CN102764954A - 一种风力发电机主轴的锻造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机主轴的锻造工艺，包括如下步骤：一、浇铸，将合金钢钢水浇铸到中心铸管，得到钢坯；二、第一次加热，三、锻造，将加热后的钢坯在液压机镦粗或拔长，四、第二次加热，五、锻压成型，六、冷却，七、热处理。该工艺采用优良的合金配比以及精湛的锻造流程，得到韧性高、耐低温且强度高的风力发电机主轴，其可以在较强风能和较大温度差异下安全、稳定地承受负载。

Description

一种风力发电机主轴的锻造工艺

技术领域

本发明涉及一种风力发电机主轴的锻造工艺。 

背景技术

当今社会，随着全球能源短缺和环境污染等问题日益严峻，寻找可再生能源已成为世界各国面临的重大课题。而自然界风能与其它能源相比，不仅蕴藏量大，分布广泛，永不枯竭，而且还具有上马快、建设周期短、比水电站建设的基础投入少、灵活性强，并能有效遏制温室效应和沙尘暴灾害，绿色环保等特点。因此，利用风能发电作为新能源开发已成为全球未来能源发展战略的重要组成部分而受到了各国的高度重视和大力支持。但是，由于目前制造风电设备的技术不够成熟，导致风力发电设备昂贵，风力发电成本较高，风电电价高于煤电电价，从而制约了风电的快速发展。 

用于风力发电机设备MW级风电机组风电主轴是风电设备的承重件，需要在较强的风能、零下四十摄氏度等环境温度下，满足承载负荷等特定使用要求。当前所使用的主轴一般均采用Q345E材质的坯钢作为开始加工的原料，经下料、锻造制坯辗环、热处理、金加工等步序后制成符合要求的环锻件，然后再经进一步机械加工成为满足要求的主轴。传统主轴锻件由于材料成份、及理化指标允许的范围较大，锻造及热处理工艺简单粗犷，造成产品质量不稳定，尚难满足较强的风能、较大温度差异下，安全、稳定地承受负载等特定 使用要求。 

发明内容

本发明公开了一种风力发电机主轴的锻造工艺，该工艺采用优良的合金配比以及精湛的锻造流程，得到韧性高、耐低温且强度高的风力发电机主轴，其可以在较强风能和较大温度差异下安全、稳定地承受负载。 

本发明的风力发电机主轴的锻造工艺包括如下步骤： 

一、浇铸 

将合金钢钢水浇铸到中心铸管，得到钢坯；其中合金钢的各组分以及重量百分比为碳0.33～0.36％、硅0.17～0.37％、锰0.81～0.94％、磷≤0.009％、硫≤0.009％、铬1.02～1.17％、钼0.20～0.30％、镍0.35～0.45％、铜≤0.15％、铝0.022～0.062％、铌0.028～0.068％；钨、砷、锡、铅、钛中的任意一种元素均≤0.01％；其余为铁。 

二、加热 

第一次加热，将钢坯装入天然气加热炉中进行加热，第一次加热温度为1050～1250℃，并在加热温度范围内保温5～6小时，其中钢坯从点火升温至所述加热温度过程中的升温速度≤150℃/h。 

三、锻造 

将加热后的钢坯在液压机镦粗或拔长，始锻温度为1150～1250℃，锻造比大于3～6倍，终锻温度为750℃～790℃。 

四、加热 

第二次加热，将锻造后的钢坯装入天然气加热炉中进行加热，第二次加热温度为950～1150℃，并在该温度范围内保温2～3小时。 

五、锻压成型 

将上述步骤中所得的钢坯在液压机上锻压成符合尺寸的锻件。 

六、冷却 

冷却至280℃～320℃后，再加热到640～660℃等温，等温的时间为10～20小时。 

优选地，所述锻造工艺还包括下述步骤， 

七、热处理 

锻件进入热处理炉加热到820±5℃，保温3小时后，出炉空冷或吹风冷却至300℃以下；再入炉加热到840±5℃，保温3小时出炉淬火，冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到550±10℃，保温5～6小时，然后随炉缓慢冷却至150℃以下出炉。 

本发明通过采用特定组分的钢锭，经过加热、锻造、再加热、再锻造之后冷却的过程，得到性能优异的主轴锻件，另外，在冷却之后进行热处理，进一步提升其力学性能，从而得到抗疲劳强度高，低温下耐冲击且韧性俱佳的风力发电机主轴，其使用寿命长，可靠稳定，有助于我国大力发展风电事业，保护不可再生资源，保护环境，造福人类。 

具体实施方式

为了更加清楚地说明本发明的技术方案，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。 

本发明的风力发电机主轴的原材料是合金钢，其各组分以及重量百分比为碳0.33～0.36 ％、硅0.17～0.37％、锰0.81～0.94％、磷≤0.009％、硫≤0.009％、铬1.02～1.17％、钼0.20～0.30％、镍0.35～0.45％、铜≤0.15％、铝0.022～0.062％、铌0.028～0.068％；钨、砷、锡、铅、钛中的任意一种元素均≤0.01％；其余为铁。经过大量实验证明，上述组分的合金钢材料抗疲劳强度高，低温下耐冲击且韧性好。 

采用上述组分地合金钢材料，本发明的风力发电机主轴的锻造工艺主要包括如下步骤：浇铸钢锭-加热-锻造-加热-锻压成型-冷却-热处理。具体步骤如下述实施例所描述。 

实施例1： 

一、浇铸： 

精炼得到下述组分的合金钢钢水； 

碳0.35％、硅0.27％、锰0.85％、磷0.008％、硫0.008％、铬1.12％、钼0.26％、镍0.39％、铜0.12％、铝0.032％、铌0.056％；钨0.005％、砷0.005％、锡0.006％；其余为铁。 

浇铸采用下铸方式，每次可浇2～4支锭，钢水从钢水包中浇铸到中心铸管；作主轴用模为扁形钢锭模，是上大下小(锥度为0.5％左右)，上口边长1600mm～1800m，厚度为750mm～950mm，高度为2100mm～2500mm；单重为13T～33T。 

二、加热 

第一次加热，将选用的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，并在该1200℃温度范围内保温5小时，其中钢坯从点火直到升温至1200℃，升温速度120℃/h； 

三、锻造 

根据锻件大小分别在4500T或2000T吨液压机镦粗或拔长，始锻温度为1150℃，锻造比为4倍，终锻温度为760℃。锻造目的是把钢锭柱状晶打碎，使钢晶粒度细化，锻坯尺寸达到成品毛坯规定几何形状。毛坯余留加工尺寸为15mm左右。 

四、加热 

第二次加热，将锻造后的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1000℃，并在该1000℃温度范围内保温3小时； 

五、锻压成型 

将上述步骤中所得的钢坯在液压机上锻压成符合尺寸的锻件； 

六、冷却 

冷却至300℃后，再加热到650℃等温，等温时间依据工件大小来决定，一般为10～20小时。通过上述冷却后再加热可以防止白点产生，避免钢件内产生应力，进而产生裂纹。 

之后，可以进行本领域技术人员公知的后续机械加工以及检查步骤。首先进行机械加工，依据锻件毛坯尺寸大小，在常规车床或数控车床进行成品精加工，达到成品尺寸公差要求。最后检查，对机械精加工锻件进行超声波探伤检查，检查裂纹、夹杂、缩孔、气孔、白点等缺陷；同时要检查锻件尺寸公差，力学性能等，符合相应标准要求，判定合格后包装入库。 

实施例2 

一、浇铸： 

精炼得到下述组分的合金钢钢水； 

碳0.36％、硅0.30％、锰0.92％、磷0.006％、硫0.006％、铬1.12％、钼0.26％、镍 0.39％、铜0.12％、铝0.032％、铌0.056％；钨0.005％、砷0.005％、锡0.006％；其余为铁。 

浇铸采用下铸方式，每次可浇2～4支锭，钢水从钢水包中浇铸到中心铸管；作主轴用模为扁形钢锭模，是上大下小(锥度为0.5％左右)，上口边长1600mm～1800m，厚度为750mm～950mm，高度为2100mm～2500mm；单重为13T～33T。 

二、加热 

第一次加热，将选用的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，并在该1200℃温度范围内保温5小时，其中钢坯从点火直到升温至1200℃，升温速度120℃/h； 

三、锻造 

根据锻件大小分别在4500T或2000T吨液压机镦粗或拔长，始锻温度为1150℃，锻造比为4倍，终锻温度为760℃。锻造目的是把钢锭柱状晶打碎，使钢晶粒度细化，锻坯尺寸达到成品毛坯规定几何形状。毛坯余留加工尺寸为15mm左右。 

四、加热 

第二次加热，将锻造后的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1000℃，并在该1000℃温度范围内保温3小时； 

五、锻压成型 

将上述步骤中所得的钢坯在液压机上锻压成符合尺寸的锻件； 

六、冷却 

冷却至300℃后，再加热到650℃等温，等温时间依据工件大小来决定，一般为10～20 小时。通过上述冷却后再加热可以防止白点产生，避免钢件内产生应力，进而产生裂纹。 

七、热处理 

为了提高钢的强度、塑韧性、特别是低温冲击值，一般均采用调质热处理，获得晶粒度8级以上的弥散强化索氏体组织。热处理工艺制度如下：锻件进入热处理炉加热到820±5℃，保温3小时后，出炉空冷或吹风冷却至300℃以下；再入炉加热到840±5℃，保温3小时出炉淬火，冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到550±10℃，保温5～6小时，然后随炉缓慢冷却至150℃以下出炉。经过上述热处理过程，钢锭获得细化的回火索氏体组织，最终达到获得良好的综合力学性能。 

正火热处理目的 

a消除锻造后锻件内外部应力； 

b改善钢的内部组织，促使晶粒细化、均匀化。 

淬火热处理目的： 

淬火的主要目的，把奥氏化锻件淬火成马化体，使钢的强度和硬度大大提高。 

回火热处理目的： 

a回火是将淬火后的钢在Ac1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程；习惯上把淬火加在500℃～650℃之间进行高温回火的热处理称为调质处理。 

b消除淬火后的内应力 

c回火时要有足够的保温时间，根据工件大小一般为5～6小时，目的是促使产生细小的VN化合物完全析出在铁素体相界上，从而使钢产生沉淀强化效果，这是合金钢中最重要的强化方式之一。高温回火一般为回火体索氏体组织，不仅强度高，而且钢的塑韧性也 非常高。 

实施例3 

一、浇铸 

精炼得到上述组分的合金钢钢水并浇铸成钢坯； 

二、加热 

第一次加热，将选用的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1250℃，并在该1250℃温度范围内保温5小时，其中钢坯从点火直到升温至1250℃，升温速度150℃/h； 

三、锻造 

依据锻件大小分别在4500T或2000T液压机镦粗或拔长、压扁、扩孔等操作，开始锻造温度为1250℃～1280℃，锻造比大于4～6倍，终锻温度为860℃～880℃，钢的实际晶粒度为8级左右，毛坯达到规定几何形状，留有加工余量为10mm左右。 

四、加热 

第二次加热，将锻造后的钢坯装入室式天然气加热炉中进行加热，加热温度为1150℃，并在该1150℃温度范围内保温2小时； 

五、锻压成型 

将上述步骤中所得的钢坯在液压机上锻压成符合尺寸的锻件； 

六、冷却 

冷却至300℃后，再加热到650℃等温，等温时间依据工件大小来决定，一般为10～20小时。通过上述冷却后再加热可以防止白点产生，避免钢件内产生应力，进而产生裂纹。 

七、热处理 

锻件进入热处理炉加热到820±5℃，保温3小时后，出炉空冷或吹风冷却至300℃以下；再入炉加热到840±5℃，保温3小时出炉淬火，冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到550±10℃，保温5～6小时，然后随炉缓慢冷却至150℃以下出炉。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，所做出的任何变型和组合也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种风力发电机主轴的锻造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

一、浇铸

将合金钢钢水浇铸到中心铸管，得到钢坯；其中合金钢的各组分以及重量百分比为碳0.33～0.36％、硅0.17～0.37％、锰0.81～0.94％、磷≤0.009％、硫≤0.009％、铬1.02～1.17％、钼0.20～0.30％、镍0.35～0.45％、铜≤0.15％、铝0.022～0.062％、铌0.028～0.068％；钨、砷、锡、铅、钛中的任意一种元素均≤0.01％；其余为铁。

二、加热

第一次加热，将钢坯装入天然气加热炉中进行加热，第一次加热温度为1050～1250℃，并在加热温度范围内保温5～6小时，其中钢坯从点火升温至所述加热温度过程中的升温速度≤150℃/h。

三、锻造

将加热后的钢坯在液压机镦粗或拔长，始锻温度为1150～1250℃，锻造比大于3～6倍，终锻温度为750℃～790℃。

四、加热

第二次加热，将锻造后的钢坯装入天然气加热炉中进行加热，第二次加热温度为950～1150℃，并在该温度范围内保温2～3小时。

五、锻压成型

将上述步骤中所得的钢坯在液压机上锻压成符合尺寸的锻件。

六、冷却

冷却至280℃～320℃后，再加热到640～660℃等温，等温的时间为10～20小时。

2.如权利要求1所述的风力发电机主轴的锻造工艺，其特征在于，所述工艺还包括下述步骤，

七、热处理

锻件进入热处理炉加热到820±5℃，保温3小时后，出炉空冷或吹风冷却至300℃以下；再入炉加热到840±5℃，保温3小时出炉淬火，冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到550±10℃，保温5～6小时，然后随炉缓慢冷却至150℃以下出炉。

3.如权利要求1所述的风力发电机主轴的锻造工艺，其特征在于，步骤一中得到的钢坯上大下小，锥度为0.4～0.6％，上口边长1600mm～1800m，厚度为750mm～950mm，高度为2100mm～2500mm；单重为13T～33T。

4.如权利要求2所述的风力发电机主轴的锻造工艺，其特征在于，在所述热处理之后还包括机械加工步骤：

依据锻件毛坯尺寸大小，在常规车床或数控车床进行成品精加工，达到成品尺寸公差要求。

5.如权利要求1所述的风力发电机主轴的锻造工艺，其特征在于，在所述机械加工步骤之后还包括检查步骤：

对机械精加工锻件进行超声波探伤检查，检查裂纹、夹杂、缩孔、气孔、白点等缺陷；同时要检查锻件尺寸公差，力学性能等，符合相应标准要求，判定合格后包装入库。