6.5 MW核電水泵內(nèi)齒圈的離子滲氮工藝

盧金生，張 衡，許鴻翔，郭詩蕊

(1.鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450002；2.Department of Chemistry, The University of Manchester, Manchester, M13 9PL, The United Kingdom)

新能源產(chǎn)業(yè)是國家確定的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，但長期以來，我國核電核心設(shè)備一直依賴國外，迅速提高國產(chǎn)裝備在核電建設(shè)中的比重迫在眉睫。核電中循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要功能是向冷凝器供給冷卻水，確保汽輪機(jī)冷凝器的有效冷卻，在電站輔機(jī)中占有重要地位，其可靠運(yùn)行直接影響到整個(gè)電站的安全性和可用率。其中的水泵齒輪箱具有以下主要特點(diǎn)：傳遞功率大，一般工業(yè)用齒輪箱功率不大于4000 kW，而兆瓦級(jí)核電站齒輪箱功率可達(dá)4500～10 000 kW；通用齒輪箱的壽命為10年，而核電水泵用齒輪箱減速器的設(shè)計(jì)壽命長達(dá)40年，且要求具有較高的可靠性和制造精度[1]。

國外供應(yīng)商(如：Allen Gears、David Brown和Alstom Hergeron等公司)已有幾十年的制造經(jīng)驗(yàn)，其產(chǎn)品在國內(nèi)主要用于大亞灣、嶺澳、臺(tái)山、紅沿河、陽江、寧德等核電站。2010年之前，我國在運(yùn)行的百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組循環(huán)泵減速箱均為進(jìn)口產(chǎn)品，為改變現(xiàn)有局面，2008年科技部項(xiàng)目 “百萬千瓦級(jí)核電站循環(huán)泵齒輪箱研發(fā)” 立項(xiàng)，進(jìn)而開發(fā)了渦殼水泥循環(huán)泵用高可靠性行星齒輪箱，試制出6100 kW樣機(jī)，在福建福清核電站和浙江方家山核電站率先實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化重大突破。目前國內(nèi)共有49個(gè)在運(yùn)行機(jī)組，10個(gè)在建機(jī)組，鄭機(jī)所及重齒等企業(yè)共配套50余臺(tái)，90%齒輪箱已由國內(nèi)研制。

該齒輪箱采用行星傳動(dòng)，大型薄壁內(nèi)齒圈是其中的核心重要部件，采用滲碳淬火熱處理畸變很嚴(yán)重，定型工裝的制作和后期的磨齒成本也很高。采用內(nèi)齒感應(yīng)淬火處理畸變稍輕，但同時(shí)也存在過渡區(qū)軟帶、齒根部位容易形成殘余拉應(yīng)力、仿齒廓淬火硬化工藝不成熟等問題[2]，并且需要專用淬火機(jī)床，一次性投入成本也較高。離子滲氮屬于畸變較小的表面硬化工藝，具有硬度高、疲勞強(qiáng)度高、殘余壓應(yīng)力大等優(yōu)點(diǎn)，并被認(rèn)證為綠色熱處理[3]，在齒輪的強(qiáng)化領(lǐng)域也得到了較為廣泛的應(yīng)用，具有較大的發(fā)展前景，但傳統(tǒng)的齒輪滲氮技術(shù)存在滲層深度淺、心部硬度偏低及脆性大等不足，難以滿足高端裝備中的重載、高可靠齒輪的服役要求，當(dāng)前大型重載內(nèi)齒圈的熱處理技術(shù)已成為高端行星傳動(dòng)齒輪箱制造的瓶頸[4]，針對疲勞強(qiáng)度、壽命及可靠性要求較高的核電內(nèi)齒圈亟待開發(fā)抗疲勞的離子滲氮強(qiáng)化工藝。

1 試驗(yàn)材料及條件

1.1 內(nèi)齒圈基本技術(shù)條件

循環(huán)泵齒輪箱的功率為6500 kW，輸入轉(zhuǎn)速745 r/min，傳動(dòng)比4.23，內(nèi)齒圈材料為42CrMo鋼，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1(a)所示，外形尺寸為φ1400 mm×273 mm，法向模數(shù)12 mm，齒數(shù)126，精度6級(jí)，圖1(b，c)分別為齒圈受載后的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。

齒圈材料為42CrMo鋼，屬于中碳合金鋼，具有較高的性價(jià)比，可以滿足滲氮齒圈基體良好強(qiáng)韌性的需求，其中Cr提高鋼的淬透性，還可提高回火穩(wěn)定性，Mo進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度、淬透性、回火穩(wěn)定性和減小晶粒長大的傾向，而且有抑制第二類回火脆性的作用，在滲氮溫度下長時(shí)間保溫，心部仍可保持所需硬度。由于Cr、Mo可保證鋼的晶粒細(xì)小，滲氮時(shí)能減小過渡層晶界處氮化物聚集成脈網(wǎng)狀的傾向，從而減少疲勞裂紋萌生源。

1.2 試驗(yàn)及分析檢測設(shè)備

離子滲氮試驗(yàn)及產(chǎn)品處理在LDM-200型脈沖電源離子滲氮爐內(nèi)進(jìn)行，滲氮介質(zhì)為瓶裝氫氣和氮?dú)猓兌取?9.99%，經(jīng)分子篩和變色硅膠凈化后，通過LZB型轉(zhuǎn)子流量計(jì)和混合穩(wěn)壓罐等氣路裝置按一定比例混合通入爐內(nèi)。HV-10B型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)、HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計(jì)分別用于測試滲氮后的表面硬度和硬度梯度，LEICA DMI 3000M型金相顯微鏡用于觀測顯微組織，用島津XRD-6100型X射線衍射儀進(jìn)行相成分分析，Proto-LXRD型大功率(1200 W)X射線應(yīng)力分析儀采用同傾固定法測殘余應(yīng)力，拉伸試驗(yàn)在WJ-10型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在JB30型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。金相試樣形狀為矩形，尺寸為32 mm×18 mm×8 mm。

2 基體預(yù)處理及其力學(xué)性能

2.1 提高滲氮齒輪承載能力的途徑

滲氮齒輪的強(qiáng)度研究和工程應(yīng)用實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的滲氮工藝用于重載齒輪的表層強(qiáng)化存在一些不足之處，難以滿足重載齒輪的力學(xué)性能需求，主要體現(xiàn)在：硬化深度淺、基體硬度偏低，造成硬度梯度太陡，過渡區(qū)強(qiáng)度不足；表面化合物層組織為混合相、脈狀組織嚴(yán)重及基體組織不當(dāng)時(shí)脆性大，耐沖擊性差，導(dǎo)致滲氮齒輪疲勞強(qiáng)度偏低、過載能力差，S-N曲線的低周疲勞階段的斜率小等問題[5]。

常規(guī)滲氮工藝的現(xiàn)狀限制了滲氮齒輪的應(yīng)用范圍，常用于輕載小模數(shù)齒輪，有關(guān)文獻(xiàn)[5]也推薦滲氮齒輪的模數(shù)為8～10 mm。為解決大型重載內(nèi)齒圈存在的壽命短、可靠性差、功率密度小等問題，攻克制造工藝及表層強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)，遵循抗疲勞制造理論，針對現(xiàn)有滲氮工藝不足，進(jìn)一步提高滲氮齒輪承載能力的有效途徑如下[6]：增加滲氮層深度，擬采用深層離子滲氮使層深至0.7～1.2 mm；提高基體硬度，改善硬度梯度的分布，采用可使硬度達(dá)300 HBW及以上的中硬度調(diào)質(zhì)預(yù)處理；改善組織提高韌性，使基體組織為均勻細(xì)小索氏體組織，滲氮層表面為少量γ′單相化合物層；控制殘余應(yīng)力場，使表層獲得較大幅值和一定深度的殘余壓應(yīng)力場分布；由于高硬度材料的應(yīng)力集中敏感性較強(qiáng)，還要控制齒圈的表面完整性，實(shí)施精密加工；熱處理畸變控制問題對于大型滲氮內(nèi)齒圈也較為突出。綜合控制多種因素并考慮加工制造過程中的工藝可行性及經(jīng)濟(jì)可承受性，使得產(chǎn)品制造技術(shù)的難度增大。

2.2 齒圈制造工藝流程及基體預(yù)處理

內(nèi)齒圈按以下流程進(jìn)行加工制造：鍛造—退火—粗加工—調(diào)質(zhì)—半精加工—粗插齒—去應(yīng)力退火—精加工—精插齒—離子滲氮。

通常為了維持心部的硬度，減小滲氮后齒圈的畸變，回火溫度要高于滲氮溫度20 ℃以上，這樣才能使工件在長時(shí)間滲氮過程中較好地保持原來的基體硬度和減少畸變。42CrMo鋼基體調(diào)質(zhì)預(yù)處理工藝為：840～860 ℃淬火，570～580 ℃回火，硬度為300～330 HBW，晶粒度為8級(jí)，調(diào)質(zhì)組織為均勻細(xì)索氏體組織，見圖2，調(diào)質(zhì)后的常規(guī)力學(xué)性能經(jīng)測試如表1所示，基體獲得了較好的強(qiáng)韌性配合，為滲氮后的強(qiáng)化打下了基礎(chǔ)。

圖2 基體材料42CrMo鋼調(diào)質(zhì)后的索氏體組織(a)和晶粒度(b)

表1 基體材料42CrMo鋼調(diào)質(zhì)后的常規(guī)力學(xué)性能

3 深層離子滲氮工藝試驗(yàn)

3.1 三段式離子滲氮工藝試驗(yàn)

工業(yè)生產(chǎn)上常規(guī)滲氮層深度一般是0.6 mm以下，要進(jìn)行0.7～1.2 mm的深層滲氮，勢必需大幅度延長處理時(shí)間。為使深層滲氮工藝達(dá)到實(shí)用化，節(jié)約能源和時(shí)間，必須保證生產(chǎn)周期不過長，行之有效的措施是提高滲氮溫度，但這又受到基體硬度和滲氮層組織硬度要求的制約。三段式滲氮工藝方法較適合于深層滲氮，既保證中硬基體+深層滲氮的綜合質(zhì)量，工藝周期方面又保證了經(jīng)濟(jì)可承受性。工藝曲線如圖3(a)所示，測得深層滲氮不同階段隨爐試樣的硬度梯度，如圖3(b)所示。

圖3 三段式離子滲氮工藝(a)及不同階段試樣的硬度梯度(b)

齒圈離子滲氮的打弧階段要避免發(fā)生大能量的弧光放電，以免表面被電弧燒傷，采用高電壓、低氣壓離子轟擊清理表面。為了減小畸變，需控制升溫速度，根據(jù)情況設(shè)置均溫階段，減少熱應(yīng)力，合理裝爐支撐，盡量減少重力引起的受力不均勻。

第二段是深層滲氮中氮原子加速擴(kuò)散并獲得預(yù)定層深的關(guān)鍵階段。在第一段強(qiáng)滲所奠定的氮濃度梯度基礎(chǔ)上，要促使氮原子進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)散，需適當(dāng)提高工藝溫度，以便提高氮原子的擴(kuò)散系數(shù)，從而獲得較深且硬度梯度平緩的硬化層。但溫度的升高不能影響基體的硬度，要保證對整個(gè)滲氮層的強(qiáng)化水平影響不大，對于大尺寸內(nèi)齒圈還要考慮溫度對畸變的影響。文獻(xiàn)[5]中推薦滲氮溫度應(yīng)低于回火溫度且差值應(yīng)在20 ℃以上，因此，選用比調(diào)質(zhì)回火溫度低20 ℃的550～560 ℃作為擴(kuò)滲溫度。

圖4是42CrMo鋼隨爐試樣經(jīng)強(qiáng)滲后進(jìn)行不同時(shí)間擴(kuò)滲試驗(yàn)的結(jié)果，層深與擴(kuò)滲處理時(shí)間的關(guān)系以及平均滲速的變化趨勢，它表明了在T2溫度下擴(kuò)滲，不同保溫時(shí)間所達(dá)到滲氮深度，擴(kuò)滲30 h時(shí)平均滲速已達(dá)到最大值，強(qiáng)滲12 h再擴(kuò)滲40 h，總滲層深度可達(dá)1.0 mm以上，隨后繼續(xù)延長處理時(shí)間，滲層厚度的增加已非常緩慢。因此，該階段擴(kuò)滲時(shí)間選40 h左右較為合理。

圖4 滲氮層深及平均滲速與擴(kuò)滲時(shí)間的關(guān)系

經(jīng)過較高溫度長時(shí)間擴(kuò)滲后，一定深度范圍內(nèi)氮濃度有所降低，而且，氮化物有一定程度的聚集長大并與母相共格關(guān)系破壞，彈性畸變應(yīng)力場作用削弱，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙力減小。擴(kuò)滲后的硬度梯度曲線Time②與強(qiáng)滲后的相比，表面至0.3 mm深度范圍內(nèi)，顯微硬度有不同程度的下降。為此，繼第二段擴(kuò)滲后，第三段采用與第一段強(qiáng)滲基本相同的工藝進(jìn)行補(bǔ)滲，以提高滲層硬化效果，補(bǔ)滲后試樣的斷面硬度梯度曲線Time③較擴(kuò)滲有所回升，如圖3(b)所示。

經(jīng)三段工藝處理后，硬化層硬度梯度分布平緩，見圖3(b)中Time③曲線。金相法總滲層檢測結(jié)果見圖5(a)，滲氮層深度達(dá)1.05 mm，化合物層厚度達(dá)18 μm，擴(kuò)散層氮化物級(jí)別為2級(jí)。表面硬度達(dá)610～623 HV5，10 kg砝碼加載維氏硬度壓痕法脆性檢測結(jié)果見圖5(b)，脆性為Ⅰ級(jí)。滲氮層內(nèi)獲得了較深的殘余壓應(yīng)力場，最大壓應(yīng)力幅值為620 MPa，位于次表面，離表面0.4 mm處，殘余應(yīng)力分布曲線如圖5(c)所示。

圖5 經(jīng)三段式離子滲氮工藝后滲氮層的組織與性能

3.2 滲氮層組織結(jié)構(gòu)的控制

氨氣或氨分解氣介質(zhì)的離子滲氮表面通常獲得γ′+ε相化合物組織，其中γ′相為面心立方晶格，等軸晶，ε相為密排六方晶格，柱狀晶，由于比容的不同，相邊界產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)在服役過程中的外加應(yīng)力作用下，就可能誘發(fā)顯微裂紋，成為疲勞點(diǎn)蝕或深層剝落的萌生源，因此國外某些齒輪公司的氣體滲氮齒輪要求滲氮后磨去白亮層后使用。對于低合金結(jié)構(gòu)鋼滲氮來說，相比較而言一定厚度的γ′單相化合物層韌性好，其彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度相對較高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對于ME級(jí)齒輪滲氮化合物構(gòu)成已有明確規(guī)定[7]。

離子滲氮中γ′單相的形成與原材料化學(xué)成分和工藝參數(shù)等多種因素有關(guān)[8]，最為有效的手段是控制氣氛中氮的比例，采用低氮的氣氛，氫比例的增加還有利于凈化表面、還原表面氧化膜、提高滲速，而且氫離子的轟擊可使表面發(fā)生脫碳，有利于γ′相的形成，并且氫氣有較高的導(dǎo)熱性，還有利于爐內(nèi)溫度的均勻，對于42CrMo鋼采用較低的氮分壓還可抑制擴(kuò)散層中脈網(wǎng)狀組織的形成，圖6為三段滲氮后滲氮層XRD圖譜，表明氮?dú)獗壤?5%以下時(shí)滲氮表面可獲得γ′單相組織。

圖6 三段式離子滲氮后滲氮層的XRD圖譜

為使深層離子可控滲氮工藝在生產(chǎn)中便于靈活應(yīng)用，本文推薦表面獲得γ′單相組織的氮、氫混合氣供氮比范圍：第一段和第三段是4%～10%N2，第二段為10%～15%N2。

4 臺(tái)架試驗(yàn)及運(yùn)行考核

為了測試水泵減速器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，對減速器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，在試驗(yàn)臺(tái)上行星減速器超速120%(894 r/min)運(yùn)行48 h后解體檢查，行星齒輪與內(nèi)齒圈接觸區(qū)沿齒高>50%，沿齒長>70%，達(dá)到GB/T 10095—2008《圓柱齒輪 精度制》要求，內(nèi)齒圈接觸區(qū)狀況如圖7所示。運(yùn)行噪聲<80 dB，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。接觸區(qū)檢測和噪聲檢測的結(jié)果間接表明內(nèi)齒圈的熱處理畸變被控制在了允許范圍內(nèi)，滿足了對制造精度的要求。批量生產(chǎn)50余套減速器的內(nèi)齒圈在核電站現(xiàn)場經(jīng)多年服役考核，可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了核電水泵減速器國產(chǎn)化替代。

圖7 內(nèi)齒圈接觸區(qū)(a)和行星輪齒面接觸區(qū)(b)的照片

5 結(jié)論

1)42CrMo鋼中硬基體+深層可控離子滲氮成功應(yīng)用于模數(shù)為12 mm的核電水泵大型內(nèi)齒圈強(qiáng)化，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：滲氮表面硬度達(dá)610～623 HV5；滲氮后心部硬度為291～330 HV0.1；滲氮層總厚度為1.05 mm；滲氮表面狀況為γ′相化合物層，脆性1級(jí)。

2)深層可控離子滲氮的核心是低氮三段工藝處理，滲擴(kuò)時(shí)間比約是1∶3，工藝總時(shí)間60～70 h，相比氣體滲氮大大縮短。

3)深層離子滲氮硬化層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力場，最大幅值達(dá)620 MPa左右，位于離表面約0.4 mm處。

4)減速器經(jīng)超速臺(tái)架試驗(yàn)測試，噪聲和齒面嚙合區(qū)面積達(dá)到了技術(shù)要求，表明離子滲氮后齒圈的制造精度得以保證。