CN114107616A - 一种锻钢飞轮转子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锻钢飞轮转子的制备方法，具体涉及飞轮转子制备技术领域，其包括如下步骤：1、提供一34CrNiMo6钢锭；2、采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行锻造，然后采用两端入镦粗模，局部镦粗中间法兰的成形方法制备飞轮转子锻件；3、对所述飞轮转子锻件进行热处理。本发明锻钢飞轮转子的制备方法制备的飞轮转子可以满足对产品的力学性能要求，尤其是飞轮转子的中心位置具有超高的强度和良好的塑性及韧性，使得飞轮转子中心位置具有较高的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮转子制备技术领域，特别是涉及一种锻钢飞轮转子的制备方法。
背景技术
飞轮储能是一种物理储能方式，通过高速旋转的飞轮转子将能量存储为转动动能。如利用飞轮存储电能时，飞轮的双向电机处于电动机工作模式，飞轮转子加速旋转，将电能转化为转动动能，此时飞轮转子的转速可达每分钟几万转。在飞轮向负载释放电能时，飞轮的双向电机处于发电机工作模式，飞轮转子的转速下降，将转动动能转化为电能。飞轮转子安装在真空腔体内，在磁悬浮状态下工作，没有空气阻力，减少了飞轮转子运行过程中的能量损耗，提高了飞轮转子的转速。
飞轮储能与其他储能方式相比，其具有充放电迅速、储能密度高、功率大、效率高、寿命长、低污染等优点，所以飞轮储能产品广泛应用于地铁系统节能、电力系统调峰、不间断电源、港口龙门吊节能、风力发电、太阳能发电、汽车供能、卫星储能、大功率机车等众多领域。由于飞轮转子可达每分钟几万转的超高转速，对飞轮转子自身的力学性能要求很高，尤其是对飞轮转子中心位置的力学性能要求极高。对于较大截面尺寸的合金结构钢而言，受其合金元素和淬火冷却强度的限制，其中心位置很难达到飞轮转子的力学性能要求，这就直接影响了飞轮转子产品的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锻钢飞轮转子的制备方法，确保制备的飞轮转子能够满足力学性能要求，尤其是飞轮转子的中心位置能够满足性能要求。
为满足上述技术目的及其相关技术目的，本发明提供了一种锻钢飞轮转子的制备方法，其包括如下步骤：
1、提供一34CrNiMo6钢锭；
2、采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行锻造，然后采用两端入镦粗模，局部镦粗中间法兰的成形方法制备飞轮转子锻件；
3、将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至840～880℃，进行奥氏体化保温处理，保温时间的计算公式为1.2～2.5h/100mm；
4、将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间的计算公式为10～20min/100mm；
5、将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至500～550℃，进行回火保温处理，保温时间的计算公式为3～5h/100mm；
6、回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件取出空冷，或，将所述飞轮转子锻件炉冷至300℃以下，取出空冷。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述34CrNiMo6钢锭的各组分的含量为：C 0.30～0.38％；Si≤0.40％；Mn 0.60～0.80％；Ni 1.30～1.70％；Cr 1.40～1.70％；Mo 0.15～0.30％；P≤0.010％；S≤0.010％；其余为Fe。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述34CrNiMo6钢锭的制备方法为：将原料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气、氩气保护浇注制备成为钢锭。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，在步骤3中，所述淬火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，在步骤4的冷却过程中，保持水温为小于或等于30℃。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，水冷后的所述飞轮转子锻件的温度为小于或等于150℃。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述飞轮转子锻件在水中的深度为大于或等于1米。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，在步骤5中，所述回火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，在步骤6中，所述炉冷的降温速率为小于或等于50℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述飞轮转子锻件的有效截面尺寸为小于或等于500mm。
本发明锻钢飞轮转子的制备方法制备的飞轮转子可以满足产品对力学性能的要求，尤其是飞轮转子的中心位置具有超高的强度和良好的塑性及韧性，使得飞轮转子中心位置具有较高的力学性能。
附图说明
图1为本发明锻钢飞轮转子的制备方法工艺流程图；
图2为本发明锻钢飞轮转子的制备方法一实施例中飞轮转子锻件的热处理工艺曲线图；
图3为本发明锻钢飞轮转子的制备方法另一实施例中飞轮转子锻件的热处理工艺曲线图；
图4为本发明飞轮转子锻件锻造成型的示意图。
元件标号：1、飞轮转子锻件；2、镦粗模。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
请参阅图1至图4，图1为本发明锻钢飞轮转子的制备方法工艺流程图，图2为本发明锻钢飞轮转子的制备方法一实施例中飞轮转子锻件的热处理工艺曲线图，图3为本发明锻钢飞轮转子的制备方法另一实施例中飞轮转子锻件的热处理工艺曲线图，图4为本发明飞轮转子锻件锻造成型的示意图。
本发明提供了一种锻钢飞轮转子的制备方法，其包括如下步骤：
1、冶炼：提供一34CrNiMo6钢锭，包括提供34CrNiMo6钢材所需材料，将原料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气、氩气保护浇注制备成为钢锭。
2、锻造成型：采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行锻造，然后采用两端入镦粗模2，局部镦粗中间法兰的成形方法制备飞轮转子锻件1。
3、热处理工艺：将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至840～880℃，进行奥氏体化保温处理，保温时间的计算公式为1.2～2.5h/100mm；将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间的计算公式为10～20min/100mm；将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至500～550℃，进行回火保温处理，保温时间的计算公式为3～5h/100mm；回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件取出空冷，或，将所述飞轮转子锻件炉冷至300℃以下，取出空冷。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述34CrNiMo6钢锭的各组分的含量为：C 0.30～0.38％；Si≤0.40％；Mn 0.60～0.80％；Ni 1.30～1.70％；Cr 1.40～1.70％；Mo 0.15～0.30％；P≤0.010％；S≤0.010％；其余为Fe。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述34CrNiMo6钢锭的制备方法为：将原料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气、氩气保护浇注制备成为钢锭。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述淬火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，在冷却过程中，保持水温为小于或等于30℃。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，水冷后的所述飞轮转子锻件的温度为小于或等于150℃。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述飞轮转子锻件在水中的深度为大于或等于1米。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述回火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述炉冷的降温速率为小于或等于50℃/h。
在本发明锻钢飞轮转子的制备方法一示例中，所述飞轮转子锻件的有效截面尺寸为小于或等于500mm。
本发明选用34CrNiMo6钢材作为制备飞轮转子的材料，将34CrNiMo6钢材的原料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气、氩气保护浇注制备成34CrNiMo6钢锭，以确保钢锭内的有害元素、非金属夹杂物及气体含量均较低。钢锭脱模后热转锻造，降低锻造前加热的能源消耗。采用WHF锻造法对钢锭锻造，WHF锻造法是宽砧强力压下锻造法，采用大砧宽比、大压下量迫使锻件心部产生较大变形，能够有效锻合锻件内部的孔隙，消除锻件的疏松等缺陷，确保锻件的心部有效压实。采用两端入镦粗模，局部镦粗中间法兰的成形方法，在节约两端切肩余料的同时增加中间法兰的镦粗比，保证法兰部位的晶粒度和较为完整的纤维流向，提高产品的使用寿命。
淬火时采用低水温、深水冷的冷却方式，提高了淬火冷却速度和淬透深度，使得飞轮转子锻件的中心位置达到淬火效果，得到马氏体组织。经过长时间的回火，使得飞轮转子锻件的中心部位得到超高的强度和良好的塑性及韧性，同时消除淬火时产生的残余应力，从而提高了飞轮转子的力学性能。
实施例1
制备一有效截面尺寸为300mm的飞轮转子，材质为34CrNiMo6钢材。
1、将原材料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气进行冶炼，钢锭浇注采用下注法，全程使用氩气保护浇注，制成34CrNiMo6钢锭。
2、钢锭脱模后热转锻造，锻造采用WHF锻造法作为主变形方法，对钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。采用两端入镦粗模2，局部镦粗中间法兰的成形方法，制成飞轮转子锻件1。
3、将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至840℃，淬火炉的升温速率为80℃/h，进行奥氏体化保温处理，保温时间为3.6小时，奥氏体化保温结束后，将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间为30分钟，冷却过程中保持水温小于或等于30℃，冷却后的所述飞轮转子锻件温度为130～150℃。
4、将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至500℃，回火炉的升温速率为80℃/h，进行回火保温处理，保温时间为9小时，回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件取出空冷，冷却后获得飞轮转子产品。
实施例2
制备一有效截面尺寸为300mm的飞轮转子，材质为34CrNiMo6钢材。
1、将原材料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气进行冶炼，钢锭浇注采用下注法，全程使用氩气保护浇注，制成34CrNiMo6钢锭。
2、钢锭脱模后热转锻造，锻造采用WHF锻造法作为主变形方法，对钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。采用两端入镦粗模2，局部镦粗中间法兰的成形方法，制成飞轮转子锻件1。
3、将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至880℃，淬火炉的升温速率为70℃/h，进行奥氏体化保温处理，保温时间为7.5小时，奥氏体化保温结束后，将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间为60分钟，冷却过程中保持水温小于或等于30℃，冷却后的所述飞轮转子锻件温度为90～100℃。
4、将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至550℃，回火炉的升温速率为70℃/h，进行回火保温处理，保温时间为15小时，回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件炉冷至300℃，炉冷的降温速率为50℃/h，然后取出空冷，冷却后获得飞轮转子产品。
实施例3
制备一有效截面尺寸为300mm的飞轮转子，材质为34CrNiMo6钢材。
1、将原材料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气进行冶炼，钢锭浇注采用下注法，全程使用氩气保护浇注，制成34CrNiMo6钢锭。
2、钢锭脱模后热转锻造，锻造采用WHF锻造法作为主变形方法，对钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。采用两端入镦粗模2，局部镦粗中间法兰的成形方法，制成飞轮转子锻件1。
3、将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至850℃，淬火炉的升温速率为80℃/h，进行奥氏体化保温处理，保温时间为7.5小时，奥氏体化保温结束后，将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间为39分钟，冷却过程中保持水温小于或等于30℃，冷却后的所述飞轮转子锻件温度为110～120℃。
4、将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至530℃，回火炉的升温速率为80℃/h，进行回火保温处理，保温时间为15小时，回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件取出空冷，冷却后获得飞轮转子产品。
实施例4
制备一有效截面尺寸为500mm的飞轮转子，材质为34CrNiMo6钢材。
1、将原材料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气进行冶炼，钢锭浇注采用下注法，全程使用氩气保护浇注，制成34CrNiMo6钢锭。
2、钢锭脱模后热转锻造，锻造采用WHF锻造法作为主变形方法，对钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。采用两端入镦粗模2，局部镦粗中间法兰的成形方法，制成飞轮转子锻件1。
3、将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至860℃，淬火炉的升温速率为80℃/h，进行奥氏体化保温处理，保温时间为10小时，奥氏体化保温结束后，将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间为90分钟，冷却过程中保持水温小于或等于30℃，冷却后的所述飞轮转子锻件温度为130～140℃。
4、将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至510℃，回火炉的升温速率为80℃/h，进行回火保温处理，保温时间为22.5小时，回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件炉冷至300℃，炉冷的降温速率为40℃/h，然后取出空冷，冷却后获得飞轮转子产品。
对实施例3和实施例4制备的飞轮转子产品的中心位置进行取样，将取得的样品制成试验用试样，包括拉伸试样和冲击试样，应用万能材料试验机对拉伸试样进行拉伸试验，应用冲击试验机对冲击试样进行冲击试验，试验结果如下表。
表1为实施例3和实施例4制备的飞轮转子产品的中心位置的力学性能试验结果
从上表中可以看出，本发明锻钢飞轮转子的制备方法制备的飞轮转子可以满足对产品的力学性能要求，尤其是飞轮转子的中心位置具有超高的强度和良好的塑性及韧性，使得飞轮转子中心位置具有较高的力学性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供一34CrNiMo6钢锭；
(2)采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行锻造，然后采用两端入镦粗模，局部镦粗中间法兰的成形方法制备飞轮转子锻件；
(3)将所述飞轮转子锻件放入淬火炉中加热至840～880℃，进行奥氏体化保温处理，保温时间的计算公式为1.2～2.5h/100mm；
(4)将所述飞轮转子锻件放入水中冷却，冷却时间的计算公式为10～20min/100mm；
(5)将所述飞轮转子锻件放入回火炉中加热至500～550℃，进行回火保温处理，保温时间的计算公式为3～5h/100mm；
(6)回火保温结束后，将所述飞轮转子锻件取出空冷，或，将所述飞轮转子锻件炉冷至300℃以下，取出空冷。
2.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述34CrNiMo6钢锭的各组分的含量为：C 0.30～0.38％；Si≤0.40％；Mn 0.60～0.80％；Ni 1.30～1.70％；Cr1.40～1.70％；Mo 0.15～0.30％；P≤0.010％；S≤0.010％；其余为Fe。
3.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述34CrNiMo6钢锭的制备方法为：将原料经电炉熔炼、钢包精炼、真空脱气、氩气保护浇注制备成为钢锭。
4.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，采用WHF锻造法作为主变形方法对所述钢锭进行两次锻造主变形，并控制主变形拔比大于2.2。
5.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述淬火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
6.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，在水冷过程中，保持水温为小于或等于30℃。
7.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，水冷后的所述飞轮转子锻件的温度为小于或等于150℃。
8.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述回火炉的升温速率为小于或等于80℃/h。
9.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述炉冷的降温速率为小于或等于50℃/h。
10.如权利要求1所述锻钢飞轮转子的制备方法，其特征在于，所述飞轮转子锻件的有效截面尺寸为小于或等于500mm。
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Cited By (1)
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| CN116555671A (zh) * | 2022-06-28 | 2023-08-08 | 天津重型装备工程研究有限公司 | 一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法 |
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| CN106715935A (zh) * | 2014-08-26 | 2017-05-24 | 安珀动力能源公司 | 飞轮转子 |
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2021
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| CN116555671B (zh) * | 2022-06-28 | 2023-12-12 | 天津重型装备工程研究有限公司 | 一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法 |
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