風(fēng)電滲碳齒輪鋼產(chǎn)品質(zhì)量分析及工藝改進

文／張濱巖·南京高速齒輪制造有限公司

李海龍·湖州吉凱思檢測服務(wù)有限公司

湯敏僧，祝孔文，胡士龍·浙江杰德機械科技有限公司

風(fēng)電用齒輪及傳動軸是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的重要部件之一，關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的整體性能及設(shè)備的安全性并直接影響到整機的工作壽命，為此，主齒輪箱廠對此類零件的采購高度重視。南京高速齒輪制造有限公司針對浙江杰德機械科技有限公司自2020～2022年供應(yīng)的風(fēng)電齒輪類零件，委托湖州吉凱思檢測服務(wù)有限公司通過大量的檢測分析，確定缺陷產(chǎn)生原因，并采取相應(yīng)的工藝改進措施，產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。

技術(shù)要求及生產(chǎn)工藝過程

技術(shù)要求

⑴化學(xué)成分。滲碳齒輪鋼化學(xué)成分見表1。

表1 滲碳齒輪鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

⑵硬度：160 ～210HBW，同一鍛件不同表面點的硬度差≤30HBW。

⑶力學(xué)性能：抗拉強度≥1080MPa，屈服強度≥905MPa，延伸率≥11%，斷面收縮率≥35%，室溫沖擊吸收功(KV2)≥40J。

⑷非金屬夾雜物。

滲碳齒輪鋼非金屬夾雜物見表2。

表2 非金屬夾雜物(級)

⑸淬透性。

滲碳齒輪鋼距淬火端不同距離的硬度見表3。

表3 距淬火端不同距離的硬度

⑹晶粒度≥6 級。

⑺超聲波探傷：齒部≤φ0.8mm，非齒部≤φ2mm(表面粗糙度≤Ra3.2μm)。

生產(chǎn)工藝過程

⑴工藝過程：下料→加熱→鍛造→熱處理→機加工→理化檢測/無損檢測→入庫；

⑵原材料冶煉方式須采用EAF/BOF+LF+VD/RH/VOD+CCM/IC；

⑶根據(jù)產(chǎn)品類型嚴(yán)格按照技術(shù)下發(fā)的配料清單使用鋸床下料；

⑷加熱使用天然氣室式加熱爐，加熱到1220 ～1240℃后保溫一定時間；

⑸主要鍛造設(shè)備：6000t 快鍛機或8t/4t 電液錘進行自由鍛造；

⑹鍛造完成后采用風(fēng)冷控制到一定溫度后及時裝爐進行鍛后熱處理；

⑺鍛后熱處理使用臺車式電爐或臺車式天然氣爐，加熱到936 ～964℃保溫一定時間后快速冷卻到一定溫度，再次回爐在676 ～704℃溫度范圍內(nèi)保溫，爐內(nèi)冷卻后及時出爐空冷；

⑻機加工采用數(shù)控車床；

⑼理化檢測委托第三方檢測機構(gòu)吉凱思檢測，超聲波探傷使用奧林巴斯或GE 探傷設(shè)備檢測。

產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)查

以杰德公司生產(chǎn)的行星輪及太陽輪產(chǎn)品為例，通過對鍛造工藝的改進，目前工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量一直保持穩(wěn)定，具有代表意義。表4 為2020 年1 月～2021 年6 月的質(zhì)量問題統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表4 2020 年1 月～2021 年6 月的質(zhì)量問題統(tǒng)計

⑴原因分析。

①折疊：原材料表面有折疊，尤其是坯料，經(jīng)過二次加工后表面有折疊傾向，經(jīng)沖孔后擴孔容易產(chǎn)生折疊。

②尺寸：主要是偏心導(dǎo)致的單邊車不出，鍛造余量稍?。痪植看嬖诤谄ご蚰ズ蟪叽缧∮谝蟪叽?；車削時未及時借車導(dǎo)致尺寸報廢。

③探傷：原材料冶煉質(zhì)量及澆鑄問題；鍛造鐓拔不夠。

⑵質(zhì)量控制改進措施。

①折疊：裝爐前仔細檢查原料表面質(zhì)量，如有折疊、重皮等表面缺陷及時清除；沖孔時內(nèi)孔最后一次用成形沖頭再沖一次，確保內(nèi)孔毛刺、沖孔重皮等沖干凈，保障最后擴孔時不出現(xiàn)折疊。

②尺寸：適當(dāng)增加工藝余量；制作中心孔定心卡鉗等輔助工裝，確保沖頭沖孔對正不偏心；產(chǎn)品車削前要先劃線，確保能夠借車出來。

③探傷：會同原材料供應(yīng)商對冶煉成分及輔料進行工藝攻關(guān)；合理制定鍛造工藝，控制材料的鍛造比，確保內(nèi)部鍛透。

經(jīng)以上原因分析及制定的糾正措施后，統(tǒng)計2021 年7 月—2022 年12 月的質(zhì)量問題，不合格匯總見表5，可以看出，平均控制水平逐期提高，不合格品數(shù)量減少，質(zhì)量波動減小，趨于平穩(wěn)，這說明在滲碳齒輪鋼質(zhì)量的控制上思路是正確的，措施是得力的。

表5 2021 年7 月～2022 年12 月的質(zhì)量問題統(tǒng)計

滲碳齒輪鋼內(nèi)在質(zhì)量問題成因分析

經(jīng)過大量的解剖分析，逐漸發(fā)現(xiàn)影響滲碳齒輪鋼的根本問題在于內(nèi)部夾雜，在齒輪鋼工作時會引起疲勞斷裂，如圖1、圖2、圖3 所示。從解剖檢測結(jié)果上看，斷裂主要是Al、Si、Ca、Mg 類夾雜物導(dǎo)致。

圖1 金相檢測圖片

圖2 電鏡掃描圖片

圖3 缺陷處能譜分析

⑴氧化物對齒輪鋼內(nèi)在質(zhì)量的影響。

鋼包噴吹工藝是利用載氣將Si-Ca 粉狀物質(zhì)直接吹入鋼包中，迅速加快鋼水反應(yīng)，有利于夾雜物的上浮和排出，可以明顯地降低鋼中的氧、硫和夾雜物的含量，提高鋼的綜合性能和使用壽命。

鋼中夾雜物是一種脆性相，其體積分?jǐn)?shù)愈高，韌性愈低，夾雜物的尺寸愈大，韌性下降的愈快。對于解理斷裂的韌性而言，夾雜物的尺寸愈細小，夾雜物的間距愈小，則韌性不但不下降，反而提高。因為晶內(nèi)脆性相如果排列較密，則可縮短位錯堆塞距離，使解理斷裂不易發(fā)生，從而可以提高解理斷裂強度，也可阻止斷裂伸展，并使斷裂尺寸限于顆粒間距之內(nèi)而提高解理斷裂強度。這些提高韌性的因素也必然是延長壽命的原因。

齒輪鋼內(nèi)在質(zhì)量的綜合標(biāo)志就是疲勞壽命，材質(zhì)的優(yōu)劣對壽命影響最大，鋼中氧含量是影響材質(zhì)的重要因素。鋼中氧含量越低，則其純潔度越高，相對應(yīng)的額定壽命就越長。

試驗結(jié)果表明：噴粉精煉工藝會比電爐工藝成倍地提高材質(zhì)的使用壽命，關(guān)鍵在于噴粉工藝通過噴吹裝置吹入粉狀物質(zhì)，大大加速反應(yīng)，有利于夾雜物細化和上浮，提高了材質(zhì)的純潔度。

⑵硫化物對齒輪鋼內(nèi)在質(zhì)量的影響。

硫化物具有較低的熔點，當(dāng)鋼凝固時，就附著在多角形氧化物夾雜的表面，特別是棱角處，形成氧化物-硫化物共生夾雜物。因此，硫含量適當(dāng)?shù)奶岣?，增加氧化物被硫化物包圍的機會，導(dǎo)致共生夾雜數(shù)量增多。當(dāng)熱加工時，這種共生夾雜物與基體之間形成一個平滑的內(nèi)表面，它的應(yīng)力集中傾向比脆性棱角形氧化物低。同時由于硫化物的膨脹系數(shù)大，不易出現(xiàn)拉應(yīng)力，被硫化物包圍的氧化物與基體之間的應(yīng)力也是很低的。當(dāng)硫化物-氧化物共生時，不管硫化物夾雜體積比氧化物大或小，基體中的殘余應(yīng)力比起沒有同硫化物結(jié)合來說，均會在某種程度上有所減輕。殘余應(yīng)力本身是不足以引起疲勞的，但遇到氧化物夾雜，應(yīng)力就會加強，氧化物被應(yīng)力所包圍，再加上任何外加的應(yīng)力，使應(yīng)力強化到某種程度，導(dǎo)致疲勞裂紋。所以，外部應(yīng)力是破壞的直接原因，而夾雜是內(nèi)因。

⑶加熱、鍛造對齒輪鋼內(nèi)在質(zhì)量的影響。

加熱溫度是一個重要的冶金參數(shù)，加熱不當(dāng)對產(chǎn)品本身會產(chǎn)生諸多不利因素，比如脫碳、過熱、過燒、加熱裂紋、銅脆等缺陷。因此，加熱設(shè)備的選擇對此類影響至關(guān)重要，有些爐子是先天不足，爐內(nèi)溫差比較大，極易導(dǎo)致局部過熱或過燒，爐子的定期校準(zhǔn)尤其重要。在正常的冶金生產(chǎn)過程中，精細化操作越來越得到重視，尤其是生產(chǎn)過程的監(jiān)視和測量設(shè)備的準(zhǔn)確性異常重要，所以在此推薦盡量靠攏AMS2750G 6 級以上的加熱爐進行加熱。最近興起的硅碳棒加熱爐在爐溫均勻性控制方面得到了很大的改善，爐內(nèi)溫度差可控制在±8℃，系統(tǒng)控制精度可達到±1℃，推薦新上的鍛造加熱爐采用此種加熱方式。

目前，杰德采購原材料會優(yōu)先選擇爐外精煉的廠家，原材料經(jīng)過開坯后再投入鍛造生產(chǎn)，采用三鐓三拔工藝控制，鍛造過程中控制終鍛溫度及最后一火次的變形量來控制產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，鍛后采用等溫正火工藝獲得平衡組織及所需要的加工硬度，為產(chǎn)品的最終滲碳淬火做準(zhǔn)備。

結(jié)論

通過大量的質(zhì)量數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)研究分析，總結(jié)出最佳生產(chǎn)方案如下：

⑴原材料冶煉采用LF+VD 噴粉精煉工藝，使用時最好采用電渣重熔ESR 技術(shù)進行冶煉。

⑵經(jīng)過開坯能夠焊合原材料區(qū)域的內(nèi)部大縮孔，控制鋼錠的利用率，有效合理利用錠身質(zhì)量好的部分，大于10t 的鋼錠材料利用率控制在75%以內(nèi)，不大于10t 的鋼錠材料利用率控制在80%以內(nèi)，大大提高產(chǎn)品的疲勞壽命。

⑶加熱采用爐溫均勻性較好的蓄熱式加熱爐，有條件的廠家可選擇硅碳棒加熱體的加熱爐，能夠有效減少加熱缺陷，確保爐內(nèi)產(chǎn)品的均勻性，為后續(xù)鍛造提供良好的變形均勻性。

⑷合理搭配鐓拔工藝，有條件的廠家可持續(xù)采用三鐓+三拔+十字鍛造技術(shù)，同時控制最后一火次的變形量不小于25%。

⑸鍛后及時風(fēng)冷控制到450 ～500℃，采用等溫正火工藝即加熱到950℃保溫一定時間后，爐冷到550℃后保溫一定時間后再次升溫到720℃保溫一定時間，隨后爐冷到500℃出爐空冷，此過程是為了獲得平衡態(tài)組織，為最終產(chǎn)品滲碳淬火做組織準(zhǔn)備。

通過以上工藝的執(zhí)行，目前生產(chǎn)的風(fēng)電齒輪鋼類產(chǎn)品，大幅提升了產(chǎn)品質(zhì)量。