李守杰 王雪松 雷沖 王學(xué)璽 高英麗 陳濤 張一堃

(河南中原特鋼裝備制造有限公司,河南 濟(jì)源 459000)

大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電等將成為全球火爆的新興產(chǎn)業(yè)與國家發(fā)展戰(zhàn)略。風(fēng)機(jī)主軸作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的重要部件,具有巨大的市場。作為核心部件,風(fēng)機(jī)主軸有著承受載荷、傳遞扭矩等作用,力學(xué)性能對其使用壽命及安全系數(shù)有著重要影響[1-3]。關(guān)于該產(chǎn)品,國內(nèi)有諸多相關(guān)方面的研究。魯玉梅等人針對材質(zhì)為42CrMo4的風(fēng)機(jī)軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)工藝的改進(jìn),分析了熱處理后的顯微組織和力學(xué)性能,結(jié)果表明工藝改進(jìn)后風(fēng)機(jī)軸產(chǎn)品表面硬度值均勻,力學(xué)性能、晶粒度均符合技術(shù)要求,且提高了生產(chǎn)效率,降低了能源消耗[4],該文主要研究的是空心風(fēng)機(jī)主軸的熱處理工藝,對實心風(fēng)機(jī)主軸的生產(chǎn)試制有一定的指導(dǎo)意義。但是在風(fēng)機(jī)主軸的全流程、批量生產(chǎn)方面的研究還較少。

為了滿足風(fēng)機(jī)主軸對材料的高要求,根據(jù)我公司設(shè)備能力及技術(shù)儲備,通過設(shè)計合理的化學(xué)成分及鍛造專用工裝,制定合理的煉鋼、鍛造、熱處理等工序措施及工藝。經(jīng)過生產(chǎn)試制,力學(xué)性能及其它各項指標(biāo)均滿足技術(shù)要求,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,具備了批量生產(chǎn)能力。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

42CrMo4風(fēng)機(jī)軸的化學(xué)成分要求如表1所示。

1.2 力學(xué)性能

在主軸的小軸端距離表面80 mm處切取試料進(jìn)行拉伸、沖擊試驗。其中拉伸試樣按照ISO 6892-1《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》的要求加工,試樣平行長度的原始直徑d0=10 mm。按照ISO 148-1《金屬材料 夏比擺式?jīng)_擊試驗 第1部分:試驗方法》的要求加工V型標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。力學(xué)性能檢測結(jié)果應(yīng)滿足表2要求。

表1 42CrMo4鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

表2 風(fēng)機(jī)主軸的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties of wind turbinemain shaft

1.3 金相組織

金相試樣的中心位置離主軸表面50 mm,距端面90 mm;顯微組織分析平面平行于軸線方向。在最終調(diào)質(zhì)熱處理后,使用機(jī)加工方式取樣,不得使用火焰切割。顯微組織應(yīng)為回火索氏體和允許存在少量貝氏體組織,不允許有網(wǎng)狀鐵素體。

1.4 晶粒度

按照ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定測試晶粒度,平均晶粒度應(yīng)不小于7級。

1.5 超聲檢測

超聲檢測按照EN 10228-3標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,驗收等級為4級,單個缺陷≤?3 mm,延伸性或密集單個缺陷≤?2 mm,不允許出現(xiàn)條狀缺陷回波。

2 生產(chǎn)試制工藝流程

電弧爐冶煉+真空精煉+模鑄、熱送(或退火冷送)→50MN油壓機(jī)兩鐓兩拔-局部鐓粗-拔長至成品→高溫正火+低溫正火+回火→超聲檢測→粗加工→無損檢測→調(diào)質(zhì)→超聲檢測→理化檢測→精加工→無損檢測→表面處理→包裝→交貨。

3 生產(chǎn)試制

3.1 冶煉

42CrMo4屬于中碳結(jié)構(gòu)鋼,淬透性中等,由于力學(xué)性能要求嚴(yán)格,且低溫沖擊功要求較高。需要對化學(xué)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗,制定內(nèi)控化學(xué)成分見表3。

表3 42CrMo4鋼的內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 3 Internal control of chemical compositionsof 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

煉鋼采用電弧爐冶煉、鋼包精煉和真空除氣處理,澆注采用下注式澆注,澆注過程使用氬氣保護(hù)澆注,減少氧化、吸氣,提高鋼液純凈度。煉鋼各工步控制如下:

(1)電弧爐冶煉:電弧爐冶煉通過優(yōu)選原材料控制五害元素(鉛、錫、砷、銻、鉍)含量。加料前爐內(nèi)提前加入適量增碳劑及石灰;熔清后邊吹氧邊流渣進(jìn)行脫磷操作,溫度≥1580℃取樣,控制五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi≤0.015%。

電爐出鋼條件:C≤0.25%,P≤0.008%,出鋼溫度1640～1660℃;出鋼過程中嚴(yán)禁下渣;出鋼過程中向鋼包中加入適量鋁塊、石灰及適量硅鐵、錳鐵、鉻鐵。

(2)LF精煉:精煉包到位后接通氬氣,加入白灰送電化渣,期間加入碳粉、硅鐵粉脫氧劑進(jìn)行脫氧,渣白后測溫、取樣,白渣保持時間≥20 min。根據(jù)取樣結(jié)果調(diào)整化學(xué)成分,控制殘鋁0.025%～0.040%,轉(zhuǎn)VD前化學(xué)成分調(diào)整完畢。精煉全程控制好氬氣流量,避免鋼液裸露。自LF爐吊包轉(zhuǎn)入真空罐脫氣溫度為1635～1665℃。

(3)VD真空精煉:鋼包就位后測溫,在≤70 Pa下保持時間≥20 min,控制[H]≤1.3×10-6、[O]≤6×10-6;取氣體樣分析[N]含量,控制[N]≤60×10-6。吊包前弱攪拌時間≥12 min。吊包溫度1545～1555℃。

(4)鑄錠:所用鋼錠模內(nèi)壁使用前打磨清理,鋼錠模在座模前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱,使用溫度50～150℃。湯道系統(tǒng)流鋼磚、保護(hù)渣烘烤干燥后使用,鋼錠模擺好后,?？诩袄瓤诩皶r加上蓋板。鎮(zhèn)靜時間≥10 min,開澆溫度1535～1545℃,采用氬氣保護(hù)澆注。使用中低碳保護(hù)渣,保護(hù)渣提前吊掛模內(nèi),澆注結(jié)束后加入發(fā)熱劑,澆完補(bǔ)加碳化稻殼保溫,確保補(bǔ)縮效果[5]。脫模后清理干凈鋼錠兩端毛刺、飛邊。

(5)鋼錠熱送:鋼錠脫模后裝入保溫車,熱送至鍛造車間,熱送溫度≥550℃,鋼錠脫模及熱送期間應(yīng)關(guān)閉門窗,避免鋼錠表面產(chǎn)生裂紋。

3.2 鍛造

風(fēng)機(jī)主軸采用50 MN四柱式油壓機(jī)鍛造成形,為保證壓實效果先采用兩鐓兩拔制成預(yù)成坯,然后利用專用模具將法蘭鍛造成形,最后將軸端拔長至成品,鍛件總鍛造比≥5。具體控制要求如下:

(1)鋼錠加熱

鋼錠按圖1加熱曲線進(jìn)行加熱。

圖1 42CrMo4鋼錠鍛造加熱曲線Figure 1 Forging heating curve of 42CrMo4 steel ingots

(2)鍛造

鍛造采用50 MN油壓機(jī)兩火次成型,一火次采用兩鐓兩拔做預(yù)成坯,每次壓下量控制在20%～25%,預(yù)成坯返爐加熱,加熱時間2～4.5 h;二火次局部鐓粗法蘭后,將軸身其余臺階拔長至成品尺寸。利用鍛造余熱校直,保證鍛件彎曲度?？傚懺毂取?。鋼錠利用率控制在80%左右。

(3)鍛后熱處理

由于鍛件直徑大、鍛造火次較多,易出現(xiàn)粗晶,雜波較多,有時達(dá)到100%,無法滿足鍛后超聲檢測要求,也無法通過隨后調(diào)質(zhì)處理完全消除。因此鍛后增加了雙正火加回火工藝[6],消除雜波,細(xì)化晶粒,滿足鍛后超聲檢測要求,為最終熱處理準(zhǔn)備合適的顯微組織及晶粒度。鍛后熱處理工藝曲線如圖2所示。因為氫含量對風(fēng)機(jī)主軸的使用壽命有重要影響,所有擴(kuò)氫工藝按雙過冷+擴(kuò)氫退火進(jìn)行設(shè)計[7],過冷與擴(kuò)氫溫度根據(jù)圖3制定,并經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋?使主軸鍛件盡快由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體-碳化物組織,加快氫的溢出與均勻化,避免白點和氫脆的產(chǎn)生。

圖2 風(fēng)機(jī)主軸鍛后熱處理工藝曲線Figure 2 The heat treatment process curves after forging of wind turbine main shaft

晶粒度:7 ASTM 奧氏體化溫度:818.47℃圖3 42CrMo4鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線Figure 3 Isothermal transformation curve of 42CrMo4 steel

3.3 粗加工

風(fēng)機(jī)主軸鍛坯超聲檢測、表面質(zhì)量檢測合格后,按粗加工圖紙進(jìn)行加工,加工后鍛件表面不得出現(xiàn)尖角,臺階處圓滑過渡,為隨后調(diào)質(zhì)處理采用強(qiáng)冷準(zhǔn)備合適的條件。

3.4 調(diào)質(zhì)處理

調(diào)質(zhì)熱處理是風(fēng)機(jī)主軸的關(guān)鍵工序,淬火溫度及冷卻參數(shù)的選定尤為重要。根據(jù)JMatPro軟件計算,見圖4。確定淬火溫度840～860℃,在此溫度有一定量碳氮化物的存在,可以起到細(xì)化晶粒,提高力學(xué)性能,尤其對低溫沖擊功提升明顯。

因風(fēng)機(jī)主軸直徑較大(取樣位置直徑?685 mm),取樣位置深,為達(dá)到設(shè)計的顯微組織與力學(xué)性能,淬火冷卻需采用強(qiáng)冷,淬火冷卻方式為水冷-空冷-水冷[7],淬火總冷卻系數(shù)(12～15)min/100 mm,通過強(qiáng)冷,最終出水溫度≤150℃,盡量減少殘余奧氏體含量,以便獲得更多的馬氏體組織,避免產(chǎn)生鐵素體組織。通過隨后的高溫回火獲得回火索氏體和貝氏體的混合組織及初步消除淬火過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,達(dá)到產(chǎn)品所要求的金相組織及力學(xué)性能,性能回火后采用去應(yīng)力回火進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力,穩(wěn)定組織。調(diào)質(zhì)處理工藝見圖5。

圖4 加熱組織轉(zhuǎn)變曲線Figure 4 Structural transformation curve of heating process

4 試制結(jié)果

4.1 化學(xué)成分檢測結(jié)果

調(diào)質(zhì)后在小頭端二分之一半徑處進(jìn)行成品分析,檢測結(jié)果見表4?；瘜W(xué)成分分析滿足內(nèi)控化學(xué)成分要求,并且磷、硫及五害元素均控制在較低水平。較低的磷、硫及五害元素,避免了有害元素在晶界處的富集,減輕了第二類回火脆性,從而提升了低溫沖擊韌性,為材料滿足較高的低溫沖擊吸收能量提供了有利條件。

4.2 超聲檢測

超聲檢測時機(jī)為鍛后黑皮檢測、調(diào)質(zhì)后黑皮檢測、精加工后檢測,以精加工后檢測作為交貨依據(jù)。該批次試制風(fēng)機(jī)主軸在各個階段工序結(jié)束后,對全部外圓進(jìn)行了超聲檢測。檢測結(jié)果表明,所有試制產(chǎn)品均沒有大于2 mm的缺陷存在,沒有大于2 mm的密集區(qū)和連續(xù)性缺陷,滿足EN 10228-3標(biāo)準(zhǔn)4級要求。

4.3 力學(xué)性能及金相組織

試制件制取的金相試片經(jīng)過腐蝕觀察后,按GB/T 13320—2007標(biāo)準(zhǔn)檢測顯微組織,顯微組織為回火索氏體+貝氏體,按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)檢測實際晶粒度,實際晶粒度結(jié)果為7.5級,符合技術(shù)要求,檢測結(jié)果見表5和圖6。

力學(xué)性能檢測位置在風(fēng)機(jī)主軸的小頭端,取樣位置距成品表面80 mm處,采用套料方式取樣,檢測一個拉伸和三個沖擊,沖擊試樣開口為夏比V型,檢測標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 228.1—2021和GB/T 229—2020。力學(xué)性能檢測結(jié)果見表5,從表中可以看出,各項力學(xué)性能檢測結(jié)果均合格,且都高于標(biāo)準(zhǔn)值一定范圍,尤其低溫沖擊結(jié)果更是遠(yuǎn)高于要求值。雖然本鋼種一般不易淬透且力學(xué)性能試樣取樣位置較深,但是仍獲得了較好的力學(xué)性能結(jié)果。

圖5 調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 5 Quenching and tempering heat treatment curves

表4 42CrMo4鋼的成品分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 4 Product analysis of 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

表5 力學(xué)性能、金相組織及晶粒度Table 5 Mechanical properties, metallographic structures and grain sizes

圖6 金相組織及晶粒度Figure 6 Metallographic structures and grain sizes

5 分析討論

通過試制結(jié)果,分析如下:

(1)本次試制化學(xué)成分設(shè)計合理。化學(xué)成分設(shè)計原則:

1)碳含量的設(shè)計:碳提高鋼的淬透性,提高鋼的強(qiáng)度,但降低鋼的韌性,提高鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。因此,在保證強(qiáng)度的前提下,盡量降低碳含量。

2)錳含量的設(shè)計:錳能溶入鐵素體,提高鋼的強(qiáng)度,且錳強(qiáng)烈提高淬透性,為滿足大規(guī)格淬透層要求,獲得所需的金相組織與力學(xué)性能,應(yīng)適當(dāng)提高錳含量。

3)鉻含量的設(shè)計:鉻是42CrMo4鋼的主要元素,鉻提高淬透性及回火穩(wěn)定性,設(shè)計應(yīng)盡量提高其含量。

4)鉬含量設(shè)計:鉬可以提高淬透性及回火穩(wěn)定性,鉬元素能有效地抑制鋼中有害元素的偏聚,是消除或減輕鋼高溫回火脆性的有效元素。因此鉬含量在材料允許值范圍內(nèi)盡量提高其含量。

5)鋁含量的設(shè)計:在添加貴金屬元素一定的情況下,控制合適比例的鋁元素加入鋼錠中,可顯著細(xì)化材料晶粒,晶粒更加均勻,可強(qiáng)化材料的綜合力學(xué)性能[8-9]。鋁作為強(qiáng)脫氧元素,對鋼材性能的影響,是強(qiáng)烈縮小γ相的元素,它與氧、氮有很大的親和力,首先表現(xiàn)為其固氮作用;其次,當(dāng)鋁加入鋼中時,奧氏體晶粒減小,抑制碳鋼的時效,提高鋼在低溫下的韌性[10],因此一定的鋁含量可細(xì)化晶粒,提高材料的低溫沖擊吸收能量。

(2)鍛造工藝設(shè)計合理,各部位變形均勻,壓實效果良好。采用兩鐓兩拔鍛造方式,每次鐓粗后高徑比按0.6～0.7控制,保證中心壓實,拔長采用每道次壓下量25%～30%大壓下量鍛造;法蘭鍛造設(shè)計專用工裝,法蘭局部鐓粗成型采用兩次沖型設(shè)計,第一次高溫下大壓下量初步?jīng)_型后在上下平砧滾圓法蘭局部圓角,并立料校直軸身,第二次保證法蘭一次沖型到位,避免局部圓角沖型不到位,導(dǎo)致法蘭尺寸超差,影響加工。

(3)鍛后熱處理設(shè)計合理,雙正火+擴(kuò)氫退火工藝設(shè)計,獲得較細(xì)且均勻的晶粒,為超聲檢測提供了有利條件,通過兩次預(yù)冷及擴(kuò)氫退火工藝,獲得較低的氫含量,為材料的安全性提供了保障。

(4)粗加工與熱處理工序結(jié)合,設(shè)計出合理的粗加圖,避免出現(xiàn)尖角,臺階采用坡度過渡,為熱處理強(qiáng)冷提供了條件。

(5)調(diào)質(zhì)工藝設(shè)計,采用階梯加熱工藝設(shè)計,減少工件內(nèi)外溫差,降低了加熱應(yīng)力;根據(jù)JMatPro軟件計算,設(shè)計出最佳的熱處理淬火溫度;淬火冷卻采用水-空-水強(qiáng)冷工藝設(shè)計,終冷溫度≤150℃,確保組織轉(zhuǎn)變充分,并通過后續(xù)的兩次回火獲得所需的力學(xué)性能及較低的殘余應(yīng)力,為材料滿足使用要求提供了保障。

6 結(jié)論

通過上述分析討論,得出以下結(jié)論:

(1)通過化學(xué)成分內(nèi)控,添加適量的微量元素,可以滿足力學(xué)性能要求;

(2)通過冶煉過程控制,提高鋼液純凈度,并經(jīng)過合適的鍛造方式,風(fēng)機(jī)主軸的超聲檢測可以滿足技術(shù)要求;

(3)鍛后采用雙正火+回火,調(diào)質(zhì)采用水冷-空冷-水冷的強(qiáng)冷工藝可以滿足風(fēng)機(jī)主軸的金相組織及力學(xué)性能要求;

(4)試制風(fēng)機(jī)主軸各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求,說明試制方案是可行的,可以滿足批量生產(chǎn)要求。