金相復膜法在風電變槳軸承檢驗中的應用

龐健華，陸林波，高學海,2

(1.上海歐際柯特回轉支承有限公司，上海 201906；2.上海泛一工程技術有限公司，上海 201907)

風能是一種資源豐富、可再生的綠色能源，隨著世界各國對新能源開發與利用的重視，發展風力發電產業已成為節能減排、保護環境的重要策略之一[1]。風電產業的快速發展帶動了風電軸承的發展，變槳軸承作為風力發電機的關鍵零部件之一，通常要求其使用壽命在20年以上，因此對其可靠性和壽命提出了更高的要求。

變槳軸承內圈連接輪轂，外圈連接葉片，在0～90°范圍內旋轉。變槳軸承在實際應用中經常會受到交變載荷和沖擊載荷的作用，工況條件惡劣，滾道的抗疲勞載荷能力影響著風電設備的使用壽命。淬回火工藝對滾道的抗疲勞載荷能力有重要影響，淬回火工藝的驗證不應簡單停留在硬化層深度和硬度上，還應關注其淬火后的金相組織。目前變槳軸承滾道金相組織檢測采用破壞性切樣方法，檢測成本較高、周期長，不適于批量生產的過程檢驗，非常有必要探索一種有效、便捷的無損金相檢測方法。因此，利用金相復膜技術[2-5]對變槳軸承滾道的金相組織進行檢測試驗研究。

1 研究對象

試樣材料為42CrMo4，其化學成分見表1。試樣的滾道曲率半徑為32.5 mm，截面尺寸如圖1所示。最終淬回火前材料狀態為調質處理，表面硬度為292 HBW，滾道狀態為中頻感應淬火和低溫回火，表面硬度為59.5 HRC，感應淬火硬化層深度為6.9 mm，技術要求：滾道表面奧氏體晶粒度不小于7級。

表1 試樣的化學成分

圖1 試樣截面

2 檢測方法

滾道表面奧氏體晶粒度檢驗采用金相復膜無損檢測方法。金相復膜是通過將預制的復型材料與金相試樣貼合的方法取得部件金屬微觀組織形貌的復型技術[4]。

2.1 檢驗關鍵器材及試劑

關鍵器材：打磨機、砂紙、金相AC紙、溫度計、電吹風、藥品匙、燒杯、電子秤、酒精燈、金相顯微鏡等。

試劑：苦味酸、洗潔精、分析純丙酮、醫用酒精。

2.2 試驗步驟

1)選取變槳軸承滾道周向均布3個位置進行拋光打磨，打磨工序為粗磨、精磨和拋光，要求最終表面粗糙度Ra≤0.5 μm。充分考慮金相AC復膜紙較薄易褶皺變形的因素，在制樣點時應盡量多選幾點，以保證試驗的一次成功。

2)對拋光區域用定性濾紙和酒精進行清潔處理。

3)將試驗套圈放入回火爐加熱至100 ℃，并保溫1 h。

4)配置試劑。用藥品匙稱量10 g苦味酸放入燒杯中，加水500 mL，將燒杯放入沸水中加熱試劑，待試劑溫度上升至60 ℃時，加入80 mL洗潔精，使用玻璃棒攪拌均勻，控制試劑溫度在60～80 ℃之間。

5)從回火爐中吊出套圈，再次清洗拋光面，將套圈吊至滾道能承接試劑的角度，將配好的試劑倒入，并用竹夾子夾取棉花不停擦拭，出現腐蝕物后，重新倒上配好的試劑。靜置4～5 min后用酒精清洗，使腐蝕面干凈清潔，并用電吹風吹干，然后進行下一個拋光面的腐蝕。在后續位置腐蝕時應盡可能保持套圈溫度在60 ℃以上，如變槳軸承溫度低于要求范圍，按2 min/℃延長腐蝕時間，但軸承溫度不能低于50 ℃，以保證復膜能獲得清晰的晶界。

6)待全部腐蝕完后，將套圈空冷至常溫，利用準備好的金相AC紙及丙酮進行復膜操作。

7)復膜時間不少于10 min，將復膜好的金相AC紙用鑷子取下，粘貼在帶有雙面膠帶的玻璃片上，在金相顯微鏡下觀察。

3 檢測結果

依照復膜法得到的金相結果如圖2所示，按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》對試樣進行評級，結果為7.0級。

圖2 復膜法得到的金相組織(100×)

由于是從曲面上復膜得到的結果，需要驗證此方法的準確性，因此，對剛檢測的一個試驗套圈的滾道檢測區域進行切樣處理，制得試樣(圖3)后，進行拋光打磨、腐蝕，然后在顯微鏡下觀察，檢測結果為7.0級(圖4)。再對切樣觀察區域進行復膜(圖5)，對復膜得到的結果進行觀察和評級(圖6)，評級結果為7.0級，與直接切樣和變槳軸承上直接復膜得到的結果均一致。

圖3 試樣

圖4 切片法金相組織圖(100×)

圖5 復膜面

圖6 復膜法金相組織圖(100×)

4 結論

經過實驗室多次工藝試驗對比分析，得出結論：

1)金相復膜法對于風電變槳軸承滾道金相組織的檢驗是可行、可靠的。

2)影響復膜效果的主要是軸承滾道的溫度、腐蝕時間和拋光面的清潔度。