34CrNiMo6風電主軸的熱處理工藝

濟鋼集團重工機械有限公司 （山東濟南 250101) 焦何生

風電主軸是風力發電設備中一個重要組成部分，主要為34CrNiMo6、30CrNiMo8和42CrMo4的鍛件，熱處理工藝主要為調質，工件淬火出爐后采用不同的淬火冷卻介質來滿足生產使用要求。淬火是熱處理工藝中的重要工序，為保證大型鍛件有足夠深的淬硬層，整個工件截面必須有合理的溫度梯度分布，以盡量降低熱應力。因此，既要保證足夠的淬硬層深度，滿足工件的性能要求，又不能因淬火應力過大導致工件開裂，為此我們對34CrNiMo6風電主軸的熱處理工藝進行了分析和研究。

1. 工件材料和性能要求

風電主軸是風能發電機關鍵零部件之一。我公司承制了一批（同一熔煉爐號）風電主軸，材質為34CrNiMo6，尺寸為φ2092mm×φ662mm×3983mm（內孔直徑120mm），重量為24.384t。技術要求：σb≥800MPa，σ0.2≥650MPa，δ5≥13%，ψ≥55%，AkV≥40J（－40℃）、單值≥36.5J，取樣位置為皮下12.5mm，本體及試樣硬度229～269HBW。該批風電主軸的化學成分見表1。

表1 主軸的化學成分（質量分數） （%）

2. 風電主軸熱處理工藝參數及檢驗結果

在該批風電主軸中取一支主軸按圖1所示工藝進行熱處理。熱處理后的力學性能檢驗結果見表2。

圖1 34CrNiMo6材料的常規熱處理工藝

表2 主軸按常規工藝熱處理后的力學性能

由表2可知，主軸的低溫沖擊韌度遠低于技術要求。為此，對風電主軸的熱處理工藝進行了改進（見圖2）。同樣在該批風電主軸中取另一支主軸按圖2所示工藝進行熱處理，熱處理后的力學性能檢驗結果見表3。

圖2 34CrNiMo6材料改進后的熱處理工藝

表3 主軸按改進工藝熱處理后的力學性能

3. 結果分析

34CrNiMo6風電主軸的綜合性能要求較高，尤其是低溫沖擊韌度，按常規工藝無法滿足要求。傳統的油冷淬火，工件表面的冷卻速度太慢，不能保證足夠的淬硬層深度，導致性能不合格。水淬方式單液淬火操作簡單，但對于較大的風電主軸鍛件直接采用水淬方式，表面冷卻速度又太快，表面和心部的溫差太大，巨大的熱應力和組織應力導致工件產生開裂變形的傾向變大。PAG類水溶性淬火冷卻介質具有界于油和水之間的冷卻特性，非常適合大型鍛件的淬火，既可以保證足夠的淬硬層深度，又可以減小變形開裂的傾向，但是我廠目前還不具備大型件使用PAG類水溶性淬火冷卻介質的條件。

為滿足生產要求，減小淬火過程中的淬火應力，確定合理的淬火冷卻介質及工藝，可根據工件材料的碳當量進行評估。該鋼種碳當量CE=0.67%，屬于可以小心水淬的一類鋼，為此，在改進的工藝中采用了降溫淬火。將淬火溫度降到820℃，保證了鋼的完全奧氏體化溫度，減小熱應力，并且大大降低了開裂的傾向；采用水淬、油冷的淬火方式可使距表面一定距離的部位得到下貝氏體組織，從而大大提高該部位的綜合力學性能。水淬時的水冷時間是根據取樣位置計算的，保證在整個產品還處于塑性、彈塑性狀態時已轉為冷卻較慢的油冷，以避免淬裂。

熱處理工藝650℃中間保持的目的是經中間保持后，鍛件表面和心部的溫差基本消失，由于這時鍛件心部的溫度較高，已處于塑性狀態，所以繼續升溫可采用較高的升溫速度。即使這時會產生第二個溫差，對鍛件也不會產生更大的危害。水淬前空冷的目的是降低棱角處的溫度，降低淬火冷卻速度，防止因應力集中而開裂。另外，表面溫度適當降低，可以減小水淬時表層與次表層的溫度梯度，減小開裂傾向，其時間一般以棱角處變黑為度。