熱處理對 AISI4340鋼風機主軸性能的影響

風力發電作為一種新興清潔能源,在我們的日常生活中發揮著越來越大的作用。與大型兆瓦級商用風力發電不同,千瓦級風力發電機主要滿足家庭或農場的用電需求,AISI 4340風電主軸作為千瓦級風力發電機的核心部件,承受著復雜的應力狀態,需要較高的強度和韌性。在實際生產中,通過使用專用工裝,采用合理工藝參數和裝爐方式,實現了風機主軸的少無畸變熱處理。同傳統的熱處理方式相比，預冷淬火減小了工件開裂的風險,提高了生產效率。

風機主軸的技術要求

風機主軸是風力發電機的主要部件之一,客戶技術要求該工件材質為AISI 4340，相當于40CrNi2MoA鋼,其技術要求見表1。同時,要求對工件進行超聲波和磁粉檢測,分別達到EN10228-3的3級和EN 10228-1的3級水平。力學性能試樣采用加長取樣的方式,取樣位置為距表面1/2R處,取樣方向為縱向。

熱處理工藝試驗

風機主軸的生產工藝流程為:鋼錠鋸切→加熱→鍛造→熱切→鍛后熱處理→粗加工→無損檢測→調質→力學性能測試→粗加工→無損檢測→精加工。AISI 4340屬于高合金鋼,具有很強的淬透性和淬硬性,為防止鍛坯在鍛后空冷時形成較大組織應力和熱應力,將鍛坯趁熱裝爐。同時,隨爐降至300℃時進行等溫加熱,有利于鍛坯內部氫的擴散,防止白點的形成,鍛后熱處理工藝曲線如圖1所示。在正式進行生產之前,先選用AISI 4340試樣進行工藝試驗,然后對試塊進行取樣分析。第一次淬火回火試驗,我們將回火溫度定為560℃,調質工藝曲線如圖2所示。回火后試塊表面硬度為32.2~33.0 HRC,低于技術要求,取樣分析發現拉伸試樣的抗拉強度為1170 MPa,也低于技術要求,其他指標均滿足技術要求。為了進一步驗證技術參數,進行第二次工藝試驗,將回火溫度由第一次的560℃調整為540℃,其他工藝參數不變。第二次工藝試驗結束后,對試塊取樣分析,結果如表2所示。從表2可知,經過850℃淬火,540℃回火的試塊各項指標均滿足技術要求。

風機主軸熱處理

在工件正式熱處理時,根據設計的方案,利用吊裝帶將工件垂直放入制作好的工裝內,入爐后按工藝曲線進行加熱和保溫。出爐淬火前,測定淬火液濃度和溫度,開啟裘火液循環冷卻系統,并利用手持紅外測溫儀監控工件表面溫度。淬火時,考慮到AISl 4340鋼材質的特殊性,在快速轉移的條件下，實施預冷,在工件表面溫度降至相應的溫度時,快速淬入冷卻介質中。在整個冷卻過程中,讓工件在淬火液中做上下運動,盡量減少左右晃動。冷卻結束后,及時將工件放入回火爐內進行回火。

工件完成熱處理后,降至室溫,利用便攜式里氏硬度計檢測其表面硬度。經檢測,第一爐產品表面硬度為37.7~41.7 HRC,同一件產品表面硬度偏差在2 HRC左右。硬度檢測合格后,對加長件進行本體取樣,結果如表3所示。同時,對試樣的顯微組織進行觀察和分析,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)通過熱處理工藝試驗和工件本體取樣分析,千瓦級風機主軸通過鍛后正火、回火、粗加工后調質處理,可以得到均勻的回火索氏體,工件獲得較高強硬度和良好的低溫沖擊性能,表面硬度達到40.2 HRC,本體取樣的力學性能R,為1140 MPa ,R.為1 250 MPa,A為14.5% ,Z為55% , Kv(-40 ℃)為40.0J,滿足產品技術要求。

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