CN114262846A - 一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺，以飞轮转子的总质量为基准计，飞轮转子的材料包括以下成分及质量百分比：C：0.38％‑0.40％，Si：0.15％‑0.30，Mn：0.70％‑0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.80％‑0.90％，Ni：1.75％‑2.00％，Mo：0.23％‑0.30％，V：0.015％‑0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。使用上述材料构成的飞轮转子经过调质热处理工艺后，有效改善了现有技术中，采用油淬的方式，导致飞轮转子的心部性能较差；或者采用水淬的方式，导致飞轮转子淬火开裂风险较高，无法满足工程应用要求的问题。

Description

一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺

技术领域

本发明涉及锻件热处理技术领域，具体涉及一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺。

背景技术

飞轮储能是一种物理储能技术，通过真空磁悬浮条件下高速旋转的飞轮转子来储存能量。当飞轮处于充电状态时，为电动机工作模式，其转速每分钟可达几万转，通过将电能转换为动能，储存能量；当飞轮处于放电状态时，为发电机工作模式，转速下降，通过将动能转化为电能，向负载释放电能。而飞轮转子是飞轮储能系统的关键部件，在工作过程中要承受很高的转速(转速可达到20000到50000rpm)，考虑到开机、停机以及其他原因造成的瞬间冲击震动和扭应力很大，因此要求锻件整个截面晶粒细小、均匀，且具有较好的心部性能。

热处理工艺是保证飞轮转子性能的关键因素，也是各研究单位的保密技术。热处理的目的是改善金属材料的铸造、锻造以及机加工后的金相组织与应力状态，并通过最终热处理工艺得到所需高强度的使用性能。但目前的淬火方式通常是通过油淬或水淬的方式将飞轮转子进行冷却，这导致飞轮转子心部性能较差或淬火风险较高，无法应用到实际工程实践中。因此，需要提供一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺。

发明内容

针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺，以改善现有技术中使用油淬或水淬的方式冷却飞轮转子，导致其心部性能较差或淬火风险较高的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提一种飞轮转子的材料，以飞轮转子的总质量为基准计，飞轮转子的材料包括以下成分及质量百分比：C：0.38％-0.40％，Si：0.15％-0.30，Mn：0.70％-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.80％-0.90％，Ni：1.75％-2.00％，Mo：0.23％-0.30％，V：0.015％-0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明一实施例中，还提供一种飞轮转子的调质热处理工艺，所述飞轮转子使用上述的飞轮转子的材料制造，所述飞轮转子的调质热处理工艺包括以下过程：

S1、将锻造成型并经过粗加工后的飞轮转子装炉，升温至650～690℃进行第一次保温处理；

S2、升温至845～875℃进行第二次保温处理；

S3、将第二次保温处理后的飞轮转子进行PVP淬火；

S4、将淬火后的飞轮转子装炉，升温至540～610℃，进行保温处理，保温结束后，炉冷至小于或等于400℃时出炉。

在本发明一实施例中，在步骤S1中，所述保温温度为670℃。

在本发明一实施例中，在步骤S1中，所述第一次保温处理的过程中，每100mm直径保温0.3～0.8h。

在本发明一实施例中，步骤S1中，所述飞轮转子装炉时，炉温小于或等于400℃。

在本发明一实施例中，步骤S1中，每小时升温小于等于70℃。

在本发明一实施例中，在步骤S2中，所述第二次保温处理的过程中，每100mm直径保温1.0～1.5h。

在本发明一实施例中，在步骤S2中，每小时升温小于等于100℃。

在本发明一实施例中，步骤S2中，保温温度为860℃。

在本发明一实施例中，步骤S3中，PVP淬火液的浓度为11.5％-13％，PVP淬火液的温度为30-50℃。

在本发明一实施例中，步骤S3的过程为：

S31、将飞轮转子全部没入PVP淬火液中冷却，达到设定时间后取出；

S32、将飞轮转子放置于空气中空冷至设定时间，测量飞轮转子的轴身返温温度，并判断轴身温度是否小于或等于210℃；

S33、若所述轴身温度大于210℃，重复执行步骤S31和S32直至飞轮转子的轴身温度小于或等于210℃。

在本发明一实施例中，自飞轮转子出炉开始计时，直至所述飞轮转子全部没入PVP淬火液中为止，所用时间小于或等于3分钟。

在本发明一实施例中，所述飞轮转子在所述PVP淬火液的总冷却时间控制在130-170分钟。

在本发明一实施例中，淬火过程中全程用搅拌泵搅拌。

在本发明一实施例中，步骤S3中，空冷10分钟后用红外线测温枪测量飞轮转子的轴身表面温度。

在本发明一实施例中，步骤S4包括以下过程：

S41、将飞轮转子装炉，升温至230～280℃，进行第三次保温处理；

S42、升温至540～610℃，进行第四次保温处理；

S43、炉冷至小于或等于400℃时出炉。

在本发明一实施例中，步骤S42中，保温温度为580℃。

综上所述，本发明提供一种飞轮转子的材料和飞轮转子的调质热处理工艺，以飞轮转子的总质量为基准计，飞轮转子的材料包括以下成分及质量百分比：C：0.38％-0.40％，Si：0.15％-0.30，Mn：0.70％-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.80％-0.90％，Ni：1.75％-2.00％，Mo：0.23％-0.30％，V：0.015％-0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。使用上述材料构成的飞轮转子经过调质热处理工艺后，有效改善了现有技术中，采用油淬的方式，导致飞轮转子的心部性能较差；或者采用水淬的方式，导致飞轮转子淬火开裂风险较高，无法满足工程应用要求的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示为本发明一实施例中热处理工艺的加热曲线图；

图2显示为本发明一实施例中飞轮转子的调质热处理工艺的流程示意图；

图3显示为本发明一实施例中步骤S3的流程示意图；

图4显示为本发明一实施例中步骤S4的流程示意图；

图5显示为本发明一实施例中飞轮转子的调质取样示意图；

图6显示为本发明一实施例中第一飞轮转子的金相照片，图6a显示为晶粒度在100倍光镜下的金相照片，图6b显示为组织在500倍光镜下的金相照片；

图7显示为本发明一实施例中第二飞轮转子的金相照片，其中，图7a显示为晶粒度在100倍光镜下的金相照片，图7b显示为组织在500倍光镜下的金相照片。

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，同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明提供一种飞轮转子的材料，为保证飞轮转子的心部性能合格，采用深冷的方式冷却飞轮转子，同时为了保证工件不能被淬裂，飞轮转子材料的化学成分要求见表1。采用本发明所述的飞轮转子材料和飞轮转子的调质热处理工艺，可满足产品力学性能要求：屈服强度Rp0.2的范围为700-827MPa，拉伸端头检硬度的范围为270-310HB。

表1飞轮转子成分控制表(单位：％)

在本发明一实施例中，以飞轮转子的总质量为基准计，第一飞轮转子的材料包括以下成分及质量百分比：C：0.39％，Si：0.25％，Mn：0.74％，P：0.010％，S：0.005％，Cr：0.85％，Ni：1.88％，Mo：0.27％，V：0.022％，余量为Fe和不可避免的杂质。第二飞轮转子的材料包括以下成分及质量百分比：C：0.40％，Si：0.23％，Mn：0.76％，P：0.009％，S：0.005％，Cr：0.87％，Ni：1.90％，Mo：0.26％，V：0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。

请参阅图1和图2，图1显示为本发明一实施例中热处理工艺的加热曲线图，图2显示为本发明一实施例中飞轮转子的调质热处理工艺的流程示意图。飞轮转子使用上述组分材料制造而成，飞轮转子的调质热处理工艺包括以下过程：

S1、将锻造成型并经过粗加工后的飞轮转子装炉，升温至650～690℃进行第一次保温处理。

首先在炉内温度小于或等于400℃时，将飞轮转子装入炉中，以每小时小于等于70℃的速度进行升温。当炉内温度达到650～690℃时进行第一次保温处理，第一次保温处理的时间为0.3～0.8h/100mm(即飞轮转子每100mm直径保温0.3～0.8h)。

S2、升温至845～875℃进行第二次保温处理。

将第一次保温处理后的飞轮转子以每小时小于等于100℃的升温速度快速升温至845～875℃，并进行第二次保温处理，第二次保温处理的时间为1.0～1.5h/100mm(即飞轮转子每100mm直径保温1.0～1.5h)。

S3、将第二次保温处理后的飞轮转子进行PVP淬火。

如图1和图3所示，图3显示为本发明一实施例中步骤S3的流程示意图。进一步地，步骤S3的过程为：

S31、将飞轮转子全部没入PVP淬火液中冷却，达到设定时间后取出；

S32、将飞轮转子放置于空气中空冷至设定时间，测量飞轮转子的轴身返温温度，并判断轴身温度是否小于或等于210℃；

S33、若所述轴身温度大于210℃，重复执行步骤S31和S32直至飞轮转子的轴身温度小于或等于210℃。

将第二次保温处理后的飞轮转子进行深冷，过程如下：将飞轮转子用链条吊起放入PVP淬火液中，自飞轮转子全部出炉开始计时，直至飞轮转子全部没入PVP淬火液中，所用时间需要控制在小于或等于3分钟。其中，冷却介质采用浓度为11.5％-13％的PVP淬火液，并全程进行淬火液循环，控制PVP温度全程在30-50℃之间。使用搅拌泵全程搅拌PVP淬火液，并控制总冷却时间在130-170分钟。出PVP淬火液后空冷，10分钟后用红外线测温枪测温，若轴身表面温度仍大于210℃，则继续进行淬火和空冷操作，直至轴身表面温度小于或等于210℃。

S4、将淬火后的飞轮转子装炉，升温至540～610℃，进行保温处理，保温结束后，炉冷至小于或等于400℃时出炉。

如图1和图4所示，图4显示为本发明一实施例中步骤S4的流程示意图。在本发明一实施例中，步骤S4包括以下过程：

S41、将飞轮转子装炉，升温至230～280℃，进行第三次保温处理；

S42、升温至540～610℃，进行第四次保温处理；

S43、炉冷至小于或等于400℃时出炉。

将淬火后的飞轮转子进行回火，装炉后升温至230～280℃，进行第三次保温处理，第三次保温处理的时间为0.3～0.8h/100mm(即飞轮转子每100mm直径保温0.3～0.8h)。再将第三次保温处理后的飞轮转子，以每小时小于或等于70℃的升温速度，升温至540～610℃进行第四次保温处理。第四次保温处理的时间为2.5～3.5h/100mm(即飞轮转子每100mm直径保温2.5～3.5h)。炉冷至小于或等于400℃时出炉。

如图5所示，图5显示为本发明一实施例中飞轮转子的调质取样示意图。采用上述成分和热处理工艺制造的飞轮转子，通过在飞轮转子轴身处的中心位置，取两根径向拉伸试样。分别为第一试样1和第二试样2，用于检测。检测结果符合技术要求，具体见表2。

表2飞轮转子性能结果

如图6至图7所示，图6显示为本发明一实施例中第一飞轮转子的金相照片，其中，图6a显示为晶粒度在100倍光镜下的金相照片，图6b显示为组织在500倍光镜下的金相照片，图7显示为本发明一实施例中第二飞轮转子的金相照片，其中，图7a显示为晶粒度在100倍光镜下的金相照片，图7b显示为组织在500倍光镜下的金相照片。飞轮转子经过上述热处理工艺后，将拉伸端头加工成Φ20×20mm的金相试样后，进行晶粒度和组织检验，组织为回火S+B，由图6和图7可见，第一飞轮转子和第二飞轮转子的晶粒度均达到6级。

综上所述，本发明的热处理过程中，充分考虑到飞轮转子心部性能较难达到，在飞轮转子中加入V元素，有效提高了飞轮转子的淬透性和屈服强度；考虑到此材质在淬火过程中容易开裂这一特性，选择使用PVP淬火液进行冷却。使得最终获得的飞轮转子的心部性能得到极大提升，改善了飞轮转子的晶粒度，使得截面的晶粒细小、均匀。所以，本发明具有很高的利用价值和使用意义。

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)

1.一种飞轮转子的材料，其特征在于，以所述飞轮转子的总质量为基准计，所述飞轮转子包括以下成分及质量百分比：C：0.38％-0.40％，Si：0.15％-0.30，Mn：0.70％-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Cr：0.80％-0.90％，Ni：1.75％-2.00％，Mo：0.23％-0.30％，V：0.015％-0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种飞轮转子的调质热处理工艺，所述飞轮转子使用权利要求1所述的飞轮转子的材料制造，其特征在于，所述飞轮转子的调质热处理工艺包括以下过程：

S1、将锻造成型并经过粗加工后的飞轮转子装炉，升温至650～690℃进行第一次保温处理；

S2、升温至845～875℃进行第二次保温处理；

S3、将第二次保温处理后的飞轮转子进行PVP淬火；

S4、将淬火后的飞轮转子装炉，升温至540～610℃，进行保温处理，保温结束后，炉冷至小于或等于400℃时出炉。

3.根据权利要求2所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，在步骤S1中，所述第一次保温处理的过程中，每100mm直径保温0.3～0.8h。

4.根据权利要求2所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，在步骤S2中，所述第二次保温处理的过程中，每100mm直径保温1.0～1.5h。

5.根据权利要求2所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，步骤S1中，所述飞轮转子装炉时，炉温小于或等于400℃。

6.根据权利要求2所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，步骤S3中，PVP淬火液的浓度为11.5％-13％，PVP淬火液的温度为30-50℃。

7.根据权利要求6所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，步骤S3的过程为：

S31、将飞轮转子全部没入PVP淬火液中冷却，达到设定时间后取出；

S32、将飞轮转子放置于空气中空冷至设定时间，测量飞轮转子的轴身返温温度，并判断轴身温度是否小于或等于210℃；

S33、若所述轴身温度大于210℃，重复执行步骤S31和S32直至飞轮转子的轴身温度小于或等于210℃。

8.根据权利要求7所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，自飞轮转子出炉开始计时，直至所述飞轮转子全部没入PVP淬火液中为止，所用时间小于或等于3分钟。

9.根据权利要求7所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，所述飞轮转子在所述PVP淬火液的总冷却时间控制在130-170分钟。

10.根据权利要求2所述的飞轮转子的调质热处理工艺，其特征在于，步骤S4包括以下过程：

S41、将飞轮转子装炉，升温至230～280℃，进行第三次保温处理；

S42、升温至540～610℃，进行第四次保温处理；

S43、炉冷至小于或等于400℃时出炉。

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