風(fēng)機主軸用高品質(zhì)42CrMo4鋼煉鋼工藝實踐

安龍森，楊開彬，郭 甫，陳 云

（金雷科技股份公司，山東 濟南 271100）

1 前言

風(fēng)力發(fā)電機主軸是風(fēng)力發(fā)電機組的主要部件之一，在世界各國密切關(guān)注開發(fā)風(fēng)能的條件下，風(fēng)機主軸制造具有巨大的市場。風(fēng)機主軸服役用鋼要求強度高、韌性高、綜合力學(xué)性能穩(wěn)定、低溫脆性小，傳統(tǒng)的42CrMo4鋼難以滿足上述要求。針對該問題，國內(nèi)很多學(xué)者開展了該方面的研究［1-3］。劉國平等采用改進的降溫淬火、水淬油冷的熱處理工藝，將風(fēng)電主軸用42CrMo4鋼的淬火溫度從860 ℃降至810 ℃，避免了工藝裂紋的產(chǎn)生，使產(chǎn)品滿足了服役技術(shù)要求［4］。楊開彬等采用空冷＋水冷交替淬火的方法，優(yōu)化了淬火冷卻工藝，有效解決了主軸水淬開裂的問題，主軸的全相組織和力學(xué)性能與全水淬主軸基本一致［5］。重慶大學(xué)楊萍課題組以盡可能低的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了V80/V90風(fēng)機主軸用42CrMo4鋼的批量化生產(chǎn)，建立了高效的生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能指標(biāo)達到了國外同行的先進水平［6］。金雷科技股份公司針對企業(yè)的產(chǎn)品性能要求，采用系統(tǒng)轉(zhuǎn)化大型優(yōu)質(zhì)鋼錠成套制備技術(shù)，開發(fā)鑄造風(fēng)機主軸用高品質(zhì)42CrMo4鋼鑄錠，通過優(yōu)化設(shè)計煉鋼工藝、鍛造工藝，并在冶煉過程、鍛造過程中采取相應(yīng)的有效措施，使產(chǎn)品的各項指標(biāo)達到技術(shù)要求，從而實現(xiàn)大型風(fēng)機主軸用鋼錠的批量化穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 主要制備工藝

2.1 原料的成分控制

生產(chǎn)過程中，根據(jù)企業(yè)的電機主軸產(chǎn)品性能要求，優(yōu)化鍛件的化學(xué)成分配比，確保材料性能的強度和韌性達到最佳配合。根據(jù)成分配比，選用高碳錳鐵合金或金屬錳進行合金化，嚴(yán)格控制硅錳合金、硅鐵合金用量、Al 的加入量等。化學(xué)成分調(diào)整時，控制Mn 和Cr 含量在上限，盡量降低鋼中C 含量，提高Ni含量，提高V、Mo元素含量，從而提高鍛件綜合力學(xué)性能?；瘜W(xué)成分允許偏差標(biāo)準(zhǔn)EN 10083—3。

2.2 冶金工藝過程及參數(shù)控制

冶煉過程中，采用“電爐＋鋼包精煉＋真空脫氣”工藝，即采用鈣脫氧和真空脫氣技術(shù)，利用Ca來代替Si、Al 對鋼水進行脫氧等處理，提高鋼錠的純凈度。

電爐冶煉前期，吹氧助熔，提前制造氧化性強、堿度高的泡沫渣，并充分利用熔化期溫度較低的有利條件，提高爐渣脫磷的能力，及時進行放渣操作，并造新渣，防止溫度升高后和出鋼時下渣回磷。電爐出鋼的同時向鋼包內(nèi)加入合成渣料、合金和脫氧劑進行預(yù)脫氧操作，精煉過程通過添加碳化硅和硅鐵粉進行擴散脫氧，鋁粒加強脫氧，同時用碳粉保持還原性氣氛，造泡沫渣，保持白渣，保證脫氧和脫硫效果良好。通過控制原材物料的水分及真空脫氣技術(shù)，控制鋼錠中H的含量。真空脫氣時的真空度可以控制在67～20 Pa，保壓30 min 以上。為了提高鋼水的純凈度，項目組采用了鈣處理技術(shù)，即VD工序前通過向鋼液中喂入鈣線。

3 鑄造結(jié)果及分析

鑄錠檢測內(nèi)容具體包含外觀檢測、夾雜物檢測、內(nèi)部的無損檢測、化學(xué)成分檢測、微觀組織檢測及力學(xué)性能測試。

3.1 鑄錠外觀檢測

鑄錠的外觀要求錠尾部以上50 mm 至冒口部以下100 mm范圍內(nèi)，表面不得有肉眼可見的裂紋；不得有厚度＞20 mm，面積＞300 mm2的結(jié)疤；不得有翻皮、非金屬夾雜、飛邊等影響使用的有害缺陷存在。鋼錠水口尾部必須割除，水口尖突部要求光滑無夾雜夾渣，冒口端不得留有緊固保溫材料用的鋼筋及鐵絲存在。鋼錠表面的缺陷允許清除，清理處應(yīng)圓滑無尖銳棱角，清除深度最大不超過12 mm。

3.2 內(nèi)部的無損檢測

無損檢測要求為鋼錠經(jīng)過加熱、鍛造、熱處理以后，按照SEP1921 標(biāo)準(zhǔn)進行探傷，合格級別為E/e，精加工后進行磁粉探傷，探傷標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T 4730—2005 I 級，不允許有肉眼可見磁痕、橫向磁痕和異形不規(guī)則磁痕。

3.3 鋼錠化學(xué)成分檢測

運用上述煉鋼工藝冶煉的42CrMo4鍛件產(chǎn)品，通過熔煉及化學(xué)分析，具體的成分結(jié)果詳見表1。

表1 42CrMo4鋼鑄錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.4 微觀組織檢測

截取鑄錠水口（左側(cè)）及冒口（右側(cè)）試樣，觀測其微觀組織，具體的試驗結(jié)果如圖1 所示。鑄錠的微觀組織均為珠光體和鐵素體共存的組織，晶粒均勻。

圖1 42CrMo4鋼不同部位的微觀組織

3.5 力學(xué)性能測試

42CrMo4 鋼力學(xué)性能的測試具體包括橫縱方向的拉伸試驗、橫縱方向的沖擊試驗及硬度測試實驗。具體結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 42CrMo4鋼的力學(xué)性能

4 結(jié)論

4.1 通過工藝的優(yōu)化設(shè)計，采用“電爐＋鋼包精煉＋真空脫氣”的煉鋼工藝，并在冶煉過程中采取相應(yīng)的有效措施控制工藝參數(shù)，成功獲得了42CrMo4鋼的優(yōu)質(zhì)鑄錠。

4.2 42CrMo4鋼鑄錠成分檢測表明，通過采用真空碳脫氧技術(shù)，并利用Ca來代替Si、Al對鋼水進行脫氧等的工藝措施，確保了鋼水脫氧良好，鋼錠純凈度高。鑄錠的微觀組織均為珠光體和鐵素體共存的組織，晶粒均勻。

4.3 力學(xué)性能檢測表明，鑄錠各項同性，橫縱方向的拉伸強度為690～840 MPa，屈服強度高于460 MPa，-20 ℃時的低溫沖擊韌性為30 J左右，布氏硬度為217～264。