王曉燕 李曉宏 趙秀峰

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司熱處理分公司，遼寧110142)

GS18NiMoCr3-6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組扭力軸熱處理工藝研究

王曉燕 李曉宏 趙秀峰

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司熱處理分公司，遼寧110142)

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組扭力軸的熱處理工藝進(jìn)行了研究，通過多次調(diào)整淬火溫度、回火溫度及淬火介質(zhì)等工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從而獲得合適的熱處理工藝。

扭力軸；熱處理工藝；力學(xué)性能

扭力軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，承受隨機(jī)載荷，將扭矩從行星部分傳遞到平行輪系部分[1]，扭力軸的使用壽命直接影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命，這就要求扭力軸必須具備良好的綜合力學(xué)性能。GS18NiMoCr3-6扭力軸在我公司屬首次生產(chǎn)，該產(chǎn)品力學(xué)性能要求高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)裂紋。經(jīng)查閱發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)于該材料的熱處理資料并不多，為保證產(chǎn)品合格交付，特進(jìn)行熱處理工藝研究，解決該材料的技術(shù)工藝難題，提升熱處理技術(shù)水平。

1 技術(shù)要求

1.1 零件材料及規(guī)格

材質(zhì)為GS18NiMoCr3-6，其化學(xué)成分要求見表1。零件為鑄后毛坯狀態(tài)，有效截面尺寸為?280 mm。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

力學(xué)性能要求見表2。

要求熱處理后彎曲度≤5 mm，表面沒有裂紋等缺陷。

1.3 取樣要求

表1 GS18NiMoCr3-6材料的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of GS18NiMoCr3-6(mass fraction，%)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 The requirements of mechanical properties

逐件從零件本體上切取試塊，做一拉三沖試驗(yàn)。

2 工藝試驗(yàn)

在產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)之前，進(jìn)行試塊的工藝試驗(yàn)，從而獲得一系列的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)，使GS18NiMoCr3-6材質(zhì)扭力軸熱處理后達(dá)到性能要求。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 試塊規(guī)格

試塊規(guī)格為100 mm×100 mm×160 mm，共6塊，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#。

表3 試塊調(diào)質(zhì)工藝及性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The quenching and tempering process and the tested results of mechanical properties of test block

圖1 調(diào)質(zhì)工藝曲線Figure 1 The curve of quenching and tempering process

2.1.2 試驗(yàn)用設(shè)備

采用4.5 kW電爐進(jìn)行試驗(yàn)，規(guī)格為0.2 m×0.2 m×0.3 m，最高使用溫度1100℃。

2.1.3 工藝參數(shù)的確定

查閱與風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用有關(guān)的資料及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10340—2007，對(duì)照有關(guān)GS18NiMoCr3-6材料熱處理曲線，結(jié)合該材料的力學(xué)性能要求，初步確定工藝參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)過程

試塊調(diào)質(zhì)工藝及性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

結(jié)果顯示，1#和2#相比，1#的硬度值稍微偏高，但沖擊韌性明顯降低，這說明1#的淬火溫度超過奧氏體化溫度過多，可能出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致試塊脆性變大，沖擊性能降低。

2#和3#相比，淬火介質(zhì)的不同明顯影響了其性能，3#試塊水冷效果顯著，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)要求，同時(shí)檢查試塊未發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。由此暫時(shí)可以確定3#試塊對(duì)應(yīng)的調(diào)質(zhì)工藝可以滿足性能要求。

4#和5#相比，5#試塊沖擊性能增強(qiáng)，但強(qiáng)度值和硬度值都比4#試塊明顯降低，這說明610℃的回火溫度有些偏高，相比之下590℃的回火溫度更能滿足性能要求。

4#和6#相比，6#試塊雖然強(qiáng)度值和硬度值都略有降低，但延伸率和沖擊性能大幅提高，可以得出930℃的淬火溫度更能保證綜合性能。

2.3 確定調(diào)質(zhì)工藝

綜合以上6組試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合零件和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，參照熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)，扭力軸的調(diào)質(zhì)工藝按圖1所示曲線執(zhí)行。

3 扭力軸實(shí)際生產(chǎn)

本批待生產(chǎn)扭力軸共6件，試棒留在零件一端，試棒長(zhǎng)度約50 mm，零件單面余量7 mm。由于該零件是首次生產(chǎn)，缺少該材料的生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，我公司高度重視，要求相關(guān)部門全程監(jiān)控，采取措施嚴(yán)格把控各個(gè)質(zhì)量控制要點(diǎn)。

3.1 設(shè)備

淬火及回火均用1號(hào)燃?xì)鉅t，規(guī)格為5 m×2.5 m×2.5 m，煤氣高速燒咀加熱，分三區(qū)控溫，控溫精度為±10℃，最高使用溫度1200℃。淬火用水槽規(guī)格為8 m×5 m×5 m。采用120 MN液壓矯直機(jī)矯直。

3.2 生產(chǎn)操作要求

(1)扭力軸形狀復(fù)雜，為了減小扭力軸熱處理調(diào)質(zhì)變形，生產(chǎn)前焊6個(gè)專用輔具用于固定各扭力軸懸空處。裝爐前檢查設(shè)備控制系統(tǒng)、淬火冷卻設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是否正常，以保證整個(gè)生產(chǎn)過程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。淬火裝爐采用托盤，分裝兩盤，平行放置，零件之間間距50 mm以上，以利于加熱均勻。

(2)靠近燒嘴部位的墊鐵，用耐火纖維蓋住墊鐵，防止墊鐵局部高溫從而影響零件。點(diǎn)爐前確保爐前爐后零件各壓1支熱電偶測(cè)定零件溫度，嚴(yán)格按工藝要求控制升溫與降溫速度，避免速度太快和溫度不均產(chǎn)生的變形，熱電偶顯示到淬火溫度后開始計(jì)算保溫時(shí)間。監(jiān)控人員與操作者定時(shí)查看爐內(nèi)溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)溫差時(shí)要及時(shí)調(diào)整偏差，嚴(yán)格控制燒嘴火焰大小，確保爐膛各區(qū)保持溫度均勻性。

(3)淬火時(shí)為了保證零件淬火冷卻性，控制水溫，同時(shí)打開循環(huán)攪拌系統(tǒng)。淬火出爐時(shí)(采用吊鏈吊具吊托盤淬火，起吊平穩(wěn)，淬火操作迅速，嚴(yán)格控制零件出爐至進(jìn)水槽的時(shí)間。為提高扭力軸的淬火效果，同時(shí)減少其變形幅度，在零件進(jìn)入水槽后保持緩慢串動(dòng)5 min。淬火后及時(shí)回火，嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，確?；鼗饻囟染鶆?、保溫充分。回火后趁熱進(jìn)行校直，保證彎曲度滿足要求。

(4)零件熱處理結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行交檢。逐件檢查扭力軸的本體硬度和彎曲情況，本體硬度預(yù)檢合格后按工藝規(guī)定在各扭力軸加長(zhǎng)試料處加工制取力學(xué)性能試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。

3.3 結(jié)果分析

對(duì)切取加工的6個(gè)扭力軸試樣分別進(jìn)行一拉三沖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The tested results

結(jié)果顯示，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的6件扭力軸力學(xué)性能均達(dá)到了技術(shù)要求，同時(shí)經(jīng)測(cè)量彎曲度≤4 mm，表面沒有裂紋等缺陷，滿足了客戶的技術(shù)要求，由此證明該工藝切實(shí)可行。

4 結(jié)論

通過對(duì)GS18NiMoCr3-6扭力軸的熱處理工藝研究，確定了合適的調(diào)質(zhì)工藝，解決了該產(chǎn)品在熱處理生產(chǎn)中的技術(shù)難題。本批扭力軸全部生產(chǎn)合格，達(dá)到了研究目的，展示了我公司對(duì)新材料新產(chǎn)品的熱處理技術(shù)創(chuàng)新能力和研發(fā)水平。

[1] 王碧石，孫黎，王春秀. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱扭力軸的疲勞分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(9)：155-157.

編輯 杜青泉

Research on Heat Treatment Process ofGS18NiMoCr3-6 Torsion Shaft for Wind Turbine Generator

Wang Xiaoyan, Li Xiaohong, Zhao Xiufeng

The heat treatment process of torsion shaft used for wind turbine generator has been studied. The comparison experiment has been performed by adjusting the process parameters repeatedly, such as the quenching temperature, the tempering temperature and the quenching medium etc, as so to obtain the proper heat treatment process.

torsion shaft; heat treatment process; mechanical property

2017—01—18

王曉燕(1983—)，女，碩士，工程師，從事熱處理工藝研究與設(shè)計(jì)工作。

TG156

B