常春青 胡運寶

(太原重工鑄鍛件分公司，山西030024)

風電機組是風電場的核心設(shè)備，風機主軸是風電機組的主要金屬結(jié)構(gòu)件。主軸經(jīng)過軸承進入齒輪箱增速后用橡皮聯(lián)軸器與發(fā)電機相連。主軸是連接發(fā)電機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，不僅要滿足強度和剛度要求還需要有足夠高的疲勞強度，在低溫地區(qū)工作的風電機組還要求有良好的低溫沖擊性能。因風電場多建在自然環(huán)境比較復(fù)雜、惡劣的地方，導(dǎo)致風電主軸一旦在其服役期內(nèi)出現(xiàn)失效維修費用甚至?xí)哌^整個風電機組的費用，所以風機主軸在出廠時必須滿足各項設(shè)計要求，以防出現(xiàn)質(zhì)量事故，造成重大經(jīng)濟損失。42CrMo4風機主軸主要用在高寒地區(qū)風電機組上，因此此類主軸的力學(xué)性能和低溫沖擊性能遠超DIN標準要求。

一些工廠通過改進材料性能、熱處理工藝[1-2]，能夠提高沖擊性能。但由于合金元素含量高、斷面尺寸大，鍛造過程復(fù)雜，風機主軸鍛造完成后會存在組織與性能很不均勻、晶粒粗大不均、內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力的問題[3]。為了消除以上缺陷，風機主軸鍛造完成后一定要進行鍛后熱處理工序。本文通過對風機主軸結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)特性、技術(shù)要求等方面進行分析，對原有鍛后熱處理工藝進行改進，以制定出既能達到鍛后熱處理效果又經(jīng)濟節(jié)能的工藝參數(shù)。

1 風機主軸的基本情況

風機主軸采用42CrMo4材質(zhì)，鋼錠采用電爐煉鋼、真空除氣的冶煉方式。性能要求詳見表1。最后火次的溫度為始鍛溫度1220℃，鍛造時間為2 h左右，終鍛溫度為800℃左右。鍛造成形后風機主軸的尺寸如圖1所示，圖中的陰影部分為力學(xué)性能取樣區(qū)。

表1 42CrMo4風機主軸力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical performance requirements of42CrMo4 fan spindle

圖1 風機主軸鍛造成型后結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Structure diagram of fan spindle after forging

2 風機主軸鍛后熱處理工藝及分析

從表1可以看出42CrMo4風機主軸的力學(xué)性能特點是在較高的強度下，具有非常優(yōu)良的低溫沖擊韌性。為了獲得優(yōu)良的力學(xué)性能尤其是低溫沖擊韌性，前期采取的措施有：(1)冶煉時對各個化學(xué)元素進行調(diào)整，同時提高了Ni元素含量；(2)鍛后熱處理過程細化晶粒為最終熱處理打好基礎(chǔ)。

如圖1所示，風機主軸的端面尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。鍛造時法蘭端在模具內(nèi)碾壓成形，其它臺階為拔長成形。因成形方式及成形溫度不同、變形量不均勻，這就導(dǎo)致主軸的晶粒度粗大不均，鍛件內(nèi)部也存在較大的殘余應(yīng)力。晶粒粗大不均在超聲檢測時會出現(xiàn)草狀波，導(dǎo)致聲波信號迅速衰減，底波消失，對鍛件內(nèi)在情況無法做出判斷。同時晶粒粗大不均還會導(dǎo)致鍛件力學(xué)性能明顯下降，影響鍛件的使用壽命。鍛件殘余應(yīng)力會擴大鍛件內(nèi)部存在的微小缺陷而導(dǎo)致鍛件超聲檢測超出技術(shù)要求導(dǎo)致報廢。為了保證風機主軸的力學(xué)性能指標，必須采用適當?shù)臒崽幚砉に囅痪鶆虻拇执缶Я！?/p>

圖2 風機主軸原鍛后熱處理工藝Figure 2 Original heat treatment process of fan spindle after forging

圖3 風機主軸優(yōu)化后的鍛后熱處理工藝Figure 3 Optimized heat treatment process of fan spindle after forging

2.1 原鍛后熱處理工藝分析

為了獲得細小均勻的晶粒度，原制定的鍛后熱處理工藝見圖2。圖中(1)段的主要目的是使鍛件奧氏體組織分解為珠光體組織，同時消除鍛造及組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力，同時具有擴氫功能；(2)、(6)段為正火高溫階段，和(4)、(7)段配合完成兩次組織轉(zhuǎn)變，目的是均勻組織、細化晶粒；(8)段具有擴氫、消應(yīng)力功能。雖然工藝進行了三次組織轉(zhuǎn)變，但風機主軸粗車后無損檢測發(fā)現(xiàn)，還是有主軸晶粒沒有完全細化，甚至個別的還需要進行一次正火處理。并且此工藝需要半個月左右的運行時間，這就加長了生產(chǎn)周期，增加了能耗成本。

2.2 改進后鍛后熱處理

原鍛后熱處理運行時間為300 h左右，既增加了能耗成本又加長了生產(chǎn)周期，而且也不能100%晶粒度均勻、細密，因此對舊工藝進行了優(yōu)化，新工藝按圖3執(zhí)行。

2.2.1 入爐待料、保溫溫度調(diào)整

由600～650℃待料保溫，調(diào)整為300～350℃待料、保溫。隨著冶煉水平的不斷提高，鋼錠[H]含量都低于1.0×10-6，同時鋼水純凈度不斷提高，鋼錠內(nèi)生夾雜不斷減少，其次42CrMo4屬于中等氫敏感鋼，沒有必要進行600～650℃待料保溫時擴氫，防止鍛件斷裂。同時鍛件在600～650℃長時間保溫常有不良組織和混晶產(chǎn)生。280～320℃為42CrMo4下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，在此區(qū)間待料、保溫，過冷奧氏體將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，為后續(xù)細化晶粒，均勻組織打好基礎(chǔ)。同時在此區(qū)間保溫，時間較原工藝縮短20 h。

2.2.2 奧氏體化次數(shù)及溫度調(diào)整

圖2中的(2)、(6)調(diào)整為圖3中的(11)。由于前期組織進行了更徹底的轉(zhuǎn)變，因此一次奧氏體化就能滿足后續(xù)要求，但為了使奧氏體更好的均勻化，保溫時間需延長。

2.2.3 回火溫度調(diào)整

風機主軸調(diào)質(zhì)前要進行打孔工序。按原工藝執(zhí)行時，芯棒料硬度220HBW左右，打孔加工時硬度略高，因此回火溫度升高10℃。

3 結(jié)論

(1)鍛后熱處理工藝經(jīng)過優(yōu)化后，時間縮短了1/3即100 h，每爐節(jié)約能源費用3萬元左右。按此工藝執(zhí)行后跟蹤了43件產(chǎn)品，經(jīng)過粗車后無損檢測無粗晶、白點等問題，為最終熱處理打下了良好的基礎(chǔ)，達到了預(yù)期目標。

(2)經(jīng)過此次鍛后工藝優(yōu)化為后續(xù)縮短鍛后熱處理工藝提供了寶貴的經(jīng)驗，同時制定出此規(guī)格風機主軸的鍛后熱處理工藝。