李光磊 劉世超 牛玉溫 王旭穎 常春青

(太原重工股份有限公司，山西030024)

轉子作為發(fā)電機設備的心臟，因使用工況復雜而要求較高的綜合性能。PPI十字轉子又稱無刷勵磁同步發(fā)電機轉子，除了普通轉子要求的高性能外，還對磁性能有較高的要求。

34CrMo1A和34CrNi1Mo均為轉子鍛件常用材質，34CrNi1Mo因含有較高的Cr、Ni成分被常用于綜合性能較高的轉子鍛件。某用戶訂貨的PPI十字轉子因使用工況及工作環(huán)境復雜、惡劣，一直以來均選用34CrNi1Mo材質。近幾年，用戶機組升級換代，也為降低鍛件采購成本，決定更換十字轉子材質為34CrMo1A，為保住客戶資源，提升工藝水平，我公司優(yōu)化制造工藝，成功制造出符合用戶要求的PPI十字轉子。

1 技術指標及要求

1.1 熔煉成分

1.2 力學性能要求

調質熱處理后，在兩端和轉身5處進行硬度均勻性檢測，每處圓周均布測4點，共20點，要求同一圓弧表面硬度差≤30HBW，所有點硬度差≤40HBW。

硬度檢測合格后按圖1取樣，表1為力學性能指標值，表2為磁性能要求值。具體取樣如下：

(1)在兩端P1、P4位置各套取兩個拉伸試樣、兩個沖擊試樣，取樣中心距鍛件表面13半徑處。

(2)在轉子軸身兩端P2、P3位置取切向、徑向及磁性能試樣，切向每個位置取四個拉伸試樣、三個沖擊試樣，徑向每個位置取三個拉伸試樣、三個沖擊試樣，磁性能每處取兩個試樣，磁性能要求見表2。

表1 力學性能要求Table 1 Mechanical properties requirements

表2 磁性能要求Table 2 Magnetic performance requirements

按照圖1位置，用切環(huán)法做殘余應力，殘余應力σt不應大于切向實測屈服值的10%。

1.3 超聲檢測要求

調質并加工外輪廓后，對鍛件進行全覆蓋超聲檢測，超聲檢測方法采用標準ASTM A388A 388M:2007，驗收標準為JBT 7026—2004。

1.4 磁粉檢測要求

出廠加工并經尺寸檢驗合格后，要求對軸承部位、圓弧角及極身上所有凸極四周過渡部位進行磁粉檢測，磁粉檢驗方法采用標準ASTM A275A275M:2008，驗收標準為JBT 7026—2004。

2 生產過程及熱處理工藝設計

十字轉子鍛件的制造主要工序如下：冶煉鋼錠、鍛造成型、鍛后正火加回火、調質熱處理、各項性能檢測。

2.1 冶煉與鑄錠

采用“電爐粗煉+精煉+VD+底注”方法冶煉鋼錠，錠重37 t。鍛件綜合性能要求較高，需對冶煉過程進行嚴格控制，以提高鋼錠純凈性，煉鋼控制要點如下：

(1)原材料選用優(yōu)質廢鋼和優(yōu)質生鐵，內控殘余元素，防止Sn、As、Bi、Sb等元素超標[2]。

(2)堿性電爐粗煉鋼水，采用深度吹氧去除鋼水中的有害元素。

(3)精煉爐精煉，在真空條件下采用氬氣攪拌，使氣體隨同氬氣氣泡一同上浮，凈化鋼液[3]。

(4)采用底注澆注，在澆注時鋼水上升過程中，型腔及鋼水中夾雜物有效上浮，聚集到冒口部位，鍛件本體的偏析、夾渣、裂紋等產品缺陷可以得到有效解決，也使得鍛件性能穩(wěn)定可靠。

2.2 鍛造階段

鋼錠利用率為70%，保證了底部及冒口的切除率，使成分偏差在合理的范圍，要求冒口切除率占錠身重的18%，底部切除率占錠身重的3%。

鍛造過程采用兩鐓兩拔，實際鍛造比大于等于5，確保鍛件鍛透，有效將粗大的鋼錠鑄造組織打碎，壓實、焊合鋼錠中的疏松和空洞等缺陷，確保無損檢測合格。第一火，利用鋼錠冒口壓鉗把，鋼錠錠身倒棱后壓成圓柱，之后切除鋼錠底部，第二火，鐓粗工序，采用連續(xù)鐓粗變形，保證鐓粗變形量，拔長工序，采用上、下平砧大壓下量拔長，寬砧強壓法確保拔長鍛比，控制每砧壓下量均勻一致，盡可能得到相對均勻細小的鍛造組織。

控制較低的終鍛溫度以保證鍛件結構緊密并細化晶粒，防止過高的終鍛溫度使晶粒長大。

2.3 鍛后正火加回火

鍛造完成后進行正火加回火，以消除鍛件內部應力、改善晶?；炀闆r，另外，在650℃左右回火，使鍛件芯部氣體尤其是氫含量擴散到表面，進而排出鍛件本體，有效防止了白點的產生。鍛后正火加回火曲線見圖2所示。

2.4 調質熱處理

在制定調質熱處理工藝前，利用Forge有限元數值模擬軟件對PPI轉子預先進行了淬火工藝模擬優(yōu)化，模擬結果如圖3所示。由圖3可以看出，鍛件在整個淬火過程中，鍛件外圓表面的拉應力不超過300 MPa，因此鍛件在淬火過程中開裂的風險極低。在整個鍛件心部的大部分區(qū)域，組織分布以貝氏體為主，有少量的鐵素體，說明熱處理工藝能達到很好的效果，獲得良好的綜合力學性能。

基于數值模擬結果編制了合理的調質熱處理曲線，見圖4。在鍛件熱處理過程中裝上鎧裝熱電偶，測試鍛件表面的實際溫度。

圖2 鍛后正火加回火曲線Figure 2 Normalizing and tempering curve after forging

圖3 淬火數值模擬結果Figure 3 Numerical simulation results of quenching

圖4 調質熱處理工藝Figure 4 Quenched and tempered heat treatment process

表3 成品化學成分(質量分數，%)Table 3 Chemical composition of finished products(mass fraction, %)

表4 硬度值(HBW)Table 4 Hardness value (HBW)

3 試驗驗證與分析

3.1 成品分析結果

鍛件成品分析見表3。P、S、Cu的含量均控制在較低的水平，氫含量為0.55×10-6，遠低于技術要求。其余成分均滿足要求。

3.2 力學性能

硬度檢測結果見表4，可以看出，各部位圓周方向上硬度值差值最大的為軸身處，差值為18HBW。全部硬度值中最大差值為27HBW，整體硬度值較均勻，符合技術要求。

表5 力學性能檢測結果Table 5 Test results of mechanical properties

表6 磁性能結檢測果Table 6 Test results of magnetic performance

力學性能結果見表5，從結果可以看出，綜合性能較好，縱向P1屈服強度平均值較要求值高出38%，抗拉強度平均值較要求值高出32%；縱向P4屈服強度平均值較要求值高出31%，抗拉強度平均值較要求值高出29%。切向和徑向的強度值更高，最高的為P2處的徑向值，屈服強度和抗拉強度分別比要求值高出59.6%和43.7%。各處沖擊值均大于80 J，最大沖擊值為P3處徑向沖擊，沖擊值高達164 J。

磁性能檢測結果見表6，從表中可以看出，磁性能結果符合技術要求，滿足了34CrMo1A材料對磁性能的要求。

綜上，鍛件的綜合力學性能良好。

3.3 超聲檢測

調質熱處理完成并經過機加工后，對全部外圓進行超聲檢測。檢測結果顯示鍛件無可記錄缺陷，無超標缺陷，符合JBT 7026—2004標準。

3.4 磁粉檢測

鍛件出廠加工后按要求對軸承部位、圓弧角及極身上所有凸極四周過渡部位進行磁粉檢測，檢測結果顯示，所有檢測表面均無長度超過1 mm的缺陷。

4 結論

(1)PPI轉子的材質為34CrMo1A，材料較為常見，采用研究的生產工藝，包括煉鋼、鍛造、鍛后熱處理及調質熱處理等，通過各項指標檢測，生產的轉子鍛件均滿足性能要求，說明其整體工藝合理、可行。

(2)PPI轉子成品形狀較為特殊，機加工及取樣難度較大，在實際過程中，通過數控加工及樣板測量，成功完成了機加工過程。

(3)首次利用數值模擬得到淬火時的組織和應力分布情況，根據經驗及模擬手段得出合理的調質曲線，產品力學性能、磁性能、硬度等各方面均符合要求。