超大截面水轮机主轴热处理生产工艺的优化

■ 王富贵

水轮机主轴是水电站常用的产品，其作用主要是用来传递扭矩，一般常用材料为20SiMn。小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴；大中型的发电机一般采用整锻空心轴。我厂生产的大截面主轴为整锻实心轴（见图1），锻后热处理后需保证无损检测和力学性能要求，其无损检测应满足EN 10228-3中的2级（单个缺陷＜φ8m m，密集缺陷＜φ5mm），力学性能要求见表1。

目前我厂生产的此类主轴一端法兰直径达3100mm，存在的主要生产问题是锻后热处理空冷时间长，占用现场空地多，以及生产周期长等问题；存在的主要质量问题是无损检测不合格以及性能不稳定等问题。

1.传统工艺介绍

传统大截面主轴热处理工艺采取“正火+回火”的方案，如图2所示。

此工艺方案在实际生产中主要存在以下三个问题：

（1）主轴法兰端截面较大，最大截面达到φ3100mm，经图2热处理后，超声波检测很难一次性合格。

（2）为满足技术条件要求，实际正火吊下空冷时主轴两端共需8台风机鼓风冷却，需用大量风机和生产场地（见图3）。

（3）正火吊下空冷周期较长，至少需要30h。

2.优化工艺方案

（1）为进一步减小热处理有效壁厚，无损检测一次合格，我们根据精加工图样编制了临时粗加工图，将其加工成空心锻件，如图4所示。

（2）采取“淬火+回火（调质）”优化热处理工艺代替传统“正火+回火”原热处理工艺方案，如图5所示。

从工艺角度讲，淬火时存在风险，为避免潜在危险，淬火时禁止水循环，并且淬火后及时入炉消除淬火应力；从生产周期看，采用调质工艺后生产周期比原来缩短了1天。

图1 主轴锻件尺寸

图2 传统热处理工艺方案

表1 主轴力学性能要求

（3）选用此工艺只需一个水槽即可实现工艺要求，不需要占用大量风机和现场空地，并且淬火冷却速度较鼓风冷却速度大，且冷却均匀，组织更加细化，很易满足无损检测和力学性能要求。

3.工艺对比

优化工艺和传统工艺对比情况如下：

（1）技术条件要求 根据以前20SiMn数据资料，σs可达到275～300MPa，σb能满足要求，且最大可达到520MPa，δ可达到30%～35%，ψ＞60%，一般情况下AKU＞70J。淬火冷却速度较鼓风冷却速度大，组织更加细化，很容易满足性能要求。

（2）锻件生产条件 优化后可采用一个桥式起重机、两个吊链。若采传统工艺，一炉装两件主轴时，车间风机数量不能满足工艺与生产要求，并且占用大量现场空间。若采用优化工艺，淬火只需要一个水槽即可实现工艺要求，操作简单且省时。

（3）冷却效果 若采用传统工艺，正火鼓风冷却只加快法兰端冷却，两端冷却速度较大，轴身冷却速度缓慢，相当于正常空冷，轴身蓄热量很大，散热缓慢，整个锻件冷却不均匀。优化工艺后，相对于两端鼓风冷却，锻件截面冷却较为均匀。

（4）生产周期 传统工艺：正火从910℃鼓风冷却至280～320℃，需用时30h左右；优化工艺：若一炉装两件主轴，淬火共需7h，4h后即可入炉进行回火。

4.最终结果

采取优化工艺后的性能指标与传统正回火后的性能指标对比见表2，无损检测结果对比见表3。

采取优化热处理工艺方案后，力学性能检测和无损检测均一次性合格，并且经调质后性能指标明显优于正回火后的指标。

5.结语

通过主轴热处理工艺的优化，产品质量比原来提高30%；生产效率比原来提高1.5倍；生产周期缩短了1天。解决了生产场地紧张和质量问题，满足了技术与生产需要，为今后改进其他大截面锻件生产方式，提高生产效率打下了基础。

图3 主轴吊下空冷现场

图4 临时粗加工

表2 力学性能对比

图5 优化热处理工艺

表3 无损检测对比

20150226