31CrMoV9鋼大兆瓦級內齒圈工藝研究

王鵬宇，張一坤，劉偉

1.太原重工股份有限公司 山西太原 030024

2.山西科技學院 山西晉城 048000

1 序言

目前，主流風電內齒圈強化方式為調質+氣體滲氮處理，國內常見的齒圈材料以42CrMo4鋼為主，其淬透性稍差，為保證大模數齒圈齒根硬度及滲氮效果，通常需要開齒后調質，工序繁多復雜，給實際生產造成一定的困難。近年來，國內引進31CrMoV9高淬透性鋼作為內齒圈材料，為研究該材料的淬透性及調質工藝，本試驗使用齒圈仿截面試樣及性能試棒進行調質工藝試驗，確定最佳調質溫度及齒圈仿截面淬透深度，驗證調質后開齒工藝的可行性。

2 材料的選擇

太原重工股份有限公司某兆瓦級風電齒輪箱內齒圈材料為31CrMoV9鋼，力學性能要求ReL≥900MPa、Rm≥1100MPa、A≥9%、Z≥40%、KV≥25J，調質硬度要求280～380HBW，齒圈外徑3000mm、內徑2600mm、齒寬500mm、模數25。為使試驗具有代表性，選用兩套仿齒圈壁厚的環形試樣（外徑1200mm、內徑800mm、壁厚200mm、齒寬400mm）。

試驗用31CrMoV9鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉，澆注鋼錠、開坯，鍛造成環形，正火+高溫回火預處理后，將兩套環形試樣對半切割為4個半圓。采用發射光譜儀檢測試樣化學成分，見表1。

表1 31CrMoV9鋼環形試樣化學成分（質量分數）（%）

金相檢測按 GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢測方法》執行，金相組織為均勻的粒狀貝氏體組織；晶粒度按GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》執行，檢測結果為7.5級；帶狀組織按GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》規定，檢測為2級；非金屬夾雜物按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》規定，檢測結果見表2。

表2 31CrMoV9 鋼環形試樣非金屬夾雜物（級）

3 試驗過程

EN 10085：2001《氮化鋼技術條件》中推薦此材料調質的淬火溫度為870～930℃，回火溫度為580～700℃，將淬火溫度每間隔30℃劃分一檔，為870℃、900℃、930℃；回火溫度使用570℃、600℃、630℃和660℃，共計組合成12組試驗。

取其中一個半圓試件切向取12組性能試棒，標記為1～12組；3塊環形仿截面試樣分別標記a、b、c進行以下試驗。

表3 工藝試驗方案

將仿截面試樣a與1～4組性能試棒共同淬火后，仿截面試樣a與組1性能試棒先進行570℃回火，在齒寬方向的中心解剖后，采用里氏硬度計每間隔10mm檢測硬度梯度，組1性能試棒按照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸實驗方法》，以及GB/T 229—2020《金屬夏比擺錘沖擊試驗方法》檢測；檢測結束后將仿截面試樣a與組2性能試棒進行600℃回火，空冷后磨拋平整檢測硬度梯度，以及組2試棒力學性能。以此類推將12組工藝試驗按照上述方式全部做完，記錄相關數據。

4 試驗結果與分析

1）將12組性能試棒調質后按GB/T 228—2010、GB/T 229—2020檢測后，匯總試驗數據見表4～表6。

表4 870℃油淬后不同回火溫度的性能參數

表5 900℃油淬后不同回火溫度的性能參數

表6 930℃油淬后不同回火溫度的性能參數

對調質力學性能結果分析可見，隨著淬火溫度的升高，相同回火溫度下的抗拉強度和屈服強度有小幅提升，沖擊性能小幅降低；對比相同淬火溫度下提高回火溫度，屈服強度及抗拉強度下降，沖擊性能在600～630℃區間內出現極大的提升。

以上結果滿足圖樣要求的共有4組，分別為870℃油淬+570℃回火、900℃油淬+570℃回火、900℃淬油淬+600℃回火、930℃油淬+570℃回火。其中，900℃油淬+600℃回火的抗拉強度和屈服強度，以及930℃油淬+570℃回火常溫沖擊性能剛好滿足技術要求，富裕量小，故調質工藝優先考慮剩余兩組870℃油淬+570℃回火和900℃油淬+570℃回火。

2）將仿截面環形試樣沿齒寬中部解剖（見圖1），檢測由表面至心部的硬度梯度共計12組數據，見表7～表9，硬度趨勢曲線分別如圖2～圖4所示。

圖1 沿齒寬中部解剖

表7 870℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度

表8 900℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度

表9 930℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度

圖2 870℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度趨勢曲線

圖3 900℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度趨勢曲線

圖4 930℃油淬后不同回火溫度的硬度梯度趨勢曲線

對比硬度梯度，可見31CrMoV9鋼淬透性好，從表面至心部未發生明顯硬度梯度降低，且硬度梯度波動≤15HBW。

3）沿硬度梯度檢測位置取金相試樣，從表至里每隔30mm取樣，在拋光狀態下使用4%硝酸酒精腐蝕，可見整體形態為均勻的回火索氏體，且均殘留淬火馬氏體位相，從表至里晶粒度均為7.5級，表明對于31CrMoV9鋼內齒圈采用油淬，可將表面至心部全部淬透。

圖5 870℃淬火+570℃回火金相組織（500×）

綜上所述，淬火溫度可取870～900℃，回火溫度可采用570℃，但硬度較高，在滿足性能要求的同時又具備較好的切削性能，因此可以適當提升回火溫度，最終確定采用890℃淬火+590℃高溫回火工藝，且仿截面試樣全部淬透，說明可以在調質后進行開齒，性能及齒根硬度能滿足技術要求。

5 工藝驗證

將31CrMoV9鋼大兆瓦風電內齒圈通過井式爐加熱至890℃快速油淬+590℃高溫回火，31CrMoV9鋼內齒圈調質前后對比如圖6所示，表面硬度檢測為340～360HBW，如圖7所示。

圖6 31CrMoV9鋼內齒圈調質前后對比

圖7 31CrMoV9內齒圈開齒后硬度

將調質后的內齒圈在銑齒機開齒（模數25）后使用里氏硬度計D L測頭檢測齒根硬度為330～350HBW，檢測結果滿足技術要求。

6 結束語

本文通過對31VrMoV9鋼大兆瓦風電內齒圈的仿截面試驗件進行調質試驗，反映了相同壁厚齒圈淬火時的真實冷卻情況，本試驗對于大兆瓦級31CrMoV9鋼風電內齒圈的冷熱工藝銜接具有一定的指導意義，并得出以下結論。

1）31CrMoV9鋼淬透性較好，對于壁厚150mm內齒圈等效截面調質后，從表面至心部全部為均勻的回火索氏體，且全部淬透，可以在調質后進行開齒工藝。

2）為使31CrMoV9 鋼在獲得良好力學性能的同時，又有較好的切削性能，建議將調質后的表面硬度控制在340～360HBW，其調質處理工藝為890℃淬火+590℃回火。