淬火冷却工艺对42CrMo4风机主轴组织及力学性能的影响

■ 杨开彬，时乐智，程 林，马相彬

淬火作为一种重要的热处理工艺，是为了得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的综合力学性能，从而满足工件的使用要求。然而，考虑到淬火过程中工件内外温度差、组织转变不均匀等因素的相互作用，在实际生产中，大尺寸轴类工件经淬火后往往会出现水淬易开裂、油淬性能难满足要求等一系列的问题。

针对此类问题，近年来不少学者对淬火冷却工艺进行了大量研究与实践，提出了控时淬火冷却、强烈淬火等技术，有效解决了大尺寸轴类工件的淬火难题。

目前，随着大功率风电机组开发速度的日益加快，大尺寸、高性能成为风机主轴的基本要求，采用油或水溶性液体作为淬火冷却介质将难以满足主轴的性能要求，采用水作为淬火冷却介质又面临主轴开裂的风险。因此，既要保证足够的淬硬层深度，满足主轴的性能要求，又要避免因淬火应力过大导致工件开裂，为此我们对42CrMo4风机主轴的淬火冷却工艺进行了分析和优化。

1. 主轴材料和性能要求

风机主轴是风力发电机组中的重要部件，为大型轴类锻件，我公司承制了一批材质为42CrMo4合金钢的风机主轴，其化学成分如表1所示。性能要求：Rm≥820MPa，Rp≥640MPa，Akv2（-20℃）≥30J。性能测试试样取自风机主轴小轴端皮下30mm。

2. 主轴热处理工艺参数和试验方法

试验选用10支同批次冶炼的钢锭，经检验其化学成分、夹杂物等级基本一致，将其随机分为A、B两组，每组5支，所有钢锭经锻造、粗加工后对其进行调质处理。A、B两组试验材料采用调质处理工艺曲线如图1所示，两组材料调质过程中的升温速率、加热温度、保温时间均一致，A组采用完全水冷，B组采用空冷+水冷交替淬火。调质完成后对每支主轴进行超声波无损检测，无损检测完成后按取样位置要求进行取样分析测试。采用金相显微镜观察试样的显微组织；采用电子万能试验机测试试样的力学性能，其中低温冲击性能测试温度为-20℃，试样尺寸为55mm×10mm×10mm，V形槽为45°，2mm深并带有0.25mm半径，每支主轴取三组冲击试样，性能数据取平均值。

3. 试验结果及分析

A、B两组主轴经上述调质工艺处理后进行超声波无损检测，发现5支采用完全水冷（A组）的主轴中1支在内孔表面出现了淬火裂纹，采用空冷+水冷交替淬火冷却（B组）的主轴未发现淬火裂纹。

图1 A、B两组主轴的调质处理工艺曲线

图2 两组风机主轴调质后的金相组织

图3 两组风机主轴调质后的晶粒度图像

表1 42CrMo4钢的化学成分 （质量分数） （%）

（1）金相组织与晶粒度分析 图2为两组风机主轴经调质处理后的金相组织图像。从图中可以看出，图2a、2b中风机主轴调质后的室温组织均为回火索氏体，对比可知，图2b中晶粒尺寸细小，组织分布更为均匀。

图3为两组风机主轴经调质处理后的晶粒度图像。从图中可以看出，图3a、3b中晶粒度等级均为7.5级。

（2）性能分析 A、B两组风机主轴经调质处理后的各项力学性能测试结果如表2所示。从表中可以看出，经全水冷（A组）和空冷+水冷（B组）淬火冷却工艺处理后的主轴各项力学性能均符合技术要求，A组抗拉强度和屈服强度数值稍高，B组—20 ℃的冲击吸收能量指标优于A组，整体而言，两组主轴各项性能数值非常接近。

对空冷+水冷淬火冷却工艺进行分析，该工艺理论上可以分为两个阶段，第一阶段为空冷阶段，第二阶段为水-空交替淬火冷却阶段。在主轴出炉后采取空冷的方式进行缓慢冷却，直到工件表面冷却到Ar1以上或以下的某一温度区间，显著减少了主轴的热容量，加速了第二阶段的冷却效果；在水冷-空冷交替淬火冷却阶段，采用快冷（水冷）与慢冷（空冷）交替的方式进行，主轴在第一次水淬过程中，其表层快冷到Ms点以下某一温度并保持一定时间后，在表层获得部分马氏体组织，随后将主轴提离水面进行空冷，在此过程中，主轴次表层的热量传向表层，使表层的温度升高，结果是表层刚刚转变的马氏体组织发生自回火，从而使表层的韧性和应力状态得到改善，避免了表层马氏体组织产生开裂；然后再重复水冷+空冷的交替淬火冷却，直到主轴组织达到要求，完成第二阶段淬火冷却。

综上所述，在调质过程中采用完全水冷和空冷+水冷交替淬火冷却工艺得到的主轴室温组织均为回火索氏体，晶粒度均为7.5级，力学性能均满足技术要求，但是，采用空冷+水冷交替淬火冷却工艺可以有效避免淬火裂纹的产生，提高主轴质量，降低有效成本。

表2 A、B两组风机主轴的力学性能测试数据

4. 结语

（1）空冷+水冷交替淬火冷却工艺可以用于42CrMo4风机主轴的淬火冷却。

（2）采用空冷+水冷交替淬火冷却工艺可以达到与完全水冷相同的组织结构和相似的力学性能，满足主轴的技术要求，同时避免了完全水冷易产生裂纹的问题。

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