42CrMoA钢内齿圈的热处理工艺改进

杜国领

摘 要：在风力发电机组中，增速箱内齿圈是最为关键的组成部件，在风力作用下，与齿轮等相关组件共同承担着产生动力传递作用，使发电机得到相应的转速，因此，在实际工作中，对内齿圈的使用寿命和可靠性具有更高的要求，材料特性应该满足相应的力学强度条件和极端温差条件，比如在冷热温差和低温冷脆性的影响下，材料的尺寸稳定等。

关键词：42CrMoA钢；内齿圈；热处理；工艺改进；风力发电；增速箱

在热处理工艺中，为了使内齿圈的承载能力得到提高，在制造内齿圈的过程中，采用的合金钢都是比较优质的，常用的材料有34Cr2Ni2MoA、42CrMoA等，加工路线：第一步锻造毛坯，第二步粗插齿，第三步热处理工艺，第四步磨齿操作。由于内齿圈的尺寸比较大，对力学性能和壁薄具有较高要求，因此，对热处理工艺要求比较严格。本文对42CrMoA钢内齿圈的性能和改进措施进行探讨。

1 热处理工艺及相关技术要求

对于2MW的风力发电机组而言，内齿圈调质毛坯尺寸：120mm为壁厚，1900mm为外直径，质量为2700kg， 42CrMoA钢为内齿圈的材料，根据相应的客户技术协议对内齿圈的力学性能进行验收，内齿圈的截面尺寸范围为101-160mm，参考硬度的范围为270-300HB。在毛坯正火后调质处理过程中，在相关技术要求和工件特点的基础上，对热处理工艺进行确定，使用普通无保护气氛的井式电阻加热炉进行正火后调质，控制温度的精确度为±100℃，采用N32机械淬火油作为淬火介质，冷却速度最大为69℃/s，同时应该保持较高的回火温度，最好为510℃。经过调质处理后，内齿圈相应的力学性能基本符合标准，比如伸长率、屈服强度、抗拉强度等，但是如果冲击吸收能量远远低于标准值30J，表示内齿圈不合格。必须重新测试，对力学性能进行校正，尽量使所有性能数据完全符合标准。

2 影响内齿圈性能的原因分析及工艺改进措施

2.1 42CrMoA钢硬度分析和影响内齿圈性能的原因分析

42CrMoA钢硬度分析：在不同的淬火温度与回火温度下，对 42CrMoA钢予以处理，可以看出：（1） 42CrMoA钢淬火后的硬度与淬火温度有极大关系，980℃淬火获得的最高硬度为63-65HR℃；（2） 42CrMoA钢的回火稳定性高，980-1040℃淬火，200℃给予两次回火处理，每次2h，硬度为59.5-60.5HR℃，250℃回火1h，硬度为58.5-59.5HR℃；（3）520℃回火两到三次，“二次硬化”硬度最高为60.5-61HR℃。采用抑制上贝氏体针形成工艺措施可以提高42CrMoA钢的硬度，进而提高内齿圈的耐磨性。校正炉温后对42CrMoA钢压坯芯热处理所得到的硬度虽然均为一次硬化的热处理，硬度为60HRC，装机使用6-8万次以上稍见磨损，超过以前GCr15钢制作的压坯芯，但淬火及回火之间增加一道深冷工序，残留炭素体量约有下降趋势，平均硬度已达到63HRC，个别工件硬度可达到65HRC左右，装机使用10-13万次也未见明显磨损，使工效大为提高。因此，我们认为，42CrMoA钢经常规的二次硬化热处理（高温淬火后不经冷处理而采用3-4次回火）可以获得60HRC以上的硬度。

影响内齿圈性能的原因分析：在内齿圈的生产过程中，以批量生产为主，一旦发现内齿圈性能存在问题，必须马上对该批次的相关生产记录进行核查，核查内容主要包括：回火过程、淬火过程、正火过程、超声波探伤过程等，并对零件的化学成分进行检测，比如金属镍（0.10%）、铜（0.06%）、钼（0.16%）、铬（1.02%）、单质硫（0.002%）、单质磷（0.010%）、金属锰（0.74%）、硅（0.32%）、碳（0.42%）等，数据显示并没有发现什么异常。接着对金相组织进行检查，经过正火和调质后，工件的氧化脱碳层深显示为0.45-0.6mm。经过分析，工件在淬火时，淬火油缺乏冷却能力，致使淬火操作不能充分完成，导致有大量的先共析铁素体和上贝氏体存在于组织中。在上贝氏体的形成过程中，需要较高的温度，在上贝氏体中，铁素体具有较宽的条状晶粒，塑变抗力非常低；并且在铁素体条状之间分布有大量渗碳体，很容易出现脆断现象，在这种片条状组织下，内齿圈具有较高的抗拉强度，反而冲击吸收能量和屈服强度都比较低，致使工件冲击性能表现为不合格现象。

2.2 工艺改进

针对于上述原因，对调质工艺条件进行了调整。使用可控气氛井式炉通过加热完成淬火过程，在淬火过程中，使用的保护气氛为氮气，在加热和保温过程中，保证表面没有氧化脱碳显现，采用快速淬火油顺利完成淬火冷却，冷却速度可以超过100℃/s。在工件充分淬火的基础上，确保相应的硬度值能够满足技术要求，与原工艺相比，回火温度提高了30℃-50℃，最终回火温度为540℃-560℃，其他工艺参数没有发生任何变化。调质完成后，对金相组织进行检测，发现回火索氏体既均匀又细小，力学性能也得到显著改善。使冲击性能数据提高的幅度比较大，随着回火温度的提高，抗拉强度不断降低，可以与强韧性进行有效匹配。同时在气氛保护的作用下，工件硬度具有较高的均匀程度，对同一截面的波动范围实现良好的控制，均低于10HB，在今后的批量生产中，改进后工艺的使用，内齿圈的合格率相当高，基本为百分之百。

3 结束语

综上所述，在2MW风电机组的运行过程中，使用普通加热炉对增速箱42CrMoA钢大锻件内齿圈进行淬火油调质，由于工件表面存在严重的氧化脱落现象，致使淬火油缺乏相应的冷却能力，结果淬火不能充分进行，调质后得到的基体组织为上贝氏体，冲击吸收能量极其不合格，不能满足相关技术要求。工艺改进后，在加热过程中，保护气氛炉的使用，使淬火能力得到快速提高，顺利完成高温回火，使内齿圈的力学性能和金相组织均显示良好，韧性和强度得到完美匹配，完全达到技术要求的标准。

参考文献：

[1]陆伯昌，裴凤琴.42CrMoA钢拉杆轴热处理工艺改进[J].热处理技术与装备，2012（01）.

[2]王孟，王忠，冯显磊，谢玲珍，周兴国.大型内齿圈感应热处理工艺[J].金属加工（热加工），2014（11）.