42CrMoA鋼內(nèi)齒圈的熱處理工藝改進(jìn)

杜國(guó)領(lǐng)

摘 要：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，增速箱內(nèi)齒圈是最為關(guān)鍵的組成部件，在風(fēng)力作用下，與齒輪等相關(guān)組件共同承擔(dān)著產(chǎn)生動(dòng)力傳遞作用，使發(fā)電機(jī)得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，因此，在實(shí)際工作中，對(duì)內(nèi)齒圈的使用壽命和可靠性具有更高的要求，材料特性應(yīng)該滿足相應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度條件和極端溫差條件，比如在冷熱溫差和低溫冷脆性的影響下，材料的尺寸穩(wěn)定等。

關(guān)鍵詞：42CrMoA鋼；內(nèi)齒圈；熱處理；工藝改進(jìn)；風(fēng)力發(fā)電；增速箱

在熱處理工藝中，為了使內(nèi)齒圈的承載能力得到提高，在制造內(nèi)齒圈的過程中，采用的合金鋼都是比較優(yōu)質(zhì)的，常用的材料有34Cr2Ni2MoA、42CrMoA等，加工路線：第一步鍛造毛坯，第二步粗插齒，第三步熱處理工藝，第四步磨齒操作。由于內(nèi)齒圈的尺寸比較大，對(duì)力學(xué)性能和壁薄具有較高要求，因此，對(duì)熱處理工藝要求比較嚴(yán)格。本文對(duì)42CrMoA鋼內(nèi)齒圈的性能和改進(jìn)措施進(jìn)行探討。

1 熱處理工藝及相關(guān)技術(shù)要求

對(duì)于2MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，內(nèi)齒圈調(diào)質(zhì)毛坯尺寸：120mm為壁厚，1900mm為外直徑，質(zhì)量為2700kg， 42CrMoA鋼為內(nèi)齒圈的材料，根據(jù)相應(yīng)的客戶技術(shù)協(xié)議對(duì)內(nèi)齒圈的力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)收，內(nèi)齒圈的截面尺寸范圍為101-160mm，參考硬度的范圍為270-300HB。在毛坯正火后調(diào)質(zhì)處理過程中，在相關(guān)技術(shù)要求和工件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行確定，使用普通無保護(hù)氣氛的井式電阻加熱爐進(jìn)行正火后調(diào)質(zhì)，控制溫度的精確度為±100℃，采用N32機(jī)械淬火油作為淬火介質(zhì)，冷卻速度最大為69℃/s，同時(shí)應(yīng)該保持較高的回火溫度，最好為510℃。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，內(nèi)齒圈相應(yīng)的力學(xué)性能基本符合標(biāo)準(zhǔn)，比如伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，但是如果沖擊吸收能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值30J，表示內(nèi)齒圈不合格。必須重新測(cè)試，對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行校正，盡量使所有性能數(shù)據(jù)完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

2 影響內(nèi)齒圈性能的原因分析及工藝改進(jìn)措施

2.1 42CrMoA鋼硬度分析和影響內(nèi)齒圈性能的原因分析

42CrMoA鋼硬度分析：在不同的淬火溫度與回火溫度下，對(duì) 42CrMoA鋼予以處理，可以看出：（1） 42CrMoA鋼淬火后的硬度與淬火溫度有極大關(guān)系，980℃淬火獲得的最高硬度為63-65HR℃；（2） 42CrMoA鋼的回火穩(wěn)定性高，980-1040℃淬火，200℃給予兩次回火處理，每次2h，硬度為59.5-60.5HR℃，250℃回火1h，硬度為58.5-59.5HR℃；（3）520℃回火兩到三次，“二次硬化”硬度最高為60.5-61HR℃。采用抑制上貝氏體針形成工藝措施可以提高42CrMoA鋼的硬度，進(jìn)而提高內(nèi)齒圈的耐磨性。校正爐溫后對(duì)42CrMoA鋼壓坯芯熱處理所得到的硬度雖然均為一次硬化的熱處理，硬度為60HRC，裝機(jī)使用6-8萬次以上稍見磨損，超過以前GCr15鋼制作的壓坯芯，但淬火及回火之間增加一道深冷工序，殘留炭素體量約有下降趨勢(shì)，平均硬度已達(dá)到63HRC，個(gè)別工件硬度可達(dá)到65HRC左右，裝機(jī)使用10-13萬次也未見明顯磨損，使工效大為提高。因此，我們認(rèn)為，42CrMoA鋼經(jīng)常規(guī)的二次硬化熱處理（高溫淬火后不經(jīng)冷處理而采用3-4次回火）可以獲得60HRC以上的硬度。

影響內(nèi)齒圈性能的原因分析：在內(nèi)齒圈的生產(chǎn)過程中，以批量生產(chǎn)為主，一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)齒圈性能存在問題，必須馬上對(duì)該批次的相關(guān)生產(chǎn)記錄進(jìn)行核查，核查內(nèi)容主要包括：回火過程、淬火過程、正火過程、超聲波探傷過程等，并對(duì)零件的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，比如金屬鎳（0.10%）、銅（0.06%）、鉬（0.16%）、鉻（1.02%）、單質(zhì)硫（0.002%）、單質(zhì)磷（0.010%）、金屬錳（0.74%）、硅（0.32%）、碳（0.42%）等，數(shù)據(jù)顯示并沒有發(fā)現(xiàn)什么異常。接著對(duì)金相組織進(jìn)行檢查，經(jīng)過正火和調(diào)質(zhì)后，工件的氧化脫碳層深顯示為0.45-0.6mm。經(jīng)過分析，工件在淬火時(shí)，淬火油缺乏冷卻能力，致使淬火操作不能充分完成，導(dǎo)致有大量的先共析鐵素體和上貝氏體存在于組織中。在上貝氏體的形成過程中，需要較高的溫度，在上貝氏體中，鐵素體具有較寬的條狀晶粒，塑變抗力非常低；并且在鐵素體條狀之間分布有大量滲碳體，很容易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，在這種片條狀組織下，內(nèi)齒圈具有較高的抗拉強(qiáng)度，反而沖擊吸收能量和屈服強(qiáng)度都比較低，致使工件沖擊性能表現(xiàn)為不合格現(xiàn)象。

2.2 工藝改進(jìn)

針對(duì)于上述原因，對(duì)調(diào)質(zhì)工藝條件進(jìn)行了調(diào)整。使用可控氣氛井式爐通過加熱完成淬火過程，在淬火過程中，使用的保護(hù)氣氛為氮?dú)猓诩訜岷捅剡^程中，保證表面沒有氧化脫碳顯現(xiàn)，采用快速淬火油順利完成淬火冷卻，冷卻速度可以超過100℃/s。在工件充分淬火的基礎(chǔ)上，確保相應(yīng)的硬度值能夠滿足技術(shù)要求，與原工藝相比，回火溫度提高了30℃-50℃，最終回火溫度為540℃-560℃，其他工藝參數(shù)沒有發(fā)生任何變化。調(diào)質(zhì)完成后，對(duì)金相組織進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)回火索氏體既均勻又細(xì)小，力學(xué)性能也得到顯著改善。使沖擊性能數(shù)據(jù)提高的幅度比較大，隨著回火溫度的提高，抗拉強(qiáng)度不斷降低，可以與強(qiáng)韌性進(jìn)行有效匹配。同時(shí)在氣氛保護(hù)的作用下，工件硬度具有較高的均勻程度，對(duì)同一截面的波動(dòng)范圍實(shí)現(xiàn)良好的控制，均低于10HB，在今后的批量生產(chǎn)中，改進(jìn)后工藝的使用，內(nèi)齒圈的合格率相當(dāng)高，基本為百分之百。

3 結(jié)束語

綜上所述，在2MW風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，使用普通加熱爐對(duì)增速箱42CrMoA鋼大鍛件內(nèi)齒圈進(jìn)行淬火油調(diào)質(zhì)，由于工件表面存在嚴(yán)重的氧化脫落現(xiàn)象，致使淬火油缺乏相應(yīng)的冷卻能力，結(jié)果淬火不能充分進(jìn)行，調(diào)質(zhì)后得到的基體組織為上貝氏體，沖擊吸收能量極其不合格，不能滿足相關(guān)技術(shù)要求。工藝改進(jìn)后，在加熱過程中，保護(hù)氣氛爐的使用，使淬火能力得到快速提高，順利完成高溫回火，使內(nèi)齒圈的力學(xué)性能和金相組織均顯示良好，韌性和強(qiáng)度得到完美匹配，完全達(dá)到技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

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