的粗晶概率，将碳含量、锰含量控制在验收成分的下限，同时为提高淬透性和冲击性能，增加微量铬、镍元素，同时增加了细化晶粒元素铌。由于该船轴用的钢锭重且大，采用电炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+真空浇注的工艺路线。在配料过程中优选废钢、生铁等优质原材料，可提高钢的原始纯净度。电炉冶炼过程通过采用吹氧，氧化钢液中的碳、磷，去除气体和夹杂物，使钢液均匀加热升温；熔池中产生的CO 气体使钢液产生沸腾现象，使熔池受到剧烈搅拌，均匀熔池成分和温度；上浮的CO 气泡有利于钢中气体和夹杂物的排出，从而提高钢的内部质量；炉外精炼采用埋弧加热，氩气搅拌，能有效控制好脱氧、脱硫、净化钢水，显著提高钢的质量；真空脱气将钢水包放入真空罐内，加强氩气搅拌，在真空状态下进行脱气，能有效降低气体含量和非金属夹杂物含量。浇注过程采用真空浇注，并采用氩气保护，减少钢水二次氧化，提高钢水的纯净度，可避免外来夹杂物的进入；严格控制真空度，能有更好的脱气效果；采用多包浇注，有利于对钢锭成分偏析的控制和钢锭温度场的控制。
锻造及锻后热处理
该艉轴属于长轴类，右端有法兰，且法兰右端有部分台阶轴也需要锻出，锻造难度级别较高。锻造加热过程中，严格控制钢锭的加热温度、升温速度、加热保温时间，防止过热过烧；在锻造过程中，严格控制水冒口切除量，使锻件的纯净度得到了保障；严格控制锻造火次、锻造比和终锻温度，避免产生粗晶现象。该艉轴在120MN 压机上进行锻造，过程大致是：第一火镦拔切水口，第二火镦拔切肩拔长部分台阶，第三火拔长法兰部分切肩摔子拔长部分台阶，第四火采用摔子拔长、锻法兰、摔子精整校直出成品。锻造采用KD 锻造法，并经两次主变形方式，使心部变形区较大，有利于锻件中心线与钢锭中心线的重合及锻合心部缺陷，改善钢锭的锻造性能，减少表面裂纹的发生，提高锻件的内部质量。控制最后一火的终锻温度和变形量，提高锻件的晶粒度；由于锻件长度较长，采用摔子拔长精整，使该艉轴外观质量较好。在锻造出成品后及时安排正回火热处理，为最终热处理做好组织和晶粒度准备，并为力学性能指标达到提供了有利条件。
调质处理
粗加工后进行超声波探伤，合格后进行调质处理。由于工件较长，热处理若采用井式炉垂直悬挂方式淬火，顶端入水时间较长，且顶端与末端入水的时间差较大，很难保证顶端的力学性能，尤其是两端抗拉强度差，所以我公司采用罩式炉艉轴平放进行加热。在保证拉伸性能合格的条件下必须满足低温冲击性能，冷却采用水空交替较快的冷却方式。采用罩式炉装炉方式，淬火时，两端入水时间基本一致，为满足两端抗拉强度差合格提供了有利保障。水空交替的冷却方式使锻件的冷却速度可介于水冷和空冷之间，调节各次水冷和空冷时间，即可控制锻件的冷却速度。第一次水冷保证锻件表面层冷却到珠光体转变区温度以下，随后空冷，空冷时间以锻件表面温度不超过回火温度为限，此后水冷时间逐次减少，空冷时间逐次延长，以减少锻件的截面温度差，防止开裂。根据锻件的实际成分制定了合理的淬火温度，在产品淬火后严格控制终冷温度并及时进炉回火，进一步预防应力开裂。采用较大水空交替的冷却方式，确保了锻件力学性能一次生产合格。调质工艺如图3 所示。
结论
冶炼优化化学成分配比，锻造严格控制水冒口切除量、采用KD 锻造方式、控制终锻温度，调质处理采用水空交替较快的冷却方式，达到了买方及LR 船级社的低温冲击要求。热加工共同配合、全程联动、精细调整，确保了产品的内在质量，并为后续生产提供了可靠的技术支撑及保证。
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