■ 王富貴

水輪機主軸是水電站常用的產(chǎn)品，其作用主要是用來傳遞扭矩，一般常用材料為20SiMn。小容量水輪發(fā)電機一般采用整鍛實心軸；大中型的發(fā)電機一般采用整鍛空心軸。我廠生產(chǎn)的大截面主軸為整鍛實心軸（見圖1），鍛后熱處理后需保證無損檢測和力學(xué)性能要求，其無損檢測應(yīng)滿足EN 10228-3中的2級（單個缺陷＜φ8m m，密集缺陷＜φ5mm），力學(xué)性能要求見表1。

目前我廠生產(chǎn)的此類主軸一端法蘭直徑達3100mm，存在的主要生產(chǎn)問題是鍛后熱處理空冷時間長，占用現(xiàn)場空地多，以及生產(chǎn)周期長等問題；存在的主要質(zhì)量問題是無損檢測不合格以及性能不穩(wěn)定等問題。

1.傳統(tǒng)工藝介紹

傳統(tǒng)大截面主軸熱處理工藝采取“正火+回火”的方案，如圖2所示。

此工藝方案在實際生產(chǎn)中主要存在以下三個問題：

（1）主軸法蘭端截面較大，最大截面達到φ3100mm，經(jīng)圖2熱處理后，超聲波檢測很難一次性合格。

（2）為滿足技術(shù)條件要求，實際正火吊下空冷時主軸兩端共需8臺風(fēng)機鼓風(fēng)冷卻，需用大量風(fēng)機和生產(chǎn)場地（見圖3）。

（3）正火吊下空冷周期較長，至少需要30h。

2.優(yōu)化工藝方案

（1）為進一步減小熱處理有效壁厚，無損檢測一次合格，我們根據(jù)精加工圖樣編制了臨時粗加工圖，將其加工成空心鍛件，如圖4所示。

（2）采取“淬火+回火（調(diào)質(zhì)）”優(yōu)化熱處理工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)“正火+回火”原熱處理工藝方案，如圖5所示。

從工藝角度講，淬火時存在風(fēng)險，為避免潛在危險，淬火時禁止水循環(huán)，并且淬火后及時入爐消除淬火應(yīng)力；從生產(chǎn)周期看，采用調(diào)質(zhì)工藝后生產(chǎn)周期比原來縮短了1天。

圖1 主軸鍛件尺寸

圖2 傳統(tǒng)熱處理工藝方案

表1 主軸力學(xué)性能要求

（3）選用此工藝只需一個水槽即可實現(xiàn)工藝要求，不需要占用大量風(fēng)機和現(xiàn)場空地，并且淬火冷卻速度較鼓風(fēng)冷卻速度大，且冷卻均勻，組織更加細化，很易滿足無損檢測和力學(xué)性能要求。

3.工藝對比

優(yōu)化工藝和傳統(tǒng)工藝對比情況如下：

（1）技術(shù)條件要求 根據(jù)以前20SiMn數(shù)據(jù)資料，σs可達到275～300MPa，σb能滿足要求，且最大可達到520MPa，δ可達到30%～35%，ψ＞60%，一般情況下AKU＞70J。淬火冷卻速度較鼓風(fēng)冷卻速度大，組織更加細化，很容易滿足性能要求。

（2）鍛件生產(chǎn)條件 優(yōu)化后可采用一個橋式起重機、兩個吊鏈。若采傳統(tǒng)工藝，一爐裝兩件主軸時，車間風(fēng)機數(shù)量不能滿足工藝與生產(chǎn)要求，并且占用大量現(xiàn)場空間。若采用優(yōu)化工藝，淬火只需要一個水槽即可實現(xiàn)工藝要求，操作簡單且省時。

（3）冷卻效果 若采用傳統(tǒng)工藝，正火鼓風(fēng)冷卻只加快法蘭端冷卻，兩端冷卻速度較大，軸身冷卻速度緩慢，相當(dāng)于正?？绽?，軸身蓄熱量很大，散熱緩慢，整個鍛件冷卻不均勻。優(yōu)化工藝后，相對于兩端鼓風(fēng)冷卻，鍛件截面冷卻較為均勻。

（4）生產(chǎn)周期 傳統(tǒng)工藝：正火從910℃鼓風(fēng)冷卻至280～320℃，需用時30h左右；優(yōu)化工藝：若一爐裝兩件主軸，淬火共需7h，4h后即可入爐進行回火。

4.最終結(jié)果

采取優(yōu)化工藝后的性能指標(biāo)與傳統(tǒng)正回火后的性能指標(biāo)對比見表2，無損檢測結(jié)果對比見表3。

采取優(yōu)化熱處理工藝方案后，力學(xué)性能檢測和無損檢測均一次性合格，并且經(jīng)調(diào)質(zhì)后性能指標(biāo)明顯優(yōu)于正回火后的指標(biāo)。

5.結(jié)語

通過主軸熱處理工藝的優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量比原來提高30%；生產(chǎn)效率比原來提高1.5倍；生產(chǎn)周期縮短了1天。解決了生產(chǎn)場地緊張和質(zhì)量問題，滿足了技術(shù)與生產(chǎn)需要，為今后改進其他大截面鍛件生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率打下了基礎(chǔ)。

圖3 主軸吊下空冷現(xiàn)場

圖4 臨時粗加工

表2 力學(xué)性能對比

圖5 優(yōu)化熱處理工藝

表3 無損檢測對比

20150226