42CrMo4風(fēng)電空心主軸數(shù)字化淬火設(shè)備的應(yīng)用

劉 哲，史可慶，張 青

(金雷科技股份公司，山東 萊蕪 271105)

隨著全球能源的匱乏，風(fēng)能的大力開發(fā)和使用，使得風(fēng)電行業(yè)蓬勃發(fā)展，風(fēng)機(jī)裝機(jī)量不斷增加，風(fēng)機(jī)的發(fā)電量要求也在增加，目前風(fēng)電行業(yè)對大的MW級風(fēng)機(jī)需要較高。我司產(chǎn)品中大MW級42CrMo4風(fēng)電空心主軸占比較多，但存在淬火開裂的幾率較高，報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)極大，開發(fā)新的工藝以解決力學(xué)性能和淬火開裂問題迫在眉睫[1-2]。

1 背景信息

我司的主要產(chǎn)品是風(fēng)電主軸，其中大MW級的主軸主要以空心主軸為主，產(chǎn)品重量一般在15 T左右，絕大部分是42CrMo4材質(zhì)。針對現(xiàn)存一種類型的空心主軸，淬火開裂報(bào)廢幾率很高。我司與上海交通大學(xué)密切合作，采用了由上海交通大學(xué)開發(fā)的數(shù)字化控時(shí)淬火冷卻工藝及設(shè)備，核心內(nèi)容主要是通過計(jì)算機(jī)模擬水-空氣交替淬火工藝，并通過由計(jì)算機(jī)控制的淬火設(shè)備完成淬火處理。下文重點(diǎn)介紹該型號的有關(guān)信息。

選取此型號六個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，技術(shù)要求為符合標(biāo)準(zhǔn)SEW550《大型鋼鐵鍛件-質(zhì)量指標(biāo)》42CrMo4材質(zhì)，鋼錠錠型為25 t八角錠，材料成分如表1所示。

表1 產(chǎn)品的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 鍛造工藝

產(chǎn)品的鍛造加熱工藝如圖1所示，鍛造完成后的毛坯熱處理工藝如圖2所示。

1.3 熱處理

產(chǎn)品最終熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，原工藝曲線如圖3所示。

圖1 鍛造加熱工藝曲線Fig.1 Forging heating process curve

圖2 鍛后熱處理工藝曲線Fig.2 Heat treatment process curve after forging

圖3 調(diào)質(zhì)工藝曲線Fig.3 Quenching and tempering process curve

1.4 取樣

取樣圖如圖4所示。

1.5 檢驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)檢驗(yàn)和外觀檢驗(yàn)結(jié)果如表2，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1—2010、GB/T229—2007。

圖4 取樣圖Fig.4 Sampling map

表2 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

2 分析與討論

經(jīng)過排查和分析，產(chǎn)品出現(xiàn)的裂紋為淬火裂紋。主要原因是由于產(chǎn)品蓄熱量較大，且形狀為中空，在浸入水池淬火時(shí)，內(nèi)外表面冷卻能力不同，外部冷卻速度較快，空心部位水流不暢通，冷卻速度較慢，從而形成較大的熱應(yīng)力，加之組織應(yīng)力的影響，應(yīng)力集中導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。原有工藝的矛盾點(diǎn)在于，由于取樣位置較深，目前采用水和PAG淬火液交替冷卻的方式淬火。水淬時(shí)，產(chǎn)品產(chǎn)生的應(yīng)力集中大，開裂風(fēng)險(xiǎn)較大；但改為PAG淬火液全程淬火，則冷卻能力不足，淬透性較差，淬火后會得到較多的非淬火組織，例如貝氏體、鐵素體、珠光體等，導(dǎo)致不能滿足較高的力學(xué)性能要求[3-6]。

為了解決產(chǎn)品裂紋導(dǎo)致報(bào)廢同時(shí)滿足產(chǎn)品力學(xué)性能的要求，我司與上海交通大學(xué)合作，調(diào)整原淬火工藝，采用數(shù)字化控時(shí)淬火冷卻工藝及設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)模擬水-空氣交替淬火工藝，并通過由計(jì)算機(jī)控制的淬火設(shè)備完成淬火熱處理。工藝與設(shè)備作如下介紹。

3 試制產(chǎn)品信息

將編號④、⑤、⑥產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化淬火工藝和設(shè)備的試驗(yàn)。

3.1 數(shù)字化設(shè)備

淬火冷卻設(shè)備實(shí)現(xiàn)淬火件浸/出液的工作原理見文獻(xiàn)[7-9]，處理過程如下：

第一步，將淬火件轉(zhuǎn)移到淬火槽的支撐臺上，此時(shí)淬火槽液面處于下液面，放水閥門處于打開狀態(tài)，見圖5。

第二步，淬火件的浸液過程為關(guān)閉放水閥門和開啟注液泵，淬火槽的液位迅速上升至上液位位置將淬火件浸入其中，實(shí)現(xiàn)浸液淬火的目的，見圖6。

第三步，當(dāng)淬火時(shí)間達(dá)到預(yù)定的浸液時(shí)間后，停止注液泵和打開放水閥門，液體回流到供液槽，淬火槽頁面會迅速下降到下液面，實(shí)現(xiàn)淬火件的空冷過程或?qū)⒋慊鸺D(zhuǎn)移到淬火槽結(jié)束淬火過程，見圖5。

3.2 淬火工藝

根據(jù)有限元模擬[10]，得出優(yōu)化后的淬火工藝，如圖7。

圖5 淬火件處于待料狀態(tài)或空冷狀態(tài) Fig.5 Quenching parts are in the state of weiting or air cooling

圖6 淬火件處于浸液狀態(tài)Fig.6 Quenching parts are in the immersion state

圖7 優(yōu)化后的調(diào)質(zhì)工藝曲線圖Fig.7 Quenching and tempering process curve after optimized

3.3 檢驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)件④、⑤、⑥，按照優(yōu)化的工藝執(zhí)行調(diào)質(zhì)熱處理后，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)件均無裂紋，且力學(xué)性能合格，強(qiáng)度降低、韌性增加。

表3 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

數(shù)字化淬火設(shè)備和工藝有效地解決了42CrMo4風(fēng)電空心主軸淬火開裂和力學(xué)性能矛盾。以水-空氣交替淬火技術(shù)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字化的軟件模擬和智能化設(shè)備，大大提高了產(chǎn)品合格率，降低了報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。