張海英, 文 超, 白 玲, 蔡益新

(1. 鄭州職業(yè)技術(shù)學院, 河南 鄭州 450121;2. 中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 江蘇 常州 213011;3. 常州鑫潤豐東熱處理工程有限公司, 江蘇 常州 213017)

近年來,隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施,風電作為清潔能源在我國電力能源布局中的重要性不斷提升,以大兆瓦風電增速傳動技術(shù)為代表的研究和應(yīng)用最為引入注目。風電增速箱是風電動力傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備,負責將風輪在風力作用下產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機,相對于其他工業(yè)齒輪箱,具有可靠性高、增速比大、高功率密度等特點。內(nèi)齒圈作為增速箱的核心組成零件,其設(shè)計水平和承載能力顯著影響了風電增速箱的輕量化水平。因此,其制造質(zhì)量得到了人們的廣泛關(guān)注[1]。

通常,風電內(nèi)齒圈主要的生產(chǎn)流程為連鑄圓坯→自由鍛+環(huán)鍛→正火→粗車→粗銑齒→調(diào)質(zhì)→半粗車→精銑齒→感應(yīng)淬火→噴丸→磨齒→探傷等。與滲碳淬火和滲氮相比,感應(yīng)淬火具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保和制造成本低等優(yōu)點[2-3]。然而,在實際生產(chǎn)過程中,內(nèi)齒圈在感應(yīng)淬火工序中淬火開裂問題尤為普遍。王榮[4]認為,感應(yīng)淬火工藝不當是造成感應(yīng)淬火開裂的主要原因。鄭長進等[5]針對內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火工藝的過程控制進行了分析,從原材料質(zhì)量控制、感應(yīng)器制造、感應(yīng)淬火工藝等方面提出了控制要點。黃星等[6]認為,調(diào)整感應(yīng)淬火的工藝頻率能有效減少淬火裂紋,但以上均未定量評估偏析和脫碳對感應(yīng)淬火開裂的影響。本文旨在探索鍛造過程中偏析和脫碳對風電感應(yīng)淬火開裂的影響,分析得到材料和鍛造關(guān)鍵技術(shù)指標對感應(yīng)淬火開裂的影響規(guī)律,從而為內(nèi)齒圈的生產(chǎn)制造提供優(yōu)化依據(jù)。

1 開裂原因分析

1.1 宏觀形貌及磁粉探傷

內(nèi)齒圈材料為42CrMo4鋼,模數(shù)21 mm,齒輪外徑φ2166 mm,內(nèi)徑φ1832 mm,齒寬550 mm,單齒感應(yīng)淬火工藝,節(jié)圓層深要求4.4～5.4 mm。內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火后,在磁粉探傷時,發(fā)現(xiàn)齒頂處存在感應(yīng)淬火裂紋。內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火裂紋齒部的分布圖如圖1所示。由圖1可見,內(nèi)齒圈表面呈藍色回火色,圖1中箭頭所指的齒部均存在感應(yīng)淬火裂紋。由圖1所見,裂紋分布處較多,幾乎達到了整個齒輪3/4的齒數(shù)。

圖1 風電內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火裂紋齒部的分布圖Fig.1 Distribution diagram of induction quenching cracking at tooth of wind power inner gear ring

圖2為風電內(nèi)齒圈磁粉探傷狀態(tài)下的宏觀形貌。可見,磁粉聚集線位于齒頂附近,沿徑向分布。

圖2 風電內(nèi)齒圈磁粉探傷狀態(tài)下的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of wind power inner gear ring under magnetic particle inspection

1.2 顯微組織觀察

為進一步分析聚集線形成原因,對內(nèi)齒圈進行了金相分析。使用線切割在裂紋附近選取齒塊截面試樣進行低倍形貌觀察。共取10根開裂齒條進行解剖分析,分析了感應(yīng)淬火裂紋齒塊的低倍組織特征,得到了感應(yīng)淬火裂紋齒塊的兩種典型的宏觀低倍形貌(見圖3)。由圖3可知,在感應(yīng)淬火開裂的齒部呈現(xiàn)較為嚴重的組織偏析,如箭頭位置所示,偏析組織呈現(xiàn)塊狀和條帶狀。

圖3 開裂齒塊的典型偏析形貌(a)條狀偏析;(b)塊狀偏析Fig.3 Typical segregation morphology of the cracked tooth block (a) stripe segregation; (b) block segregation

在裂紋附近選取齒塊截面試樣進行金相檢查。圖4是裂紋截面顯微組織,裂紋呈沿晶擴展,尾端尖細,未見分叉,具有淬火裂紋特征。

圖4 齒塊裂紋截面的顯微組織Fig.4 Microstructure of cross section of crack in the tooth block

由于裂紋位置均發(fā)生在齒頂處,因此對齒頂附近進行金相檢查,圖5是齒頂附近截面顯微組織,發(fā)現(xiàn)齒頂附近存在深約60 μm的脫碳層,脫碳層組織為塊狀鐵素體+馬氏體,次表面層組織為馬氏體,根據(jù)JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》可以評定其馬氏體級別為4級,未見組織粗大特征。

圖5 開裂試樣齒頂位置顯微組織Fig.5 Microstructure of tooth tip of the cracked specimen

為了進一步確認脫碳,分別對齒部開裂位置的表面脫碳層、基體暗區(qū)、基體亮區(qū)進行硬度測試。采用FEM-7000型顯微硬度計進行硬度測試,載荷砝碼300 g,加載時間10 s。圖6為開裂齒塊齒頂附近各區(qū)域顯微硬度測試數(shù)據(jù)。由圖6可以看出,齒頂附近基體暗區(qū)和亮區(qū)硬度偏差較大,且表面脫碳層硬度僅為312 HV0.3。

1.3 脫碳層對開裂的影響

通過淬火硬度也可以反推出表面含碳量,從圖6可以看出,未脫碳的淬火硬度為557 HV0.3,表面脫碳層硬度僅為312 HV0.3。根據(jù)表1可知,557 HV0.3對應(yīng)的含碳量為0.41%。根據(jù)碳含量和硬度的關(guān)系可知,312 HV0.3對應(yīng)的含碳量為0.06%。結(jié)合含碳量對相變轉(zhuǎn)變溫度Ms的影響可知,脫碳層會極大加劇感應(yīng)淬火開裂。需要指出的是,感應(yīng)淬火過程中并不會形成脫碳,因此該脫碳層應(yīng)在感應(yīng)淬火之前已經(jīng)存在。通常,齒頂?shù)陌朊撎紝訒ㄟ^機加工去除,但當調(diào)質(zhì)畸變過大,調(diào)質(zhì)后局部齒頂加工量不夠,就會在齒頂處殘存半脫碳層。

表1 齒塊不同位置的化學成分(質(zhì)量分數(shù), %)

1.4 偏析開裂的影響

為了進一步檢測內(nèi)齒圈的成分偏析情況,對感應(yīng)淬火開裂齒塊進行不同區(qū)域的直讀光譜測試(距離表面5 mm開始測量,間隔10～15 mm交替測量),測試位置的示意圖如圖3(a)所示。表1為齒塊不同位置的化學成分情況。由表1可知,齒塊的化學成分偏析主要是碳元素,齒頂位置碳含量偏低,隨著往齒心部移動,碳含量不斷增加。

在齒圈均布取6個感應(yīng)淬火開裂齒塊,進行化學成分測試,以對整個齒圈進行碳偏析分析。內(nèi)齒圈碳含量偏析程度如圖7所示。由圖7可知,整個齒圈鍛件的碳偏析程度已經(jīng)達到了0.06%的偏差。即使在1號位置(齒頂處)碳偏析程度也達到了0.04%左右。

圖7 內(nèi)齒圈碳含量偏析程度Fig.7 Segregation degree of carbon content in inner gear ring

碳偏析的存在必然會影響鋼的相轉(zhuǎn)變溫度Ms。以Wang等[7]給出的方法計算0.38%碳含量和0.44%碳含量的相轉(zhuǎn)變溫度Ms,分別為337 ℃和321 ℃。不同碳含量的Ms溫度差達到了20 ℃左右,這會導(dǎo)致在感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力差,從而導(dǎo)致淬火開裂。另外,碳偏析也會疊加鍛造的影響,形成如圖4(a)所示的帶狀組織。帶狀組織會破壞鋼的連續(xù)性,增加淬火冷卻時的應(yīng)力集中程度,從而也促進了感應(yīng)淬火裂紋的擴展。另外,風電內(nèi)齒圈在感應(yīng)加熱后采用噴PAG水溶劑淬火液進行冷卻。由于噴淬要比浸入淬火的冷卻速率快,其大幅度提升了內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火過程的淬火應(yīng)力,當疊加碳偏析時更加容易造成感應(yīng)淬火開裂。由此可見,碳偏析程度達到0.04%及以上時,淬火風險必然會增加。

綜上所述,內(nèi)齒圈齒頂裂紋具有淬火裂紋特征,齒頂處馬氏體組織細小,未見粗大現(xiàn)象,可以排除由過熱現(xiàn)象導(dǎo)致開裂的原因。而齒頂表面存在半脫碳層,一般感應(yīng)淬火過程中無法形成脫碳,因此該脫碳層應(yīng)在感應(yīng)淬火之前已經(jīng)存在。半脫碳層含碳量低,Ms點高,所以先淬成馬氏體,然后次表層再淬成馬氏體,對表面層產(chǎn)生推擠,而表層組織已轉(zhuǎn)變成硬度高塑性低的馬氏體,超過一定強度時就會發(fā)生開裂。此外,內(nèi)齒圈基體帶狀組織偏析也會增加淬火冷卻時的應(yīng)力集中程度,淬火裂紋會沿著偏析條帶處徑向擴展。

2 工藝改進措施

2.1 齒頂脫碳層形成原因及解決措施

感應(yīng)淬火是一個快速加熱淬火過程,加熱過程不超過10 s,感應(yīng)淬火工藝不會出現(xiàn)齒頂脫碳,其脫碳環(huán)節(jié)應(yīng)為鍛造工藝或調(diào)質(zhì)處理殘留。目前,隨著大兆瓦風電技術(shù)快速發(fā)展,42CrMo4鋼內(nèi)齒圈的規(guī)格不斷變大。為了保證內(nèi)齒圈熱處理性能,大部分都開始采用水劑淬火液進行熱處理,導(dǎo)致熱處理畸變有增大傾向。尤其在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)多次熱處理返工時,會對后續(xù)精車和銑齒工序的加工量產(chǎn)生較大的影響,就有可能導(dǎo)致表面脫碳層未去除。

由此可見,由于調(diào)質(zhì)畸變導(dǎo)致的齒頂橢圓或加工尺寸不足,使得局部齒頂脫碳層未能有效去除。通?？刹捎迷黾诱{(diào)質(zhì)處理后的機加工尺寸或者提高水劑淬火液濃度來進行預(yù)防。

2.2 偏析定量表征及解決措施

風電內(nèi)齒圈的鋼牌號為42CrMo4,且采用連鑄工藝制造成圓坯進行齒坯成形。由于42CrMo4鋼的碳含量在0.38%～0.45%,在大截面連鑄過程中容易形成嚴重的偏析。在直徑φ600 mm的42CrMo4鋼大圓坯,沿著直徑方向進行成分檢驗。圖8為φ600 mm連鑄坯沿著直徑方向的碳濃度分布。由圖8可知,大連鑄坯的碳偏差值達到了0.06%。

圖8 φ600 mm連鑄坯沿著直徑方向的碳濃度分布曲線Fig.8 Carbon concentration distribution along diameter direction of φ600 mm continuous casting billet

自由鍛是風電內(nèi)齒圈的常用成形方法,合理的鍛造比可以保證坯料的均勻性和致密程度。表2為鍛造比對內(nèi)齒圈碳偏析差的影響。由表2可知,連鑄坯鍛造比達到7以上時,內(nèi)齒圈碳偏析差可降低至0.02%。

表2 鍛造比對內(nèi)齒圈碳偏析差的影響

另外,在保證鍛造比的同時,還需要考慮內(nèi)齒圈的工作表面應(yīng)用的是連鑄坯的中心部位,為此需要進行控制沖孔的要求。通常,在沖孔工藝設(shè)計時,可以通過控制沖孔質(zhì)量來實現(xiàn)連鑄坯中心部位偏析的去除。控制沖孔質(zhì)量通過A×H來計算,其中,H為連鑄坯下料長度,單位為mm;A為下料系數(shù),單位為kg/mm。表3為不同的下料系數(shù)對內(nèi)齒圈齒部顯微缺陷和淬火開裂的影響。由表3可見,當下料系數(shù)≥0.019時,可以避免齒部顯微缺陷和淬火開裂的產(chǎn)生。

表3 不同的下料系數(shù)對內(nèi)齒圈齒部顯微缺陷和淬火開裂的影響

3 結(jié)論

1) 碳偏析和脫碳層是導(dǎo)致內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火開裂的重要原因。脫碳極大地加劇感應(yīng)淬火開裂的風險,內(nèi)齒圈的碳偏析程度達0.04%以上時,增加了感應(yīng)淬火開裂的風險。

2) 通過三向鍛造的方式獲得鍛造比大于7的坯料,可以有效改善碳偏析,從而預(yù)防偏析形成的感應(yīng)淬火開裂問題。

3) 在沖孔工藝設(shè)計時,可以通過控制沖孔質(zhì)量來實現(xiàn)連鑄坯中心部位偏析的去除。當下料系數(shù)≥0.019時,可以避免齒部顯微缺陷和淬火開裂的產(chǎn)生。