顧曉明，許仁偉，呂藍(lán)冰

常州天山重工機(jī)械有限公司 江蘇常州 213000

1 序言

面對(duì)能源短缺、環(huán)境污染等人類共同的難題，以可再生能源為主題的能源革命在世界范圍內(nèi)興起，而海上風(fēng)電是綠色轉(zhuǎn)型的核心。行星架作為海上風(fēng)電增速箱的關(guān)鍵部件，要求其具備良好的綜合力學(xué)性能。傳統(tǒng)的1.5MW類小兆瓦陸上風(fēng)電行星架普遍采用鑄件，而鑄件內(nèi)部組織的不均勻性及晶粒粗大等問題，會(huì)導(dǎo)致鑄件行星架使用壽命降低?；诖笳淄吆Ｉ巷L(fēng)電的高強(qiáng)度要求，鑄件行星輪無法滿足高強(qiáng)度、高可靠性要求，在滿足可靠性和預(yù)期壽命的前提下，使齒輪箱結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化且重量最輕，以追求 “高功率密度”指標(biāo)[1]，因此現(xiàn)在大兆瓦海上風(fēng)電行星架普遍采用鍛件，通過鍛造來提高組織致密性及均勻性，使其滿足高強(qiáng)度長壽命的使用要求。

2 行星架裂紋現(xiàn)象和情況介紹

2.1 裂紋現(xiàn)象

某海上風(fēng)電增速機(jī)行星架，重量15t，材料42CrMo4鋼，結(jié)構(gòu)如圖1所示，倒角均為R10mm。行星架制造工序：鋼錠→下料→鍛造→鍛后熱處理→粗車→鏜孔→調(diào)質(zhì)→精加工，調(diào)質(zhì)硬度要求300～340HBW，調(diào)質(zhì)后實(shí)測(cè)硬度310～340HBW，行星架上下兩個(gè)端面硬度分布不均，一端310HBW，另一端340HBW，行星架在調(diào)質(zhì)后精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔一端存在弧形裂紋，另一端無裂紋，考慮內(nèi)孔一端單邊還有余量15mm，單邊去除15mm到達(dá)精車尺寸時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔一側(cè)依然殘留多條弧形分布裂紋，裂紋均在內(nèi)孔一端的尖角位置出現(xiàn)，裂紋長100～300mm，裂紋位置及形貌如圖2、圖3所示。

圖1 行星架調(diào)質(zhì)態(tài)結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 精加工后內(nèi)孔裂紋位置

圖3 內(nèi)孔裂紋形貌

2.2 鍛件工藝

每個(gè)鋼錠制造一件行星架，鋼錠重量26t，鍛造工藝為熱切冒口和澆道＋三鐓兩拔＋滾圓成形＋鍛后空冷＋鍛后熱處理＋粗加工，始鍛溫度1250℃，終鍛溫度850℃，鍛件無沖孔擴(kuò)孔工藝，內(nèi)孔在粗車工序加工完成。鍛后熱處理工藝為910℃保溫25h，然后風(fēng)冷至表面溫度300～350℃時(shí)進(jìn)行650℃保溫45h，保溫結(jié)束時(shí)關(guān)閉測(cè)溫儀表，爐冷至300℃以下出爐空冷。

2.3 調(diào)質(zhì)工藝

調(diào)質(zhì)設(shè)備為臺(tái)車爐加熱式，淬火冷卻介質(zhì)為水基淬火液，濃度6%，最高冷卻速度180℃/s。工藝過程為860℃保溫9h預(yù)冷3min淬火，工件表面冷卻至250℃出介質(zhì)空冷，檢測(cè)淬火表面硬度后540℃高溫回火16h，高溫回火后爐冷到260℃出爐空冷。裝爐方式為平放2層疊加，淬火方式為單件豎直入液。

3 行星架裂紋理化檢測(cè)

3.1 取樣方案

在內(nèi)孔裂紋區(qū)域制取縱向試樣，包括內(nèi)孔另一側(cè)無裂紋區(qū)域，以便對(duì)比分析確認(rèn)另一側(cè)無裂紋的差異性，獲取裂紋位置選擇性產(chǎn)生的原因。

3.2 化學(xué)成分分析

采用臺(tái)式原子直讀光譜儀對(duì)裂紋區(qū)和另一側(cè)無裂紋區(qū)化學(xué)成分多點(diǎn)檢測(cè)，結(jié)果見表1。從表1可看出，裂紋區(qū)的C元素超上差且波動(dòng)大于另一側(cè)無裂紋區(qū)。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.3 組織和硬度檢測(cè)

裂紋從行星架內(nèi)孔位置萌生，由粗變細(xì)，具有“楔形”特征，如圖4所示。500倍下可觀察到裂紋尾部呈鋸齒狀，如圖5所示。采用4%硝酸酒精腐蝕，裂紋區(qū)組織為回火索氏體，無游離鐵素體，裂紋兩側(cè)組織和基體組織一致，主裂紋旁有分叉，裂紋內(nèi)側(cè)及尾部有灰色氧化物，是裂紋界面在540℃高溫回火工藝下與空氣反應(yīng)產(chǎn)生的，如圖6所示。圖4～圖6表現(xiàn)出明顯的淬火裂紋特征。無裂紋區(qū)域的金相組織為回火索氏體，與裂紋區(qū)金相組織無可見差異。裂紋區(qū)域的平均硬度為340HBW，另一側(cè)無裂紋區(qū)域的平均硬度為310HBW，兩個(gè)區(qū)域存在明顯的硬度差異。對(duì)裂紋區(qū)低倍腐蝕，未見明顯疏松孔洞現(xiàn)象，中心疏松符合GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》規(guī)定的≤1.0級(jí)要求。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》檢測(cè)，裂紋兩側(cè)的非金屬夾雜物符合產(chǎn)品相應(yīng)技術(shù)協(xié)議要求。

圖4 裂紋形貌（50×）

圖5 裂紋尾部呈鋸齒狀（500×）

圖6 裂紋區(qū)金相組織（500×）

3.4 偏析檢測(cè)

采用冷酸溶液，對(duì)內(nèi)孔拋光后偏析程度進(jìn)行酸蝕檢測(cè)，肉眼觀察裂紋周圍可見明顯鑄造樹枝晶偏析線殘留，最長偏析線達(dá)到40mm，無裂紋區(qū)域的偏析線長度明顯短于裂紋區(qū)域，采用超聲波硬度計(jì)檢測(cè)裂紋偏析區(qū)域，白色偏析線硬度300HBW左右，偏析線之間灰色區(qū)域硬度360HBW左右，無裂紋區(qū)域硬度在300～320HBW，偏析形貌如圖7所示。裂紋區(qū)域存在化學(xué)成分微區(qū)波動(dòng)，鑄態(tài)樹枝晶偏析未被鍛造完全破碎，致使硬度微區(qū)波動(dòng)，鑄態(tài)樹枝晶殘留減弱了基體力學(xué)性能連續(xù)性，枝晶間元素富集導(dǎo)致沖擊性能波動(dòng)[2]，產(chǎn)生力學(xué)性能薄弱點(diǎn)，從而促進(jìn)了淬火裂紋擴(kuò)展。

圖7 行星架內(nèi)孔偏析形貌

4 裂紋產(chǎn)生原因分析

4.1 裂紋性質(zhì)

裂紋區(qū)微觀組織合格，裂紋兩側(cè)組織與基體組織一致，裂紋具有“楔形”特征，為典型的淬火裂紋形貌。裂紋區(qū)的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示C含量超上差且波動(dòng)大，裂紋區(qū)域存在明顯的鑄態(tài)樹枝晶偏析殘留，內(nèi)孔另一端無裂紋區(qū)域的化學(xué)成分、金相組織、硬度及偏析等均合格。經(jīng)檢測(cè)，裂紋深度為30mm左右，行星架對(duì)稱結(jié)構(gòu)顯示為一端弧形裂紋，與內(nèi)孔冷卻時(shí)形成環(huán)向的薄層硬化區(qū)有關(guān)，控制截面越大，表面淬硬層越小，越容易在尖角區(qū)產(chǎn)生弧形裂紋。

4.2 原材料原因分析

此類大兆瓦風(fēng)電行星架，每個(gè)鋼錠鍛造1個(gè)行星架，因此行星架必然一側(cè)為鋼錠冒口端，另一側(cè)為鋼錠澆口端，行星架內(nèi)孔上下兩端對(duì)應(yīng)鋼錠中軸線偏析極端區(qū)域，冒口部位C含量由外壁至中心在不同高度沿徑向不斷增加，距離鋼錠中心部位越近，C碳含量就越高[3]。同一工件在不同部位C含量不一致，淬火時(shí)低碳部位的Ms點(diǎn)高，會(huì)先轉(zhuǎn)變成馬氏體，而高碳部位的Ms點(diǎn)低，后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，因此馬氏體轉(zhuǎn)變不同時(shí)；C含量差異也會(huì)導(dǎo)致馬氏體的比體積差異，由于馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性及體積差異，會(huì)產(chǎn)生巨大的組織應(yīng)力。行星架裂紋均在內(nèi)孔的一側(cè)尖角區(qū)域產(chǎn)生，內(nèi)孔一側(cè)的C含量超上限，尖角區(qū)域容易全淬硬，當(dāng)成分超上限時(shí)，其區(qū)域的Ac3線會(huì)降低，在相同的加熱溫度下，相對(duì)于成分正常區(qū)域，高碳區(qū)有過熱的傾向，晶粒粗大，Ms點(diǎn)降低，淬火時(shí)易形成高碳馬氏體，組織應(yīng)力增加，在向未全淬硬的基體區(qū)域過渡時(shí)，尖角區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)最大拉應(yīng)力，同時(shí)內(nèi)孔上下C含量不均，基體調(diào)質(zhì)硬度偏差達(dá)到30HBW，將導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力分布不均，C含量最高的尖角區(qū)域拉應(yīng)力超過基體強(qiáng)度時(shí)將產(chǎn)生裂紋，尖角越尖銳，截面突變?cè)矫黠@，裂紋敏感性也越高。

大型調(diào)質(zhì)件的質(zhì)量控制難點(diǎn)在于易產(chǎn)生裂紋的C元素偏聚相對(duì)小型件明顯，調(diào)質(zhì)后硬度組織不均勻性相對(duì)小型件也明顯，同時(shí)本體控制截面最大區(qū)域有效淬透層相對(duì)小型件淺，后續(xù)精加工后的硬度下降明顯。由于大型鋼錠C元素不可避免的偏析特征，鋼錠的C元素表現(xiàn)為冒口端正偏析，澆口端負(fù)偏析，偏析和疏松孔洞等缺陷主要存在于鋼錠中軸線上，鋼錠越大，中心區(qū)域的偏析越嚴(yán)重，如圖8所示。

圖8 大型鋼錠C元素偏析

裂紋區(qū)的C元素超上差原因在于該模鑄鋼錠冒口材料利用率較高，冒口切頭量14%不符合制造規(guī)范≥16%要求，澆口切尾量7%符合制造規(guī)范≥5%要求，冒口正偏析區(qū)切除不足，導(dǎo)致超上差C元素殘留，冒口端鑄態(tài)樹枝晶殘留明顯。

行星架的內(nèi)孔位置剛好處于鋼錠中軸線上，因此行星架內(nèi)孔容易出現(xiàn)偏析及致密性不足問題。由于C元素偏析，行星架調(diào)質(zhì)后容易在內(nèi)孔區(qū)域產(chǎn)生硬度不均勻現(xiàn)象，同時(shí)馬氏體膨脹的不同時(shí)性及體積差將萌生裂紋。裂紋來源于過剩的內(nèi)應(yīng)力，而過剩內(nèi)應(yīng)力來源于應(yīng)力產(chǎn)生不均勻，當(dāng)成分均勻一致，成分偏高時(shí)，表面容易硬化，容易產(chǎn)生大的淬火應(yīng)力，但是均勻的應(yīng)力可以整體抵消，不會(huì)產(chǎn)生明顯過剩內(nèi)應(yīng)力，裂紋傾向相對(duì)小一些。當(dāng)化學(xué)成分不均勻且局部偏高時(shí)，將產(chǎn)生大的淬火應(yīng)力且產(chǎn)生明顯過剩的內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)極易產(chǎn)生裂紋。

4.3 調(diào)質(zhì)工藝分析

對(duì)于大型調(diào)質(zhì)件而言，調(diào)質(zhì)工藝未充分考慮到大鋼錠的天然偏析特性，大型鍛件無法徹底解決冒口、澆口及中心區(qū)偏析問題。工藝采用的淬火冷卻介質(zhì)濃度偏低而冷卻速度偏高，淬火液冷卻速度高有利于優(yōu)良調(diào)質(zhì)組織及力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)，這也是開裂行星架基體組織均為回火索氏體且無任何鐵素體存在的原因，但是冷卻速度快的缺點(diǎn)在于淬火裂紋的可能性增大。

淬火液冷卻速度較快時(shí)，C含量高的尖角位置將完全淬透，會(huì)進(jìn)一步加大內(nèi)孔偏析區(qū)的應(yīng)力分布不均勻性。

5 行星架調(diào)質(zhì)無裂紋技術(shù)方案

5.1 鋼錠的選型及管理優(yōu)化

鋼廠優(yōu)化煉鋼工藝，調(diào)整澆注溫度和鋼錠規(guī)格，將原有的短粗型錠型改為細(xì)長型，以減少冒口、澆口位置偏析，同時(shí)增加冒口切除率，減小鋼錠的利用率，壓縮比增加，有利于鑄態(tài)樹枝晶變形和破碎，有利于減輕鋼材內(nèi)部疏松和細(xì)化晶粒[4]。由于正負(fù)偏析無法完全避免，所以粗車后對(duì)行星架實(shí)物化學(xué)成分檢測(cè)，在行星架上注明冒口、澆口偏析面標(biāo)識(shí)。若成分過低，則調(diào)質(zhì)后硬度不足；若成分過高，則調(diào)質(zhì)后開裂性傾向大。因此，對(duì)于成分過低或過高的行星架均需進(jìn)入評(píng)審程序進(jìn)行試驗(yàn)挽救。連鑄坯的成分均勻性優(yōu)于大型鋼錠，但存在中心縮孔、疏松問題，對(duì)鍛件中心區(qū)域的致密性要求嚴(yán)格，同時(shí)受連鑄坯直徑的限制，無大直徑連鑄坯可以用于海上大型行星架鍛件。

5.2 反偏析加工技術(shù)

對(duì)于大型鋼錠而言，碳的整體分布分為兩種極端情況，一是整體偏上差，即冒口C含量超上差，澆口C含量中下差；二是整體偏下差，即冒口C含量中上差，澆口C含量超下差。第一種極端情況的鍛件，調(diào)質(zhì)后表現(xiàn)為冒口端容易產(chǎn)生裂紋且硬度高，澆口端無裂紋同時(shí)硬度在技術(shù)要求范圍內(nèi)；第二種極端情況的鍛件，調(diào)質(zhì)后表現(xiàn)為冒口端無裂紋且硬度在技術(shù)要求范圍內(nèi)，澆口端無裂紋，但硬度低于技術(shù)要求。行星架為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔兩端的精加工去除量差異明顯。針對(duì)第一種偏析極端情況，將正偏析冒口端在大加工量端加工去除；針對(duì)第二種偏析極端情況，將負(fù)偏析澆口端在大加工量端加工去除。

裂紋深度在30mm左右，通過將正偏析區(qū)在大加工量端去除，可以最大程度地減少精加工后裂紋殘留。通過反偏析機(jī)加工技術(shù)，可以控制行星架在精加工后內(nèi)孔兩端的C含量偏差、硬度偏差和裂紋傾向差達(dá)到最小，如圖9所示。

圖9 反偏析加工示意

5.3 調(diào)質(zhì)工藝的優(yōu)化

行星架調(diào)質(zhì)允許存在少量鐵素體，采用880～900℃均溫再降至820～830℃均溫后淬火預(yù)冷工藝，淬火液濃度提高，控制最高冷卻速度在160～170℃/s。行星架淬火出液溫度提高至300℃，空冷，采用水基加空冷淬火工藝完成表面馬氏體組織轉(zhuǎn)變的同時(shí)，行星架內(nèi)部熱量向外傳遞，可以實(shí)現(xiàn)自回火的效果，表面預(yù)冷工藝可降低淬火應(yīng)力和畸變，同時(shí)獲得需要的組織和力學(xué)性能[5]。

5.4 防裂紋工裝的應(yīng)用

內(nèi)孔區(qū)域做防裂紋工裝，分布數(shù)個(gè)小孔徑透氣孔，通過限制內(nèi)孔的散熱率來降低淬火效果，如圖10所示。采用內(nèi)孔屏蔽工裝時(shí)，淬火時(shí)內(nèi)孔不會(huì)大量接觸淬火液，內(nèi)孔冷卻通過行星架端面熱量散失產(chǎn)生的熱梯度完成，工裝將減緩內(nèi)孔的冷卻效果，內(nèi)孔調(diào)質(zhì)后硬度相比端面略低，但滿足技術(shù)要求。

圖10 防裂紋工裝淬火實(shí)例

通過上述工藝優(yōu)化，海上大兆瓦風(fēng)電行星架的內(nèi)孔裂紋問題得以消除，同時(shí)風(fēng)電行星架的硬度、組織均勻性得到大幅提高，提高了大兆瓦風(fēng)電行星架的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，技術(shù)創(chuàng)新為海上大兆瓦風(fēng)電行星架調(diào)質(zhì)處理構(gòu)筑起堅(jiān)實(shí)的質(zhì)量護(hù)城墻。

6 結(jié)束語

行星架內(nèi)孔存在鋼錠冒口正偏析殘留，C含量超上差和鑄態(tài)樹枝晶偏析殘留是行星架內(nèi)孔弧形裂紋產(chǎn)生的主要原因；淬火冷卻介質(zhì)冷卻速度相對(duì)于大型行星架鍛件而言偏高，工藝也未做內(nèi)孔冷卻性能控制的預(yù)防性工藝，因此淬火冷卻因素是弧形裂紋產(chǎn)生的次要原因。

通過對(duì)鋼錠的選型及質(zhì)量控制優(yōu)化、反偏析加工技術(shù)，以及調(diào)質(zhì)工藝工裝的研發(fā)，減小了行星架內(nèi)孔的偏析程度，海上大兆瓦行星架調(diào)質(zhì)裂紋問題得以消除，風(fēng)電鍛造行星架實(shí)現(xiàn)了調(diào)質(zhì)無裂紋質(zhì)量特征。