風電滲碳齒輪鋼產品質量分析及工藝改進

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有限公司

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風電用齒輪及傳動軸是風力發電設備的重要部件之一，關系到風力發電設備的整體性能及設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年供應的風電齒輪類零件，委托湖州吉凱思檢測服務有限公司通過大量的檢測分析，確定缺陷產生原因，并采取相應的工藝改進措施，產品質量得到提升。

技術要求及生產工藝過程

技術要求

⑴化學成分。滲碳齒輪鋼化學成分見表1。

表1 滲碳齒輪鋼化學成分(質量分數，%)

⑵硬度：160 ～210HBW，同一鍛件不同表面點的硬度差≤30HBW。

⑶力學性能：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根據產品類型嚴格按照技術下發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℃溫度范圍內保溫，爐內冷卻后及時出爐空冷；

⑻機加工采用數控車床；

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

產品質量調查

以杰德公司生產的行星輪及太陽輪產品為例，通過對鍛造工藝的改進，目前工藝技術已經成熟，產品質量一直保持穩定，具有代表意義。表4 為2020 年1 月～2021 年6 月的質量問題統計數據。

表4 2020 年1 月～2021 年6 月的質量問題統計

⑴原因分析。

①折疊：原材料表面有折疊，尤其是坯料，經過二次加工后表面有折疊傾向，經沖孔后擴孔容易產生折疊。

②尺寸：主要是偏心導致的單邊車不出，鍛造余量稍??；局部存在黑皮打磨后尺寸小于要求尺寸；車削時未及時借車導致尺寸報廢。

③探傷：原材料冶煉質量及澆鑄問題；鍛造鐓拔不夠。

⑵質量控制改進措施。

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

②尺寸：適當增加工藝余量；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：會同原材料供應商對冶煉成分及輔料進行工藝攻關；合理制定鍛造工藝，控制材料的鍛造比，確保內部鍛透。

經以上原因分析及制定的糾正措施后，統計2021 年7 月—2022 年12 月的質量問題，不合格匯總見表5，可以看出，平均控制水平逐期提高，不合格品數量減少，質量波動減小，趨于平穩，這說明在滲碳齒輪鋼質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 月的質量問題統計

滲碳齒輪鋼內在質量問題成因分析

經過大量的解剖分析，逐漸發現影響滲碳齒輪鋼的根本問題在于內部夾雜，在齒輪鋼工作時會引起疲勞斷裂，如圖1、圖2、圖3 所示。從解剖檢測結果上看，斷裂主要是Al、Si、Ca、Mg 類夾雜物導致。

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氧化物對齒輪鋼內在質量的影響。

鋼包噴吹工藝是利用載氣將Si-Ca 粉狀物質直接吹入鋼包中，迅速加快鋼水反應，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，其體積分數愈高，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。

齒輪鋼內在質量的綜合標志就是疲勞壽命，材質的優劣對壽命影響最大，鋼中氧含量是影響材質的重要因素。鋼中氧含量越低，則其純潔度越高，相對應的額定壽命就越長。

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

⑵硫化物對齒輪鋼內在質量的影響。

硫化物具有較低的熔點，當鋼凝固時，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，硫含量適當的提高，增加氧化物被硫化物包圍的機會，導致共生夾雜數量增多。當熱加工時，這種共生夾雜物與基體之間形成一個平滑的內表面，它的應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大，不易出現拉應力，被硫化物包圍的氧化物與基體之間的應力也是很低的。當硫化物-氧化物共生時，不管硫化物夾雜體積比氧化物大或小，基體中的殘余應力比起沒有同硫化物結合來說，均會在某種程度上有所減輕。殘余應力本身是不足以引起疲勞的，但遇到氧化物夾雜，應力就會加強，氧化物被應力所包圍，再加上任何外加的應力，使應力強化到某種程度，導致疲勞裂紋。所以，外部應力是破壞的直接原因，而夾雜是內因。

⑶加熱、鍛造對齒輪鋼內在質量的影響。

加熱溫度是一個重要的冶金參數，加熱不當對產品本身會產生諸多不利因素，比如脫碳、過熱、過燒、加熱裂紋、銅脆等缺陷。因此，加熱設備的選擇對此類影響至關重要，有些爐子是先天不足，爐內溫差比較大，極易導致局部過熱或過燒，爐子的定期校準尤其重要。在正常的冶金生產過程中，精細化操作越來越得到重視，尤其是生產過程的監視和測量設備的準確性異常重要，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，爐內溫度差可控制在±8℃，系統控制精度可達到±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先選擇爐外精煉的廠家，原材料經過開坯后再投入鍛造生產，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品內部質量，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，為產品的最終滲碳淬火做準備。

結論

通過大量的質量數據及試驗數據研究分析，總結出最佳生產方案如下：

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 技術進行冶煉。

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

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，確保爐內產品的均勻性，為后續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采用三鐓+三拔+十字鍛造技術，同時控制最后一火次的變形量不小于25%。

⑸鍛后及時風冷控制到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組織，為最終產品滲碳淬火做組織準備。

通過以上工藝的執行，目前生產的風電齒輪鋼類產品，大幅提升了產品質量。