熱處理對(duì) AISI4340鋼風(fēng)機(jī)主軸性能的影響

風(fēng)力發(fā)電作為一種新興清潔能源,在我們的日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。與大型兆瓦級(jí)商用風(fēng)力發(fā)電不同,千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要滿(mǎn)足家庭或農(nóng)場(chǎng)的用電需求,AISI 4340風(fēng)電主軸作為千瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件,承受著復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),需要較高的強(qiáng)度和韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)使用專(zhuān)用工裝,采用合理工藝參數(shù)和裝爐方式,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)主軸的少無(wú)畸變熱處理。同傳統(tǒng)的熱處理方式相比，預(yù)冷淬火減小了工件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),提高了生產(chǎn)效率。

風(fēng)機(jī)主軸的技術(shù)要求

風(fēng)機(jī)主軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要部件之一,客戶(hù)技術(shù)要求該工件材質(zhì)為AISI 4340，相當(dāng)于40CrNi2MoA鋼,其技術(shù)要求見(jiàn)表1。同時(shí),要求對(duì)工件進(jìn)行超聲波和磁粉檢測(cè),分別達(dá)到EN10228-3的3級(jí)和EN 10228-1的3級(jí)水平。力學(xué)性能試樣采用加長(zhǎng)取樣的方式,取樣位置為距表面1/2R處,取樣方向?yàn)榭v向。

熱處理工藝試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)主軸的生產(chǎn)工藝流程為:鋼錠鋸切→加熱→鍛造→熱切→鍛后熱處理→粗加工→無(wú)損檢測(cè)→調(diào)質(zhì)→力學(xué)性能測(cè)試→粗加工→無(wú)損檢測(cè)→精加工。AISI 4340屬于高合金鋼,具有很強(qiáng)的淬透性和淬硬性,為防止鍛坯在鍛后空冷時(shí)形成較大組織應(yīng)力和熱應(yīng)力,將鍛坯趁熱裝爐。同時(shí),隨爐降至300℃時(shí)進(jìn)行等溫加熱,有利于鍛坯內(nèi)部氫的擴(kuò)散,防止白點(diǎn)的形成,鍛后熱處理工藝曲線(xiàn)如圖1所示。在正式進(jìn)行生產(chǎn)之前,先選用AISI 4340試樣進(jìn)行工藝試驗(yàn),然后對(duì)試塊進(jìn)行取樣分析。第一次淬火回火試驗(yàn),我們將回火溫度定為560℃,調(diào)質(zhì)工藝曲線(xiàn)如圖2所示。回火后試塊表面硬度為32.2~33.0 HRC,低于技術(shù)要求,取樣分析發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度為1170 MPa,也低于技術(shù)要求,其他指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)參數(shù),進(jìn)行第二次工藝試驗(yàn),將回火溫度由第一次的560℃調(diào)整為540℃,其他工藝參數(shù)不變。第二次工藝試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)試塊取樣分析,結(jié)果如表2所示。從表2可知,經(jīng)過(guò)850℃淬火,540℃回火的試塊各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求。

風(fēng)機(jī)主軸熱處理

在工件正式熱處理時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)的方案,利用吊裝帶將工件垂直放入制作好的工裝內(nèi),入爐后按工藝曲線(xiàn)進(jìn)行加熱和保溫。出爐淬火前,測(cè)定淬火液濃度和溫度,開(kāi)啟裘火液循環(huán)冷卻系統(tǒng),并利用手持紅外測(cè)溫儀監(jiān)控工件表面溫度。淬火時(shí),考慮到AISl 4340鋼材質(zhì)的特殊性,在快速轉(zhuǎn)移的條件下，實(shí)施預(yù)冷,在工件表面溫度降至相應(yīng)的溫度時(shí),快速淬入冷卻介質(zhì)中。在整個(gè)冷卻過(guò)程中,讓工件在淬火液中做上下運(yùn)動(dòng),盡量減少左右晃動(dòng)。冷卻結(jié)束后,及時(shí)將工件放入回火爐內(nèi)進(jìn)行回火。

工件完成熱處理后,降至室溫,利用便攜式里氏硬度計(jì)檢測(cè)其表面硬度。經(jīng)檢測(cè),第一爐產(chǎn)品表面硬度為37.7~41.7 HRC,同一件產(chǎn)品表面硬度偏差在2 HRC左右。硬度檢測(cè)合格后,對(duì)加長(zhǎng)件進(jìn)行本體取樣,結(jié)果如表3所示。同時(shí),對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察和分析,其顯微組織如圖4所示。從圖中可以看出,回火后的組織由均勻的回火索氏體組成。

(1)通過(guò)熱處理工藝試驗(yàn)和工件本體取樣分析,千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)主軸通過(guò)鍛后正火、回火、粗加工后調(diào)質(zhì)處理,可以得到均勻的回火索氏體,工件獲得較高強(qiáng)硬度和良好的低溫沖擊性能,表面硬度達(dá)到40.2 HRC,本體取樣的力學(xué)性能R,為1140 MPa ,R.為1 250 MPa,A為14.5% ,Z為55% , Kv(-40 ℃)為40.0J,滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求。

(2)采用自制工裝,將工件垂直放置進(jìn)行加熱和冷卻,可以有效減少熱處理畸變,提高了生產(chǎn)效率。