31CrMoV9钢大兆瓦级内齿圈工艺研究

王鹏宇，张一坤，刘伟

1.太原重工股份有限公司 山西太原 030024

2.山西科技学院 山西晋城 048000

1 序言

目前，主流风电内齿圈强化方式为调质+气体渗氮处理，国内常见的齿圈材料以42CrMo4钢为主，其淬透性稍差，为保证大模数齿圈齿根硬度及渗氮效果，通常需要开齿后调质，工序繁多复杂，给实际生产造成一定的困难。近年来，国内引进31CrMoV9高淬透性钢作为内齿圈材料，为研究该材料的淬透性及调质工艺，本试验使用齿圈仿截面试样及性能试棒进行调质工艺试验，确定最佳调质温度及齿圈仿截面淬透深度，验证调质后开齿工艺的可行性。

2 材料的选择

太原重工股份有限公司某兆瓦级风电齿轮箱内齿圈材料为31CrMoV9钢，力学性能要求ReL≥900MPa、Rm≥1100MPa、A≥9%、Z≥40%、KV≥25J，调质硬度要求280～380HBW，齿圈外径3000mm、内径2600mm、齿宽500mm、模数25。为使试验具有代表性，选用两套仿齿圈壁厚的环形试样（外径1200mm、内径800mm、壁厚200mm、齿宽400mm）。

试验用31CrMoV9钢采用电弧炉真空脱气冶炼，浇注钢锭、开坯，锻造成环形，正火+高温回火预处理后，将两套环形试样对半切割为4个半圆。采用发射光谱仪检测试样化学成分，见表1。

表1 31CrMoV9钢环形试样化学成分（质量分数）（%）

金相检测按 GB/T 13298—2015《金属显微组织检测方法》执行，金相组织为均匀的粒状贝氏体组织；晶粒度按GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》执行，检测结果为7.5级；带状组织按GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》规定，检测为2级；非金属夹杂物按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》规定，检测结果见表2。

表2 31CrMoV9 钢环形试样非金属夹杂物（级）

3 试验过程

EN 10085：2001《氮化钢技术条件》中推荐此材料调质的淬火温度为870～930℃，回火温度为580～700℃，将淬火温度每间隔30℃划分一档，为870℃、900℃、930℃；回火温度使用570℃、600℃、630℃和660℃，共计组合成12组试验。

取其中一个半圆试件切向取12组性能试棒，标记为1～12组；3块环形仿截面试样分别标记a、b、c进行以下试验。

表3 工艺试验方案

将仿截面试样a与1～4组性能试棒共同淬火后，仿截面试样a与组1性能试棒先进行570℃回火，在齿宽方向的中心解剖后，采用里氏硬度计每间隔10mm检测硬度梯度，组1性能试棒按照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸实验方法》，以及GB/T 229—2020《金属夏比摆锤冲击试验方法》检测；检测结束后将仿截面试样a与组2性能试棒进行600℃回火，空冷后磨抛平整检测硬度梯度，以及组2试棒力学性能。以此类推将12组工艺试验按照上述方式全部做完，记录相关数据。

4 试验结果与分析

1）将12组性能试棒调质后按GB/T 228—2010、GB/T 229—2020检测后，汇总试验数据见表4～表6。

表4 870℃油淬后不同回火温度的性能参数

表5 900℃油淬后不同回火温度的性能参数

表6 930℃油淬后不同回火温度的性能参数

对调质力学性能结果分析可见，随着淬火温度的升高，相同回火温度下的抗拉强度和屈服强度有小幅提升，冲击性能小幅降低；对比相同淬火温度下提高回火温度，屈服强度及抗拉强度下降，冲击性能在600～630℃区间内出现极大的提升。

以上结果满足图样要求的共有4组，分别为870℃油淬+570℃回火、900℃油淬+570℃回火、900℃淬油淬+600℃回火、930℃油淬+570℃回火。其中，900℃油淬+600℃回火的抗拉强度和屈服强度，以及930℃油淬+570℃回火常温冲击性能刚好满足技术要求，富裕量小，故调质工艺优先考虑剩余两组870℃油淬+570℃回火和900℃油淬+570℃回火。

2）将仿截面环形试样沿齿宽中部解剖（见图1），检测由表面至心部的硬度梯度共计12组数据，见表7～表9，硬度趋势曲线分别如图2～图4所示。

图1 沿齿宽中部解剖

表7 870℃油淬后不同回火温度的硬度梯度

表8 900℃油淬后不同回火温度的硬度梯度

表9 930℃油淬后不同回火温度的硬度梯度

图2 870℃油淬后不同回火温度的硬度梯度趋势曲线

图3 900℃油淬后不同回火温度的硬度梯度趋势曲线

图4 930℃油淬后不同回火温度的硬度梯度趋势曲线

对比硬度梯度，可见31CrMoV9钢淬透性好，从表面至心部未发生明显硬度梯度降低，且硬度梯度波动≤15HBW。

3）沿硬度梯度检测位置取金相试样，从表至里每隔30mm取样，在抛光状态下使用4%硝酸酒精腐蚀，可见整体形态为均匀的回火索氏体，且均残留淬火马氏体位相，从表至里晶粒度均为7.5级，表明对于31CrMoV9钢内齿圈采用油淬，可将表面至心部全部淬透。

图5 870℃淬火+570℃回火金相组织（500×）

综上所述，淬火温度可取870～900℃，回火温度可采用570℃，但硬度较高，在满足性能要求的同时又具备较好的切削性能，因此可以适当提升回火温度，最终确定采用890℃淬火+590℃高温回火工艺，且仿截面试样全部淬透，说明可以在调质后进行开齿，性能及齿根硬度能满足技术要求。

5 工艺验证

将31CrMoV9钢大兆瓦风电内齿圈通过井式炉加热至890℃快速油淬+590℃高温回火，31CrMoV9钢内齿圈调质前后对比如图6所示，表面硬度检测为340～360HBW，如图7所示。

图6 31CrMoV9钢内齿圈调质前后对比

图7 31CrMoV9内齿圈开齿后硬度

将调质后的内齿圈在铣齿机开齿（模数25）后使用里氏硬度计D L测头检测齿根硬度为330～350HBW，检测结果满足技术要求。

6 结束语

本文通过对31VrMoV9钢大兆瓦风电内齿圈的仿截面试验件进行调质试验，反映了相同壁厚齿圈淬火时的真实冷却情况，本试验对于大兆瓦级31CrMoV9钢风电内齿圈的冷热工艺衔接具有一定的指导意义，并得出以下结论。

1）31CrMoV9钢淬透性较好，对于壁厚150mm内齿圈等效截面调质后，从表面至心部全部为均匀的回火索氏体，且全部淬透，可以在调质后进行开齿工艺。

2）为使31CrMoV9 钢在获得良好力学性能的同时，又有较好的切削性能，建议将调质后的表面硬度控制在340～360HBW，其调质处理工艺为890℃淬火+590℃回火。