CN116179805A - 一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法 - Google Patents

一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，技术方案包括：步骤S1，锻造成型后的空心主轴按阶梯加温至650℃±10℃保温，之继续加热至810～830℃后保温，出炉吊装空冷；步骤S2，空心主轴表面温度冷却到800～815℃，将空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却；步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8；步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷；步骤S6，加热至400～430℃保温，升温至600～630℃保温，之后空冷，本发明解决大型整支空心主轴淬火开裂问题，提高空心主轴的综合性能。

Description

一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法
技术领域
本发明涉及风电设备领域，尤其涉及一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法。
背景技术
风电是目前最为清洁的能源，也是全球备受关注的一个热点，但是风能充沛的地区一般戈壁滩或者海上环境，工作环境温差大，工作条件恶劣，风电设备需要经过受力情况复杂。伴随着工业技术发展，风电设备也向着大型化的方向发展，主轴是风电设备的核心，主轴承担了叶轮传递过来的各种载荷，主轴的质量关系风电设备的使用寿命，也就对于主轴的综合力学属性有了更高的要求。
目前公开号为CN104004965A名称为风电主轴用钢及热处理方法，化学元素质量百分数组成为：C0.3～0.38％；Mn0.53～0.75％；Si≤0.4％；P≤0.030％；Cr1.4～1.70％；Ni1.4～1.70％；Mo 0.15～0.30％；Cu≤0.25％；H≤0.02ppm；余量为Fe和其他不可避免的杂质，风电主轴用钢的热处理方法包括以下步骤：淬火：温度860-880℃，时间为14h，然后水冷80分钟。一种所述风电主轴用钢的热处理方法，淬火温度860-880℃，时间为14h，然后水冷80分钟。
但是风电主轴生产中存在以下问题：
1、在淬火以及之后水冷过程中，零件会经历250～300℃低温区，在MS点温度以下，在这个温度区间发生奥氏体向马氏体的转变，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观热处理应力，容易引起。
2、由于风电主轴尺寸大，外部和内部温度梯度大，在主轴外部遇冷之后，内外温度差距会加大，也会增加出现裂痕的可能性，主轴内孔边沿冷却速度过快，将导致裂纹、裂角现象。
3、淬火裂纹也和主轴的尺寸和形状有关，形状影响淬火应力的大小和分布，工件上的缺口、尖角、沟槽和转角都是淬火内应力集中处，容易出现裂痕，还有。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其优点在于解决大型整支空心主轴淬火开裂问题，同时缩短合金冷却流程，并且保证合金具有良好的综合力学性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，包括以下步骤：
步骤S1，锻造成型后的空心主轴按阶梯加温至650℃±10℃保温，之继续加热至810～830℃后保温，随后出炉吊装空冷；
步骤S2，当空心主轴表面温度冷却到800～815℃，将空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却；
步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8；
步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；
步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷；
步骤S6，空心主轴在进行回火处理，加热至400～430℃保温，再升温至600～630℃保温，之后空冷。
进一步的，在步骤S1中，空心主轴包括以下百分比含量的组份：C0.38～0.45％、Si≤0.40％、Mn 0.50～0.80％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.30％、Ni0.40～0.8％、H＜2ppm。
进一步的，在步骤S1中，在650℃±10℃阶段保温时间范围为2～6h。
进一步的，在步骤S1中，在810～830℃阶段保温时间为6～8h。
进一步的，在步骤S1中，空冷时间为5min。
进一步的，在步骤S2中，PAG介质槽的槽液温度在23～25℃。
进一步的，在步骤S6中，当空心主轴表面返温至250～300℃之间，空心主轴开始进行回火处理。
进一步的，在步骤S6中，在400～430℃温度阶段保温时间2～6h。
进一步的，在步骤S6中，在600～630℃温度阶段保温时间18～30h。
进一步的，在步骤S6中，升温速率控制在≤80℃/h。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.通过设置两阶段的锻造过程，制备奥氏体基体，之后采用PAG介质淬火，配合两阶段的回火，空心主轴最终组织得到回火索氏体，回火索氏体具有良好的韧性和强度，解决大型整支空心主轴淬火开裂问题，同时缩短合金冷却流程，并且保证合金具有良好的综合力学性能。
2.通过两个阶段锻造，空心主轴由珠光体和铁素体相变为奥氏体相，为后续的淬火工艺做好了准备工作。
3.通过PAG介质淬火，其与水相比冷却速度慢，减少零件开裂的风险，空心主轴以竖直状态整轴全部浸入槽中，液面覆盖主轴最上端，并且通过水泵喷水口管子从内部对空心主轴进行冷却，避免主轴内孔边沿冷却速度过快，将导致裂纹、裂角现象。
4.由于风电主轴的温度自内向外传递需要一个过程，所以风电主轴不同轴段的表面温度是有差异的，要严格控制PAG介质的流速，保证热量能及时完成交换，取得最佳的淬火效果。
附图说明
图1是一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法的步骤示意图。
图2是空心主轴的金相图。
图3是产品的圆周方向的金相图。
图4是产品的切向方向的金相图。
图5是产品的纵向方向的金相图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1：
一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，空心主轴包括以下百分比含量的组份：C 0.38～0.45％、Si≤0.40％、Mn0.50～0.80％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.30％、Ni0.40～0.8％、H＜2ppm。本实施例中，主轴除去法兰盘外的最大外径为0.75米，最大长度在3.22米。
将空心按阶梯加温至660℃，保温时间3h，升温速率≤80℃/h，继续加热至810℃后，保温6h，升温速率≤80℃/h，随后出炉吊装过程中冷却约5min。
步骤S2，当空心主轴的表面温度在802℃左右，主轴浸入PAG介质槽中，PAG是聚烷撑二醇，槽液温度在23～25℃，空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却。
步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8。本实施例中，泵口直径300mm，空心主轴内孔直径480～500mm。
步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；
步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷。
步骤S6，当空心主轴表面返温至250～300℃之间，空心主轴开始进行回火处理，加热至400℃保温，保温时间在2h，再升温至610℃保温，保温时间在20h，之后空冷，在加热过程中，升温速率控制在≤80℃/h。
实施例2：
一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，空心主轴包括以下百分比含量的组份：C 0.38～0.45％、Si≤0.40％、Mn0.50～0.80％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.30％、Ni0.40～0.8％、H＜2ppm。本实施例中，主轴除去法兰盘外的最大外径为0.75米，最大长度在3.22米。
将空心按阶梯加温至650℃±10℃，保温时间2～6h，升温速率≤80℃/h，继续加热至820℃后，保温6～8h，升温速率≤80℃/h，随后出炉吊装过程中冷却约5min。
步骤S2，当空心主轴的表面温度在810℃左右，主轴浸入PAG介质槽中，PAG是聚烷撑二醇，槽液温度在23～25℃，空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却。
步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8。本实施例中，泵口直径300mm，空心主轴内孔直径480～500mm。
步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；
步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷。
步骤S6，当空心主轴表面返温至250～300℃之间，空心主轴开始进行回火处理，加热至420℃保温，保温时间在4h，再升温至620℃保温，保温时间在25h，之后空冷，在加热过程中，升温速率控制在≤80℃/h。
实施例3：
实施例1：
与实施例1不同的步骤在于：
步骤S1，空心主轴包括以下百分比含量的组份：C 0.38～0.45％、Si≤0.40％、Mn0.50～0.80％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.30％、Ni0.40～0.8％、H＜2ppm。本实施例中，主轴除去法兰盘外的最大外径为0.75米，最大长度在3.22米。
将空心按阶梯加温至660℃，保温时间5h，升温速率≤80℃/h，继续加热至810℃后，保温6h，升温速率≤80℃/h，随后出炉吊装过程中冷却约5min。
步骤S2，当空心主轴的表面温度在815℃左右，主轴浸入PAG介质槽中，PAG是聚烷撑二醇，槽液温度在23～25℃，空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却。
步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8。本实施例中，泵口直径300mm，空心主轴内孔直径480～500mm。
步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；
步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷。
步骤S6，当空心主轴表面返温至250～300℃之间，空心主轴开始进行回火处理，加热至430℃保温，保温时间在6h，再升温至625℃保温，保温时间在30h，之后空冷，在加热过程中，升温速率控制在≤80℃/h。
产检综合性能检测：
样品：随机抽取圆棒拉伸试样1件。
拉伸试验：
Figure BDA0004091596820000071
Figure BDA0004091596820000081
冲击试验：
样品：随机V型冲击试样9件，并平均分成三个试验组。
Figure BDA0004091596820000082
表2
实验结果分析：
风电主轴，塑性延伸强度Rp0.2为737Mpa(处于指标690～840Mpa内)，抗拉强度为909Mpa(≥460Mpa)，伸长率A16.5％(＞12％)，断面收缩率61％。满足性能要求。产品在室温、-20℃和-40℃的温度条件下都能满足性能要求。并且该方法和传统水冷和油冷淬火相比冷却时间缩短10h以上，缩短了产品的制备周期。
产品金相检测：
检测方法：ASTM E112-2013。
验收指标：晶粒度≥6级。
检测结果：产品晶粒度见图2，产品晶粒度为7.5级。
组织指标：回火索氏体、马氏体。
检测结果：产品的圆周方向的组织见图3(放大倍数1000x)；产品的切向方向组织见图4(放大倍数1000x)；产品的纵向方向的组织见图5(放大倍数1000x)。组织为回火索氏体，符合指标要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，锻造成型后的空心主轴按阶梯加温至650℃±10℃保温，之继续加热至810～830℃后保温，随后出炉吊装空冷；
步骤S2，当空心主轴表面温度冷却到800～815℃，将空心主轴以竖直状态下放到PAG介质槽中冷却，液面覆盖主轴最上端，由水泵向空心主轴内孔中注入PAG加速冷却；
步骤S3，水泵喷水口管子直径控制：管口直径：空心主轴直径＝5：8；
步骤S4，水泵喷水口管子伸进空心轴内孔100～150mm处进行注入PAG；
步骤S5，PAG介质槽液水泵流量控制在600～1000m3/h，之后取出放置空冷；
步骤S6，空心主轴在进行回火处理，加热至400～430℃保温，再升温至600～630℃保温，之后空冷。
2.根据权利要求1所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S1中，空心主轴包括以下百分比含量的组份：C 0.38～0.45％、Si≤0.40％、Mn 0.50～0.80％、P≤0.035％、S≤0.02％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.30％、Ni0.40～0.8％、H＜2ppm。
3.根据权利要求1所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S1中，在650℃±10℃阶段保温时间范围为2～6h。
4.根据权利要求3所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S1中，在810～830℃阶段保温时间为6～8h。
5.根据权利要求1所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S1中，空冷时间为5min。
6.根据权利要求1所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S2中，PAG介质槽的槽液温度在23～25℃。
7.根据权利要求1所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S6中，当空心主轴表面返温至250～300℃之间，空心主轴开始进行回火处理。
8.根据权利要求7所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S6中，在400～430℃温度阶段保温时间2～6h。
9.根据权利要求8所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S6中，在600～630℃温度阶段保温时间18～30h。
10.根据权利要求9所述的一种超大功率风电机组轻量化高性能空心主轴热处理方法，其特征在于：在步骤S6中，升温速率控制在≤80℃/h。
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