风机主轴用高品质42CrMo4钢炼钢工艺实践

安龙森，杨开彬，郭 甫，陈 云

（金雷科技股份公司，山东 济南 271100）

1 前言

风力发电机主轴是风力发电机组的主要部件之一，在世界各国密切关注开发风能的条件下，风机主轴制造具有巨大的市场。风机主轴服役用钢要求强度高、韧性高、综合力学性能稳定、低温脆性小，传统的42CrMo4钢难以满足上述要求。针对该问题，国内很多学者开展了该方面的研究［1-3］。刘国平等采用改进的降温淬火、水淬油冷的热处理工艺，将风电主轴用42CrMo4钢的淬火温度从860 ℃降至810 ℃，避免了工艺裂纹的产生，使产品满足了服役技术要求［4］。杨开彬等采用空冷＋水冷交替淬火的方法，优化了淬火冷却工艺，有效解决了主轴水淬开裂的问题，主轴的全相组织和力学性能与全水淬主轴基本一致［5］。重庆大学杨萍课题组以尽可能低的生产成本，实现了V80/V90风机主轴用42CrMo4钢的批量化生产，建立了高效的生产线，产品性能指标达到了国外同行的先进水平［6］。金雷科技股份公司针对企业的产品性能要求，采用系统转化大型优质钢锭成套制备技术，开发铸造风机主轴用高品质42CrMo4钢铸锭，通过优化设计炼钢工艺、锻造工艺，并在冶炼过程、锻造过程中采取相应的有效措施，使产品的各项指标达到技术要求，从而实现大型风机主轴用钢锭的批量化稳定生产。

2 主要制备工艺

2.1 原料的成分控制

生产过程中，根据企业的电机主轴产品性能要求，优化锻件的化学成分配比，确保材料性能的强度和韧性达到最佳配合。根据成分配比，选用高碳锰铁合金或金属锰进行合金化，严格控制硅锰合金、硅铁合金用量、Al 的加入量等。化学成分调整时，控制Mn 和Cr 含量在上限，尽量降低钢中C 含量，提高Ni含量，提高V、Mo元素含量，从而提高锻件综合力学性能。化学成分允许偏差标准EN 10083—3。

2.2 冶金工艺过程及参数控制

冶炼过程中，采用“电炉＋钢包精炼＋真空脱气”工艺，即采用钙脱氧和真空脱气技术，利用Ca来代替Si、Al 对钢水进行脱氧等处理，提高钢锭的纯净度。

电炉冶炼前期，吹氧助熔，提前制造氧化性强、碱度高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力，及时进行放渣操作，并造新渣，防止温度升高后和出钢时下渣回磷。电炉出钢的同时向钢包内加入合成渣料、合金和脱氧剂进行预脱氧操作，精炼过程通过添加碳化硅和硅铁粉进行扩散脱氧，铝粒加强脱氧，同时用碳粉保持还原性气氛，造泡沫渣，保持白渣，保证脱氧和脱硫效果良好。通过控制原材物料的水分及真空脱气技术，控制钢锭中H的含量。真空脱气时的真空度可以控制在67～20 Pa，保压30 min 以上。为了提高钢水的纯净度，项目组采用了钙处理技术，即VD工序前通过向钢液中喂入钙线。

3 铸造结果及分析

铸锭检测内容具体包含外观检测、夹杂物检测、内部的无损检测、化学成分检测、微观组织检测及力学性能测试。

3.1 铸锭外观检测

铸锭的外观要求锭尾部以上50 mm 至冒口部以下100 mm范围内，表面不得有肉眼可见的裂纹；不得有厚度＞20 mm，面积＞300 mm2的结疤；不得有翻皮、非金属夹杂、飞边等影响使用的有害缺陷存在。钢锭水口尾部必须割除，水口尖突部要求光滑无夹杂夹渣，冒口端不得留有紧固保温材料用的钢筋及铁丝存在。钢锭表面的缺陷允许清除，清理处应圆滑无尖锐棱角，清除深度最大不超过12 mm。

3.2 内部的无损检测

无损检测要求为钢锭经过加热、锻造、热处理以后，按照SEP1921 标准进行探伤，合格级别为E/e，精加工后进行磁粉探伤，探伤标准执行JB/T 4730—2005 I 级，不允许有肉眼可见磁痕、横向磁痕和异形不规则磁痕。

3.3 钢锭化学成分检测

运用上述炼钢工艺冶炼的42CrMo4锻件产品，通过熔炼及化学分析，具体的成分结果详见表1。

表1 42CrMo4钢铸锭的化学成分（质量分数） %

3.4 微观组织检测

截取铸锭水口（左侧）及冒口（右侧）试样，观测其微观组织，具体的试验结果如图1 所示。铸锭的微观组织均为珠光体和铁素体共存的组织，晶粒均匀。

图1 42CrMo4钢不同部位的微观组织

3.5 力学性能测试

42CrMo4 钢力学性能的测试具体包括横纵方向的拉伸试验、横纵方向的冲击试验及硬度测试实验。具体结果数据见表2。

表2 42CrMo4钢的力学性能

4 结论

4.1 通过工艺的优化设计，采用“电炉＋钢包精炼＋真空脱气”的炼钢工艺，并在冶炼过程中采取相应的有效措施控制工艺参数，成功获得了42CrMo4钢的优质铸锭。

4.2 42CrMo4钢铸锭成分检测表明，通过采用真空碳脱氧技术，并利用Ca来代替Si、Al对钢水进行脱氧等的工艺措施，确保了钢水脱氧良好，钢锭纯净度高。铸锭的微观组织均为珠光体和铁素体共存的组织，晶粒均匀。

4.3 力学性能检测表明，铸锭各项同性，横纵方向的拉伸强度为690～840 MPa，屈服强度高于460 MPa，-20 ℃时的低温冲击韧性为30 J左右，布氏硬度为217～264。