42CrMo4风机主轴的生产试制

李守杰 王雪松 雷冲 王学玺 高英丽 陈涛 张一堃

(河南中原特钢装备制造有限公司,河南 济源 459000)

大力发展风力发电等将成为全球火爆的新兴产业与国家发展战略。风机主轴作为风力发电设备的重要部件,具有巨大的市场。作为核心部件,风机主轴有着承受载荷、传递扭矩等作用,力学性能对其使用寿命及安全系数有着重要影响[1-3]。关于该产品,国内有诸多相关方面的研究。鲁玉梅等人针对材质为42CrMo4的风机轴进行调质工艺的改进,分析了热处理后的显微组织和力学性能,结果表明工艺改进后风机轴产品表面硬度值均匀,力学性能、晶粒度均符合技术要求,且提高了生产效率,降低了能源消耗[4],该文主要研究的是空心风机主轴的热处理工艺,对实心风机主轴的生产试制有一定的指导意义。但是在风机主轴的全流程、批量生产方面的研究还较少。

为了满足风机主轴对材料的高要求,根据我公司设备能力及技术储备,通过设计合理的化学成分及锻造专用工装,制定合理的炼钢、锻造、热处理等工序措施及工艺。经过生产试制,力学性能及其它各项指标均满足技术要求,产品质量稳定,具备了批量生产能力。

1 技术要求

1.1 化学成分

42CrMo4风机轴的化学成分要求如表1所示。

1.2 力学性能

在主轴的小轴端距离表面80 mm处切取试料进行拉伸、冲击试验。其中拉伸试样按照ISO 6892-1《金属材料 室温拉伸试验方法》的要求加工,试样平行长度的原始直径d0=10 mm。按照ISO 148-1《金属材料 夏比摆式冲击试验 第1部分:试验方法》的要求加工V型标准冲击试样。力学性能检测结果应满足表2要求。

表1 42CrMo4钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

表2 风机主轴的力学性能要求Table 2 Mechanical properties of wind turbinemain shaft

1.3 金相组织

金相试样的中心位置离主轴表面50 mm,距端面90 mm;显微组织分析平面平行于轴线方向。在最终调质热处理后,使用机加工方式取样,不得使用火焰切割。显微组织应为回火索氏体和允许存在少量贝氏体组织,不允许有网状铁素体。

1.4 晶粒度

按照ASTM E112标准的规定测试晶粒度,平均晶粒度应不小于7级。

1.5 超声检测

超声检测按照EN 10228-3标准执行,验收等级为4级,单个缺陷≤∅3 mm,延伸性或密集单个缺陷≤∅2 mm,不允许出现条状缺陷回波。

2 生产试制工艺流程

电弧炉冶炼+真空精炼+模铸、热送(或退火冷送)→50MN油压机两镦两拔-局部镦粗-拔长至成品→高温正火+低温正火+回火→超声检测→粗加工→无损检测→调质→超声检测→理化检测→精加工→无损检测→表面处理→包装→交货。

3 生产试制

3.1 冶炼

42CrMo4属于中碳结构钢,淬透性中等,由于力学性能要求严格,且低温冲击功要求较高。需要对化学成分进行适当调整,结合生产经验,制定内控化学成分见表3。

表3 42CrMo4钢的内控化学成分(质量分数,%)Table 3 Internal control of chemical compositionsof 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

炼钢采用电弧炉冶炼、钢包精炼和真空除气处理,浇注采用下注式浇注,浇注过程使用氩气保护浇注,减少氧化、吸气,提高钢液纯净度。炼钢各工步控制如下:

(1)电弧炉冶炼:电弧炉冶炼通过优选原材料控制五害元素(铅、锡、砷、锑、铋)含量。加料前炉内提前加入适量增碳剂及石灰;熔清后边吹氧边流渣进行脱磷操作,温度≥1580℃取样,控制五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi≤0.015%。

电炉出钢条件:C≤0.25%,P≤0.008%,出钢温度1640～1660℃;出钢过程中严禁下渣;出钢过程中向钢包中加入适量铝块、石灰及适量硅铁、锰铁、铬铁。

(2)LF精炼:精炼包到位后接通氩气,加入白灰送电化渣,期间加入碳粉、硅铁粉脱氧剂进行脱氧,渣白后测温、取样,白渣保持时间≥20 min。根据取样结果调整化学成分,控制残铝0.025%～0.040%,转VD前化学成分调整完毕。精炼全程控制好氩气流量,避免钢液裸露。自LF炉吊包转入真空罐脱气温度为1635～1665℃。

(3)VD真空精炼:钢包就位后测温,在≤70 Pa下保持时间≥20 min,控制[H]≤1.3×10-6、[O]≤6×10-6;取气体样分析[N]含量,控制[N]≤60×10-6。吊包前弱搅拌时间≥12 min。吊包温度1545～1555℃。

(4)铸锭:所用钢锭模内壁使用前打磨清理,钢锭模在座模前应进行预热,使用温度50～150℃。汤道系统流钢砖、保护渣烘烤干燥后使用,钢锭模摆好后,模口及喇叭口及时加上盖板。镇静时间≥10 min,开浇温度1535～1545℃,采用氩气保护浇注。使用中低碳保护渣,保护渣提前吊挂模内,浇注结束后加入发热剂,浇完补加碳化稻壳保温,确保补缩效果[5]。脱模后清理干净钢锭两端毛刺、飞边。

(5)钢锭热送:钢锭脱模后装入保温车,热送至锻造车间,热送温度≥550℃,钢锭脱模及热送期间应关闭门窗,避免钢锭表面产生裂纹。

3.2 锻造

风机主轴采用50 MN四柱式油压机锻造成形,为保证压实效果先采用两镦两拔制成预成坯,然后利用专用模具将法兰锻造成形,最后将轴端拔长至成品,锻件总锻造比≥5。具体控制要求如下:

(1)钢锭加热

钢锭按图1加热曲线进行加热。

图1 42CrMo4钢锭锻造加热曲线Figure 1 Forging heating curve of 42CrMo4 steel ingots

(2)锻造

锻造采用50 MN油压机两火次成型,一火次采用两镦两拔做预成坯,每次压下量控制在20%～25%,预成坯返炉加热,加热时间2～4.5 h;二火次局部镦粗法兰后,将轴身其余台阶拔长至成品尺寸。利用锻造余热校直,保证锻件弯曲度。总锻造比≥5。钢锭利用率控制在80%左右。

(3)锻后热处理

由于锻件直径大、锻造火次较多,易出现粗晶,杂波较多,有时达到100%,无法满足锻后超声检测要求,也无法通过随后调质处理完全消除。因此锻后增加了双正火加回火工艺[6],消除杂波,细化晶粒,满足锻后超声检测要求,为最终热处理准备合适的显微组织及晶粒度。锻后热处理工艺曲线如图2所示。因为氢含量对风机主轴的使用寿命有重要影响,所有扩氢工艺按双过冷+扩氢退火进行设计[7],过冷与扩氢温度根据图3制定,并经过适当的保温,使主轴锻件尽快由奥氏体转变为铁素体-碳化物组织,加快氢的溢出与均匀化,避免白点和氢脆的产生。

图2 风机主轴锻后热处理工艺曲线Figure 2 The heat treatment process curves after forging of wind turbine main shaft

晶粒度:7 ASTM 奥氏体化温度:818.47℃图3 42CrMo4钢的等温转变曲线Figure 3 Isothermal transformation curve of 42CrMo4 steel

3.3 粗加工

风机主轴锻坯超声检测、表面质量检测合格后,按粗加工图纸进行加工,加工后锻件表面不得出现尖角,台阶处圆滑过渡,为随后调质处理采用强冷准备合适的条件。

3.4 调质处理

调质热处理是风机主轴的关键工序,淬火温度及冷却参数的选定尤为重要。根据JMatPro软件计算,见图4。确定淬火温度840～860℃,在此温度有一定量碳氮化物的存在,可以起到细化晶粒,提高力学性能,尤其对低温冲击功提升明显。

因风机主轴直径较大(取样位置直径∅685 mm),取样位置深,为达到设计的显微组织与力学性能,淬火冷却需采用强冷,淬火冷却方式为水冷-空冷-水冷[7],淬火总冷却系数(12～15)min/100 mm,通过强冷,最终出水温度≤150℃,尽量减少残余奥氏体含量,以便获得更多的马氏体组织,避免产生铁素体组织。通过随后的高温回火获得回火索氏体和贝氏体的混合组织及初步消除淬火过程产生的内应力,达到产品所要求的金相组织及力学性能,性能回火后采用去应力回火进一步消除残余应力,稳定组织。调质处理工艺见图5。

图4 加热组织转变曲线Figure 4 Structural transformation curve of heating process

4 试制结果

4.1 化学成分检测结果

调质后在小头端二分之一半径处进行成品分析,检测结果见表4。化学成分分析满足内控化学成分要求,并且磷、硫及五害元素均控制在较低水平。较低的磷、硫及五害元素,避免了有害元素在晶界处的富集,减轻了第二类回火脆性,从而提升了低温冲击韧性,为材料满足较高的低温冲击吸收能量提供了有利条件。

4.2 超声检测

超声检测时机为锻后黑皮检测、调质后黑皮检测、精加工后检测,以精加工后检测作为交货依据。该批次试制风机主轴在各个阶段工序结束后,对全部外圆进行了超声检测。检测结果表明,所有试制产品均没有大于2 mm的缺陷存在,没有大于2 mm的密集区和连续性缺陷,满足EN 10228-3标准4级要求。

4.3 力学性能及金相组织

试制件制取的金相试片经过腐蚀观察后,按GB/T 13320—2007标准检测显微组织,显微组织为回火索氏体+贝氏体,按ASTM E112标准检测实际晶粒度,实际晶粒度结果为7.5级,符合技术要求,检测结果见表5和图6。

力学性能检测位置在风机主轴的小头端,取样位置距成品表面80 mm处,采用套料方式取样,检测一个拉伸和三个冲击,冲击试样开口为夏比V型,检测标准分别为GB/T 228.1—2021和GB/T 229—2020。力学性能检测结果见表5,从表中可以看出,各项力学性能检测结果均合格,且都高于标准值一定范围,尤其低温冲击结果更是远高于要求值。虽然本钢种一般不易淬透且力学性能试样取样位置较深,但是仍获得了较好的力学性能结果。

图5 调质热处理工艺曲线Figure 5 Quenching and tempering heat treatment curves

表4 42CrMo4钢的成品分析(质量分数,%)Table 4 Product analysis of 42CrMo4 steel(mass fraction, %)

表5 力学性能、金相组织及晶粒度Table 5 Mechanical properties, metallographic structures and grain sizes

图6 金相组织及晶粒度Figure 6 Metallographic structures and grain sizes

5 分析讨论

通过试制结果,分析如下:

(1)本次试制化学成分设计合理。化学成分设计原则:

1)碳含量的设计:碳提高钢的淬透性,提高钢的强度,但降低钢的韧性,提高钢的韧脆性转变温度。因此,在保证强度的前提下,尽量降低碳含量。

2)锰含量的设计:锰能溶入铁素体,提高钢的强度,且锰强烈提高淬透性,为满足大规格淬透层要求,获得所需的金相组织与力学性能,应适当提高锰含量。

3)铬含量的设计:铬是42CrMo4钢的主要元素,铬提高淬透性及回火稳定性,设计应尽量提高其含量。

4)钼含量设计:钼可以提高淬透性及回火稳定性,钼元素能有效地抑制钢中有害元素的偏聚,是消除或减轻钢高温回火脆性的有效元素。因此钼含量在材料允许值范围内尽量提高其含量。

5)铝含量的设计:在添加贵金属元素一定的情况下,控制合适比例的铝元素加入钢锭中,可显著细化材料晶粒,晶粒更加均匀,可强化材料的综合力学性能[8-9]。铝作为强脱氧元素,对钢材性能的影响,是强烈缩小γ相的元素,它与氧、氮有很大的亲和力,首先表现为其固氮作用;其次,当铝加入钢中时,奥氏体晶粒减小,抑制碳钢的时效,提高钢在低温下的韧性[10],因此一定的铝含量可细化晶粒,提高材料的低温冲击吸收能量。

(2)锻造工艺设计合理,各部位变形均匀,压实效果良好。采用两镦两拔锻造方式,每次镦粗后高径比按0.6～0.7控制,保证中心压实,拔长采用每道次压下量25%～30%大压下量锻造;法兰锻造设计专用工装,法兰局部镦粗成型采用两次冲型设计,第一次高温下大压下量初步冲型后在上下平砧滚圆法兰局部圆角,并立料校直轴身,第二次保证法兰一次冲型到位,避免局部圆角冲型不到位,导致法兰尺寸超差,影响加工。

(3)锻后热处理设计合理,双正火+扩氢退火工艺设计,获得较细且均匀的晶粒,为超声检测提供了有利条件,通过两次预冷及扩氢退火工艺,获得较低的氢含量,为材料的安全性提供了保障。

(4)粗加工与热处理工序结合,设计出合理的粗加图,避免出现尖角,台阶采用坡度过渡,为热处理强冷提供了条件。

(5)调质工艺设计,采用阶梯加热工艺设计,减少工件内外温差,降低了加热应力;根据JMatPro软件计算,设计出最佳的热处理淬火温度;淬火冷却采用水-空-水强冷工艺设计,终冷温度≤150℃,确保组织转变充分,并通过后续的两次回火获得所需的力学性能及较低的残余应力,为材料满足使用要求提供了保障。

6 结论

通过上述分析讨论,得出以下结论:

(1)通过化学成分内控,添加适量的微量元素,可以满足力学性能要求;

(2)通过冶炼过程控制,提高钢液纯净度,并经过合适的锻造方式,风机主轴的超声检测可以满足技术要求;

(3)锻后采用双正火+回火,调质采用水冷-空冷-水冷的强冷工艺可以满足风机主轴的金相组织及力学性能要求;

(4)试制风机主轴各项指标满足设计要求,说明试制方案是可行的,可以满足批量生产要求。