CN117548607A - 一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，以42CrMo4的连铸圆坯为坯料，依次包括锻造工序和锻后热处理工序，锻造工序包括镦拔、冲孔、修整成型、辗环步骤，锻后热处理工序包括正回火处理和调质热处理步骤；锻造步骤包括交替进行的N次镦粗和N+1次拔长；N为3或4；以镦粗前后的锻件长度比值为单次镦粗锻造比计，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.2～8.1。采用大直径连铸圆坯作为锻造坯料，克服模铸钢锭作为坯料所导致的冒口水口成分差异缺陷，通过多次镦拔以及优选的锻造比，充分锻合疏松和缩孔等内部缺陷，通过中心冲孔有效去除连铸坯中心疏松缺陷，通过辗环和锻后热处理，得到金相组织和整体硬度均匀的输入法兰产品。
Description
技术领域
本发明涉及法兰锻件技术领域，具体涉及一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法。
背景技术
风电主轴传动的动力通过风电齿轮箱输入法兰传递至行星架。作为下一级的动力，输入法兰与行星架通过花键联接来传递载荷。随着风电机组的传动功率的提升，风电齿轮箱输入法兰的尺寸要求也相应增大。风电齿轮箱输入法兰的工艺要求主要包括：可靠性高，内部不能存在疏松，纯净度要求高、金相组织均匀，工件表面硬度均匀性好等。
输入法兰的金属坯料包括连铸圆坯和模铸钢坯两种，传统生产多采用模铸钢坯。大型材模铸钢满足大型材生产对致密度的高要求，并能提供高屈服强度和冲击功，但其缺陷在于：钢锭越大，冒口端与水口端的原材料成分差异越大，例如碳重量百分比差异大。经过锻造和锻后热处理，原材料成分差异最终导致法兰产品局部硬度差异。而连铸圆坯不存在冒口和水口成分差异；但其凝固方式决定了坯料中容易出现影响锻件性能的中心偏析、疏松和缩孔等内部缺陷，这也使得将连铸圆坯用作大型材生产原料受限，尤其是在重量达20吨左右的特大型输入法兰锻件的生产中。
输入法兰锻造原料的牌号为42CrMo4，与CN102703818A所记载的元素相近。CN102703818A公开的调质过程包括650±10℃保温均热、850±10℃保温均热、炉外水冷、回火610±10℃和空冷步骤。将上述调质工艺用于以连铸圆坯为原料的输入法兰生产时，产品材料的塑性指标会出现劣化，主要是断面收缩率和冲击功两个指标。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，通过采用多次镦拔和合适的锻造比，有效锻合锻件的内部疏松缺陷，提高锻件中心部分金属的致密程度，降低材料整体偏析，工件整体硬度和组织分布均匀，力学性能达到预定的生产要求。
为了实现上述技术效果，本发明的技术方案为：一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，以42CrMo4的连铸圆坯为坯料，依次包括锻造工序和锻后热处理工序，所述锻造工序包括镦拔、冲孔、修整成型、辗环步骤，所述锻后热处理工序包括正回火处理和调质热处理步骤；
锻造步骤包括交替进行的N次镦粗和N+1次拔长；N为3或4；
以镦粗前后的锻件长度比值为单次镦粗锻造比计，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.2～8.1。进一步的，N为4。进一步的，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.5～8.0，更进一步的，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.7～7.95。具体的，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.2、7.3、7.41、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1点值以及以上述两个数值作为最大值和最小值的区间。
优选的技术方案为，冲孔步骤为毛坯的中心冲孔，孔直径与孔径向坯料直径的比值为(0.25～0.35)：1。进一步的，孔直径与孔径向坯料直径的比值为(0.27～0.35)：1，更进一步的，孔直径与孔径向坯料直径的比值为(0.285～0.335)：1。具体的，孔直径与孔径向坯料直径的比值为0.25：1、0.26：1、0.27：1、0.28：1、0.29：1、0.3：1、0.31：1、0.32：1、0.33：1、0.34：1、0.35：1点值以及以上述两个数值作为最大值和最小值的区间。
优选的技术方案为，所述N为4；
第一次镦粗和第二次镦粗的镦粗锻造比为1.55～1.8；
第三次镦粗的镦粗锻造比为1.47～1.75；
第四次镦粗的镦粗锻造比为2.5～2.9。
进一步的，第一次镦粗和第二次镦粗的镦粗锻造比为1.63～1.78；第三次镦粗的镦粗锻造比为1.59～1.69，第四次镦粗的镦粗锻造比为2.7～2.84；更进一步的，第一次镦粗的镦粗锻造比大于第二次镦粗的镦粗锻造比。
优选的技术方案为，以拔长前后的锻件长度比值为单次拔长锻造比计，
第一次拔长的拔长锻造比为0.56～0.78；
第二次拔长和第三次的拔长锻造比均为0.50～0.72。
进一步的，第一次拔长的拔长锻造比为0.62～0.74；第二次拔长和第三次的拔长锻造比均为0.55～0.67。
优选的技术方案为，所述坯料的直径为1180～1270mm；所述输入法兰的内径为2200～2300mm，内径和外径之差为380～480mm。
优选的技术方案为，所述锻造工序的锻件温度为1220～850℃，所述锻造工序采用两火次锻造成型。
优选的技术方案为，按重量百分比计，所述连铸圆坯的元素组成为：
C：0.38％～0.45％、Si：≤0.4％、Mn：0.6％～0.9％、Cr：0.9％～1.2％、Mo：0.15％～0.3％、Ni：≤0.3％、Al：0.02％～0.05％、Cu：≤0.2％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：≤0.035％、Sn：≤100ppm、Pb：≤100ppm、Sb：≤100ppm、Bi：≤100ppm、As：≤150ppm、Ca：≤10ppm、Ti：≤80ppm、H：≤2ppm、O：≤20ppm、N：≤100ppm，余量为Fe。
优选的技术方案为，所述正回火处理包括：
正火：锻件装炉后升温至900±20℃，保温13～16h，冷却至300～500℃；
回火：炉内温度升温至690±20℃，保温20～23h，随后空冷。
进一步的，正火的锻件装炉后升温至900±10℃；进一步的，回火的炉内温度升温至690±10℃。
优选的技术方案为，调质热处理包括：
650±20℃装炉，保温2.5～3.5h，以≤100℃/h的速率升温至860±20℃，出炉淬水，冷却至200～300℃；
炉内温度以≤100℃/h的速率回火升温至543±20℃，保温15～18h，空冷。
进一步的，装炉温度为650±10℃；进一步的，以70～90℃/h的速率升温至860±10℃；进一步的，调质回火升温至543±10℃。更进一步的，升温速率为75～85℃/h。
优选的技术方案为，正火步骤中锻件的冷却包括：首先空冷25～55min，随后炉冷至300～500℃。进一步的，空冷25～55min后的锻件温度为650～800℃。
本发明的优点和有益效果在于：
该大型风电齿轮箱输入法兰采用大直径连铸圆坯作为锻造坯料，克服模铸钢锭作为坯料所导致的冒口水口成分差异缺陷，通过多次镦拔以及优选合适的锻造比，充分锻合远离坯料中心处的疏松和缩孔等内部缺陷，然后通过中心冲孔有效去除连铸坯中心疏松缺陷，最后通过辗环和锻后热处理，得到金相组织和整体硬度均匀的输入法兰产品；
输入法兰满足预定的非金属夹杂物、低倍组织、晶粒度、金相组织、带状组织、硬度、机械性能、淬透性和超声探伤要求，塑性指标优良，质量稳定，适于量产。
附图说明
图1是实施例1大型风电齿轮箱输入法兰调质后的500倍组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
连铸圆坯
除常规的主要元素如C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Al、Cu、H、O、N等的重量百分比限定外，作为大型风电齿轮箱输入法兰坯料的连铸圆坯还进一步限定了Ti、As、Sn、Pb、Sb、Bi六大残余元素，包括单种残留元素的重量百分比限定以及六大残余元素重量百分比之和的限定，从源头降低锻件中夹杂物含量，减少偏析。
具体的，在已知产品尺寸规格的基础上，选择预定尺寸的连铸圆坯。与模铸钢锭相比，连铸圆坯作为锻造坯料的材料利用率更高，利于降低生产成本。
锻造比与中心冲孔的尺寸
镦粗和拔长的作用消除铸态缺陷和形成纤维组织。消除铸态缺陷包括打破粗大不均的晶粒并使之再结晶，锻合没有发生氧化的气泡和疏松组织；形成纤维组织是指使晶粒之间的氧化物、硫化物等杂质在金属内、晶粒之间形成有规律、定向分布的纤维组织；
基于预定组成、尺寸的连铸坯，优选的锻造比之和以及进一步的镦粗锻造比、拔长锻造比有助于获得优良的消除缺陷效果以及纤维形成程度，以使连铸坯导致的中心缺陷主要集中在预定的中心冲孔位置，通过冲孔去除。
基于相同尺寸的锻件，与模铸坯中心冲孔的尺寸(孔径)相比，连铸坯中心冲孔的尺寸更大，以确保中心缺陷的充分冲除。
可以理解的是，经过镦粗拔长后，围合于中心冲孔外周的毛坯周向表面为圆弧面，孔径向坯料直径即为中心冲孔径向上圆弧面的最大直径。
锻后热处理
锻后热处理包括正回火和调质两步。正火的作用在于促使晶粒细化以提高硬度；促进晶粒重排以提高强度；释放金属材料内部应力以提高韧性。调质可调整材料组织结构、使组织更趋均匀、消除内应力，提升金属材料的机械性能和耐腐蚀性能，消除内部缺陷。
基于锻造工序得到的法兰毛坯，正回火部分采用先空冷后炉冷的顺序控制锻件的冷却速率，充分释放大型锻件的内应力，
调质过程中优选的回火温度利于提升工件的强度和塑形指标，尤其是断面收缩率和冲击功两个指标。
关于温度
以T1为示例温度，T1±10℃表示的温度范围为(T1-10)～(T1+10)℃，包括T1-10℃、T1+10℃两个温度范围的端点值。
实施例
实施例1
材料牌号：42CrMo4；
下料规格：兴澄Φ1200连铸坯；
落料重量20000kg；
化学成分按照以下元素重量百分比限定连铸：C：0.38％～0.45％、Si：≤0.4％、Mn：0.6％～0.9％、Cr：0.9％～1.2％、Mo：0.15％～0.3％、Ni：≤0.3％、Al：0.02％～0.05％、Cu：≤0.2％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：≤0.035％、Sn：≤100ppm、Pb：≤100ppm、Sb：≤100ppm、Bi：≤100ppm、As：≤150ppm、Ca：≤10ppm、Ti：≤80ppm、H：≤2ppm、O：≤20ppm、N：≤100ppm，余量为Fe。
具体为C：0.44％、Si：0.29％、Mn：0.79％、Cr：1.09％、Mo：0.21％、Ni：0.04％、Al：0.032％、Cu：0.02％、P：0.011％、S：0.003％、Sn：20ppm、Pb：10ppm、Sb：30ppm、Bi：10ppm、As：40ppm、Ca：2ppm、Ti：10ppm、H：0.3ppm、O：9ppm、N：37ppm，余量为Fe。
大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法包括以下步骤：
S1：一火加热至最高1220℃；
S2：Φ1200、长约2250mm的圆坯采用四镦三拔作业，先镦粗至1300±15mm，后拔长至1900±15mm，然后镦粗至1100±15mm，再拔长至1800±15mm，接着镦粗至1100±15mm，再拔长至1800±15mm，最后镦粗至650±15mm；
S3：中间冲孔Φ700mm；
S4：修整成型；
S5：二火加热至最高1220℃；
S6：采用辗环机将锻件尺寸辗至外径3197±12mm，内径2064±10mm，长度520±12mm；
S7：正火：锻件装炉后以80℃/h的升温速率升温至900±10℃，保温14～15h，冷却至300～500℃；
回火：炉内温度升温至690±10℃，保温21～22h，空冷25～55min至640±10℃左右，随后炉冷至300～500℃。
S8：650±20℃装炉，保温2～3h，以≤80℃/h的速率升温至860±10℃，出炉淬水，冷却至200～300℃；
炉内温度以≤80℃/h的速率回火升温至543±10℃，保温16～17h，空冷。
实施例1的性能检测如下：
1、按照GB/T10561《钢中非金属夹杂物含量的测定》的A方法，夹杂物级别符合下表等级要求：细系A/B/C/D为0.5/0.5/0/0.5；粗系A/B/C/D为0/0/0/0；DS为0；
2、参照GB/T6394检测奥氏体晶粒度，平均晶粒度级别达到7.5级；
3、按照GB/T13320标准评定金相组织：铁素体+珠光体1-3，回火索氏体+少量铁素体2.0，如图1所示；
4、取样位置1/2半径处。带状组织需在平衡组织状态下检验，推荐热处理温度：920℃保温30分钟空冷至650℃保温60分钟，空冷。评定和检测按GB/T 34474.1标准进行：带状组织横向0，切向1.0；
5、按照GB/T 13299《钢的显微组织评定方法》评定带状组织：切向带状组织≤2级，横向带状组织≤2级；
6、硬度值290-320HB。单件硬度值≤30HB，同批硬度差值≤30HB，合格；
7、试样(尺寸Φ10.02mm)拉伸机械性能：抗拉强度(Rm)1019MPa，屈服强度(Rp0.2)868MPa，断后伸长率(A)16.5％，断面收缩率(Z)53％，冲击1为88J，冲击2为84J，冲击3为84J。
8、输入法兰淬透性符合GB/T5216、BS-EN10083、BS-EN10084的规定(42CrMoA/42CrMo4为850±5℃，端淬距离5mm处的硬度为58.5HRC，端淬距离9mm处的硬度为57.5HRC，端淬距离15mm处的硬度为57HRC，端淬距离30mm处的硬度为50.5HRC，端淬距离40mm处的硬度为46HRC。
9、参照JB/T5000.15标准执行超声波探伤，调质钢锻件齿部区域缺陷类型的质量符合Ⅲ级，非齿部区域复合Ⅰ级，合格。
实施例2
以模铸钢锭作为原料，试样采用与实施例相同的生产工艺。模铸钢锭的元素如下：
C：0.39％、Si：0.28％、Mn：0.71％、Cr：1.09％、Mo：0.20％、Ni：0.22％、Al：0.037％、Cu：0.057％、P：0.008％、S：0.002％、Sn：20ppm、Pb：10ppm、Sb：10ppm、Bi：10ppm、As：40ppm、Ca：1ppm、Ti：20ppm、H：0.4ppm、O：10ppm、N：42ppm，余量为Fe。
实施例2输入法兰淬透性符合GB/T5216、BS-EN10083、BS-EN10084的规定(42CrMoA/42CrMo4为850±5℃，端淬距离5mm处的硬度为56.4HRC，端淬距离9mm处的硬度为53.5HRC，端淬距离15mm处的硬度为50.1HRC，端淬距离30mm处的硬度为48.6HRC，端淬距离40mm处的硬度为42.5HRC。
实施例2晶粒度奥氏体7.5，平均晶粒度6.5。
实施例2试样(尺寸Φ10.02mm)拉伸机械性能：抗拉强度(Rm)1129MPa，屈服强度(Rp0.2)1016MPa，断后伸长率(A)15.5％，断面收缩率(Z)58％，冲击1为70J，冲击2为73J，冲击3为72J。
实施例2输入法兰试样的抗拉强度和屈服强度优于实施例1，但冲击和淬透性测试；劣于实施例1，说明连铸坯作为原材料，更利于获得钢件整个截面获得均匀一致的力学性能。
实施例2模铸钢锭需要去除预定的水口和冒口，生产输入法兰的原料利用率低于连铸圆坯。
实施例3
实施例3基于实施例1，区别在于试样的回火步骤：炉内温度升温至675±10℃，保温21～22h，空冷25～55min至620±10℃左右，随后炉冷至300～500℃。
试样(尺寸Φ10.02mm)拉伸机械性能：抗拉强度(Rm)1011MPa，屈服强度(Rp0.2)864MPa，断后伸长率(A)15.9％，断面收缩率(Z)50.8％，冲击1为80J，冲击2为77J，冲击3为78J。
调质回火温度降低，影响输入法兰的组织均匀性，以连铸圆坯为原料的塑性指标断面收缩率和冲击均较实施例1差。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，以42CrMo4的连铸圆坯为坯料，依次包括锻造工序和锻后热处理工序，所述锻造工序包括镦拔、冲孔、修整成型、辗环步骤，所述锻后热处理工序包括正回火处理和调质热处理步骤；
锻造步骤包括交替进行的N次镦粗和N+1次拔长；N为3或4；
以镦粗前后的锻件长度比值为单次镦粗锻造比计，N次镦粗的镦粗锻造比之和为7.2～8.1。
2.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，冲孔步骤为毛坯的中心冲孔，孔直径与孔径向坯料直径的比值为(0.25～0.35)：1。
3.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，所述N为4；
第一次镦粗和第二次镦粗的镦粗锻造比为1.55～1.8；
第三次镦粗的镦粗锻造比为1.47～1.75；
第四次镦粗的镦粗锻造比为2.5～2.9。
4.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，以拔长前后的锻件长度比值为单次拔长锻造比计，
第一次拔长的拔长锻造比为0.56～0.78；
第二次拔长和第三次的拔长锻造比均为0.50～0.72。
5.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，所述坯料的直径为1180～1270mm；所述输入法兰的内径为2200～2300mm，内径和外径之差为380～480mm。
6.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，所述锻造工序的锻件温度为1220～850℃，所述锻造工序采用两火次锻造成型。
7.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，按重量百分比计，所述连铸圆坯的元素组成为：
C：0.38％～0.45％、Si：≤0.4％、Mn：0.6％～0.9％、Cr：0.9％～1.2％、Mo：0.15％～0.3％、Ni：≤0.3％、Al：0.02％～0.05％、Cu：≤0.2％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：≤0.035％、Sn：≤100ppm、Pb：≤100ppm、Sb：≤100ppm、Bi：≤100ppm、As：≤150ppm、Ca：≤10ppm、Ti：≤80ppm、H：≤2ppm、O：≤20ppm、N：≤100ppm。
8.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，所述正回火处理包括：
正火：锻件装炉后升温至900±20℃，保温13～16h，冷却至300～500℃；
回火：炉内温度升温至690±20℃，保温20～23h，随后空冷。
9.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，调质热处理包括：
650±20℃装炉，保温2.5～3.5h，以≤100℃/h的速率升温至860±20℃，出炉淬水，冷却至200～300℃；
炉内温度以≤100℃/h的速率回火升温至543±20℃，保温15～18h，空冷。
10.根据权利要求1所述的大型风电齿轮箱输入法兰的生产方法，其特征在于，正火步骤中锻件的冷却包括：首先空冷25～55min，随后炉冷至300～500℃。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117778897A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-03-29 | 江阴方圆环锻法兰有限公司 | 一种高晶粒度稳定性行星轮锻件的生产方法 |
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2023
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