永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)AISI 4340材料主軸鍛件工藝試制

王曉波

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為能源利用的重要手段，是對(duì)傳統(tǒng)能源發(fā)電的重要補(bǔ)充，可以有效緩解電力行業(yè)對(duì)煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)多樣化[1]。此次的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是我公司與美國(guó)某風(fēng)電公司合作開發(fā)的新產(chǎn)品，主軸作為發(fā)電機(jī)最重要的零件，技術(shù)要求高，試驗(yàn)項(xiàng)目多，檢測(cè)方式也與常規(guī)國(guó)標(biāo)產(chǎn)品差異很大，又沒有現(xiàn)成資料可借鑒，下面就介紹AISI 4340主軸鍛件的試制工作。

1 技術(shù)條件

如圖1所示，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸為有中心通孔的單法蘭軸鍛件， 材料為美標(biāo)AISI 4340， 化學(xué)成分符合表1的規(guī)定。全軸需經(jīng)超聲波探傷檢查(UT)和磁粉探傷檢查(MT)，均需符合歐標(biāo)EN 10228等級(jí)4要求。力學(xué)性能滿足：屈服強(qiáng)度RP0.2≥760 MPa，伸長(zhǎng)率A≥17 %，低溫沖擊值A(chǔ)KV(-20 ℃)≥55 J，另需檢查主軸鍛件各位置的硬度和晶粒度。晶粒度要求≥6級(jí)。各項(xiàng)試驗(yàn)需按圖1做全軸的解剖取樣。

鋼號(hào)化學(xué)成分/%CMnSiCrMoNiSPCuAISI 43400.38～0.430.65～0.850.15～0.350.70～0.900.20～0.301.65～2.00≤0.02≤0.02≤0.35

2 技術(shù)分析及制定方案

AISI 4340主軸鍛件的主要生產(chǎn)流程為：鍛造→鍛后熱處理→粗加工(打孔)→性能熱處理→無損檢測(cè)→解剖取樣→性能測(cè)試。

2.1 鍛件原材料

鋼坯的選擇方面，考慮到鍛件需無損檢測(cè)UT和MT均需達(dá)到EN 10228最高等級(jí)的4級(jí)要求，選用經(jīng)LF+VD真空精煉處理的原材料，保證初始材料的純凈度，從源頭開始就嚴(yán)格控制，來保證最終的質(zhì)量。同時(shí)，鋼錠上、下兩端有足夠的切除量，以保證鍛件無縮孔無偏析，并以鋼錠較好的一端作為法蘭端。

2.2 鍛造工藝

主軸鍛件的力學(xué)性能取樣需要取軸向和徑向兩個(gè)方向，且兩個(gè)方向的力學(xué)性能要求一致，取樣位置可見圖2所示。常規(guī)電機(jī)軸類鍛件的取樣，參考JB/T 1271交直流電機(jī)軸鍛件技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，無需考核徑向方向的力學(xué)性能。軸類鍛件的主要變形方向?yàn)檩S向，故軸向的力學(xué)性能肯定會(huì)高于徑向的力學(xué)性能。因此在考慮鍛造工藝時(shí)，需增大法蘭端直徑方向的變形量，以滿足徑向方向的力學(xué)性能。

圖2 力學(xué)性能取樣示意圖

鍛造工藝：兩鐓兩拔，總鍛造比控制在4以上，鍛坯拔長(zhǎng)至Φ280 mm×1 045 mm尺寸后在平模里(圖3)成形法蘭頭，增加法蘭端在徑向方向的變形量，也可使法蘭端的金屬流線更加合理，最后成形至各尺寸。

圖3 法蘭成型平模

2.3 熱處理工藝

與美標(biāo)AISI 4340相似的國(guó)標(biāo)牌號(hào)為40CrNiMoA，屬于鉻鎳鉬鋼，對(duì)白點(diǎn)的生成比較敏感，因此鍛件在鍛造后必須采取措施防止白點(diǎn)生成。其另外一個(gè)缺點(diǎn)是回火脆性很大，回火后必須油冷[2]，故在鍛后必須進(jìn)行擴(kuò)氫退火，防止白點(diǎn)的生成。

鍛后熱處理工藝：鍛后熱裝爐860 ℃保溫4 h，空冷至300 ℃，升溫至650 ℃，保溫20 h，爐冷。

性能熱處理工藝： 850 ℃淬火，保溫4 h，油冷，回火600 ℃，油冷。考慮到淬透性的因素，在性能熱處理前預(yù)先打出中心孔。

3 試制

因?yàn)橹鬏S鍛件的取樣需要將全軸進(jìn)行解剖，解剖之后也就沒有辦法根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果再作工藝參數(shù)的調(diào)整，所以試制時(shí)在非法蘭端多加長(zhǎng)150 mm作為附加的機(jī)械性能試驗(yàn)用料。

根據(jù)初步的制造方案，進(jìn)行鍛造、鍛后去氫退火、打孔、性能熱處理，粗加工后對(duì)全軸進(jìn)行了超聲波探傷和磁粉探傷，結(jié)果顯示均滿足EN 10228標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)4的要求。同時(shí)切取了非法蘭端的附加縱向試樣，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)檢，測(cè)結(jié)果見表2。

表2 850 ℃淬火+600 ℃回火機(jī)械性能

由表2數(shù)據(jù)，可以看出屈服強(qiáng)度上還有較大的富余量，但-20 ℃的沖擊值均小于標(biāo)準(zhǔn)值的55 J，為找出合適的回火溫度，將剩余的附加試料進(jìn)行補(bǔ)充回火，提高回火溫度至630 ℃，以獲得韌性上的提高，重新取樣試驗(yàn)后，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 630 ℃補(bǔ)充回火后機(jī)械性能

通過630 ℃補(bǔ)充回火后，屈服強(qiáng)度有大幅的下降，但距標(biāo)準(zhǔn)值760 MPa還有一定的富余量，沖擊功由40左右上升至60以上，能滿足技術(shù)要求。從非法蘭端的附加試料來看，選擇850 ℃淬火+630 ℃回火的熱處理工藝是可行的。

表4是主軸鍛件經(jīng)過850 ℃淬火+630 ℃回火后實(shí)樣解剖的力學(xué)性能，力學(xué)性能完全滿足技術(shù)指標(biāo)，法蘭端縱向性能與徑向性能相近，說明鍛造時(shí)法蘭成形工藝也是可行的。

表4 法蘭端解剖后機(jī)械性能

根據(jù)技術(shù)條件的要求，在主軸鍛件解剖后在解剖面各區(qū)域進(jìn)行硬度和晶粒度的檢查。硬度在全軸5個(gè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)，每隔5 mm打一個(gè)HRC點(diǎn)，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表5，晶粒度共檢測(cè)8個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4，結(jié)果顯示，主軸鍛件各區(qū)域硬度和晶粒度均勻性也相當(dāng)好，符合技術(shù)要求。

表5 解剖面硬度

圖4 晶粒度檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)AISI 4340永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的技術(shù)要求分析、工藝試驗(yàn)，制定了制造的工藝方案，經(jīng)過鍛件實(shí)樣解剖的檢測(cè)結(jié)果表明，所制定的工藝方案是可行的，確保了我公司新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，同時(shí)為公司開拓海外風(fēng)電業(yè)務(wù)提供了保障。

[1] 徐冬青.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及行業(yè)發(fā)展分析[J].中小企業(yè)管理與科技，2017(12)：44-45.

[2] 崔崑.鋼的成分、組織與性能[M].北京：科學(xué)出版社，2013.