风力发电作为一种新兴清洁能源,在我们的日常生活中发挥着越来越大的作用。与大型兆瓦级商用风力发电不同,千瓦级风力发电机主要满足家庭或农场的用电需求,AISI 4340风电主轴作为千瓦级风力发电机的核心部件,承受着复杂的应力状态,需要较高的强度和韧性。在实际生产中,通过使用专用工装,采用合理工艺参数和装炉方式,实现了风机主轴的少无畸变热处理。同传统的热处理方式相比，预冷淬火减小了工件开裂的风险,提高了生产效率。

风机主轴的技术要求

风机主轴是风力发电机的主要部件之一,客户技术要求该工件材质为AISI 4340，相当于40CrNi2MoA钢,其技术要求见表1。同时,要求对工件进行超声波和磁粉检测,分别达到EN10228-3的3级和EN 10228-1的3级水平。力学性能试样采用加长取样的方式,取样位置为距表面1/2R处,取样方向为纵向。

热处理工艺试验

风机主轴的生产工艺流程为:钢锭锯切→加热→锻造→热切→锻后热处理→粗加工→无损检测→调质→力学性能测试→粗加工→无损检测→精加工。AISI 4340属于高合金钢,具有很强的淬透性和淬硬性,为防止锻坯在锻后空冷时形成较大组织应力和热应力,将锻坯趁热装炉。同时,随炉降至300℃时进行等温加热,有利于锻坯内部氢的扩散,防止白点的形成,锻后热处理工艺曲线如图1所示。在正式进行生产之前,先选用AISI 4340试样进行工艺试验,然后对试块进行取样分析。第一次淬火回火试验,我们将回火温度定为560℃,调质工艺曲线如图2所示。回火后试块表面硬度为32.2~33.0 HRC,低于技术要求,取样分析发现拉伸试样的抗拉强度为1170 MPa,也低于技术要求,其他指标均满足技术要求。为了进一步验证技术参数,进行第二次工艺试验,将回火温度由第一次的560℃调整为540℃,其他工艺参数不变。第二次工艺试验结束后,对试块取样分析,结果如表2所示。从表2可知,经过850℃淬火,540℃回火的试块各项指标均满足技术要求。

风机主轴热处理

在工件正式热处理时,根据设计的方案,利用吊装带将工件垂直放入制作好的工装内,入炉后按工艺曲线进行加热和保温。出炉淬火前,测定淬火液浓度和温度,开启裘火液循环冷却系统,并利用手持红外测温仪监控工件表面温度。淬火时,考虑到AISl 4340钢材质的特殊性,在快速转移的条件下，实施预冷,在工件表面温度降至相应的温度时,快速淬入冷却介质中。在整个冷却过程中,让工件在淬火液中做上下运动,尽量减少左右晃动。冷却结束后,及时将工件放入回火炉内进行回火。

工件完成热处理后,降至室温,利用便携式里氏硬度计检测其表面硬度。经检测,第一炉产品表面硬度为37.7~41.7 HRC,同一件产品表面硬度偏差在2 HRC左右。硬度检测合格后,对加长件进行本体取样,结果如表3所示。同时,对试样的显微组织进行观察和分析,其显微组织如图4所示。从图中可以看出,回火后的组织由均匀的回火索氏体组成。

(1)通过热处理工艺试验和工件本体取样分析,千瓦级风机主轴通过锻后正火、回火、粗加工后调质处理,可以得到均匀的回火索氏体,工件获得较高强硬度和良好的低温冲击性能,表面硬度达到40.2 HRC,本体取样的力学性能R,为1140 MPa ,R.为1 250 MPa,A为14.5% ,Z为55% , Kv(-40 ℃)为40.0J,满足产品技术要求。

(2)采用自制工装,将工件垂直放置进行加热和冷却,可以有效减少热处理畸变,提高了生产效率。