风电齿轮热处理技术现状和趋势

风电齿轮热处理技术现状和趋势

杨澜 辛未 李睿

沈阳鼓风机集团风电有限公司，辽宁沈阳 110869

摘要：我国经济建设的快速发展使我国电力行业发展迅速，推动我国其它行业的快速发展。风电齿轮由于其严酷的使用条件及高使用寿命，对热理工艺水平、过程控制及结果检验方面都提出了很高的要求。热处理工艺不合理或过程控制不好都会对质量造成很大的影响。

关键词：风电齿轮热处理技术；现状和趋势

引言

我国电力行业的快速发展离不开国家经济的支持和政策的扶持，才有今天的成就。尽管我国风电齿轮热处理技术有了长足的进步，然而，在自主的风电装备特别是核心零部件增速齿轮箱的研制方面，国内普遍水平与国外先进水平还存在较大的差距，如技术标准体系不够完善、核心技术指标落后、原材料质量分散性大、普遍缺乏对齿轮疲劳强度基础研究，使得产品研发和制造缺少数据支撑。

1风电齿轮热处理技术

1.选材与冶金质量，风电主齿轮箱渗碳淬火齿轮普遍采用18CrNiMo7-6等材料制造，材料淬透性高，心部硬度和基体强度显著提升。同时，随着国内钢铁冶炼工艺的改进与提升，齿轮钢的纯净度控制水平得到进一步提升。2.设备与工艺模式，目前，井式渗碳炉普遍使用氮基可控气氛(氮-甲醇气氛)和碳势的氧探头+红外仪双控模式，同时上位机控制系统等已经普及，各种压力、介质流量传感器及自动控制系统已开始应用，质量过程把控能力全面提升。3.清洁热处理工艺，在调质件淬火冷却方面，水基淬火液大量推广使用，替代了传统的淬火油，淬火油烟得到解决，基本实现清洁无污染的调质工艺。目前，感应淬火已经发展成为应用范围最为广泛的热处理技术，在汽车、铁路、船舶、工程机械、机床以及军工等行业形成了完善的技术质量体系。由于其具有突出的经济性和可靠的技术指标，感应淬火替代渗碳淬火和渗氮工艺成为风电齿轮热处理领域的攻关热点。4.高精度无损检测技术，随着电子技术和计算机技术的快速发展，水浸超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测方面，具有实现自动成像检测，对分辨率和灵敏度有显著改善等优势。在表面硬化热处理检测方面，通常切割代表性试样，采用破坏性测试方法，造成了时间浪费和成本增加。便携式有效硬化层深度无损测试仪可规避传统检测方式的时间和成本问题，已在感应淬火和渗碳淬火检测上逐步应用。

2风电齿轮制造材料的选择

由于风电齿轮是在非常恶劣环境下工作，受力情况复杂，对力学性能具体要求是:对碳氮共渗层要求疲劳强度高、耐腐蚀性良好，对齿轮芯部硬度要求耐磨性高、抗咬合良好，对齿轮表面硬度要求:表面硬度高、芯部韧性良好;还应满足极端温差条件下所具有的材料特性。为了满足使用要求，风电齿轮一般采用优质合金钢制造。外齿轮采用20CrMnMo、20CrNi2MoA等材料，内齿圈材料采用42CrMoA、34CrNiMoA等材料。为使获得良好的锻造组织纤维和相应的力学特征，采用锻造法制造毛坯。

3风电齿轮热处理装备技术路线

1.基础数据库的搭建，国内普遍缺乏对不同齿轮材料的疲劳极限应力、以及显微组织图谱等相关的基础试验研究，缺乏新齿形研究、载荷谱测试、加工工艺研究等基础研究，使得产品设计和制造缺少数据支撑。国内齿轮设计计算与材料强度校核等标准数据均取自国际标准，未形成完整体系和标准化。针对风电齿轮传动系统服役特点，国内领军企业南高齿与国内外顶级测试机构合作，系统研究了齿轮疲劳强度的影响因素及提升方案，对典型高等级齿轮冷热加工全流程参数进行了优化升级;齿轮弯曲疲劳强度超越了全球最高等级，突破了齿轮箱轻量化瓶颈，建立了齿轮行业疲劳性能知识经验数据库。2.高强度结构件推广使用，风电齿轮箱特别是海上风电机组单机大容量化，轻量化，需要高强度、轻量化、高可靠性材料应用。3.感应淬火全齿宽硬化技术感应淬火全齿宽硬化:即有效硬化层在轮齿全齿宽范围内分布，齿轮两端面的层深、组织等指标要求同齿宽中部接近。南高齿通过设计新结构感应器及优化工艺参数，攻克了端面齿根硬化这一国际性技术难题，实现了全齿宽硬化。

4信息化技术对风电齿轮热处理工艺制定、过程控制及结果反馈的重要作用

1.工艺制定方面，利用计算机模拟渗碳淬火过程，将理论知识直接用于工艺过程的定量计算，可以反映多种因素对渗碳淬火过程的影响及相互作用，让技术人员从不同角度直观的发掘有用的信息，在很短时间内完成各种方案工艺参数的比较和优化，从而以过去无法想象的效率推助热处理工艺的创新。2.过程控制方面，风电齿轮渗碳周期长，工艺阶段多，分段升温和调整碳势操作比较复杂，设备控制系统需操作内容多，人工控制会由于人本身的素质不同导致热处理质量的差异,特别是夜班会出现工人不按时出炉的情况。通过信息化技术的应用，将渗碳淬火阶段每个过程利用计算机编程，各阶段温度、碳势及气氛通断等过程转换均由计算机自动控制，生产工人只需在计算机上对每台设备进行实时监控，及时发现过程出现的问题并及时处理，保证热处理质量的一致性的同时，也大大降低了工人的劳动。3.结果反馈方面，利用计算机控制系统可对渗碳淬火各工艺参数及报警信息进行实时监控并记录保存。零件质量出现问题可及时对热处理过程进行检查，发现生产过程中存在的问题并进行处理，避免了传统的靠人工记录操作过程有不实或偏差的地方，出现问题难以发现，生产过程难以控制的问题，保证了风电齿轮质量的可追溯性。

5绿色节能热处理工艺介质

1.水空交替控时淬火技术(ATQ)应用，随着淬火冷却介质的研究与发展，淬火介质由传统的淬火油逐步向水溶性淬火介质、乃至清水的方向发展。一方面是基于消除传统油类和聚合物淬火介质的环境污染问题，另一方面是基于提升工件的力学性能。水空交替控时淬火(ATQ)技术采用水与空气作为介质按照理想冷却曲线对各冷却阶段要求，运用预冷与水、空气交替控时冷却的方法得以实现。2.高温渗碳，研发高温渗碳齿轮钢，采用980℃渗碳，采用再加热淬火工艺曲线。通过微合金化手段，零件经渗碳淬火后的渗层及心部晶粒度形貌，检测结果为7～8级，降低显微组织粗化倾向，从而实现高温渗碳，降低热处理制造成本，提高生产效率。

6齿轮热处理工艺的创新发展

对齿轮锻坯的热处理通常具有两种目的：首先是改善坯料的切削加工性能，例如：渗碳钢经正火后得到具有较细片间距并且分布均匀的珠光体组织，这种组织有较好的切削性能，有利于机械加工；其次是获得组织均匀一致的齿轮毛坯，有利于控制、减少后续加工及热处理所产生的变形量，获得稳定的尺寸精度，有利于降低齿轮工作时的噪音。汽车变速器齿轮材质多为渗碳合金钢，其锻造毛坯长期采用正火作为预备热处理方法。然而随着齿轮制造材料的发展及品质标准不断提高，传统的锻后正火热处理工艺在很多情况下无法满足生产实际需要，而新型齿轮钢的应用，对锻后热处理工艺的创新发展提出了新的要求。正火时，钢的组织转变必须要在规定的温度范围内进行，因此在连续冷却过程中，通常无法得到理想的均匀组织。锻坯批量正火时大多数情况下成堆码放在空气中进行冷却，周围环境以及锻坯在堆中的摆放位置等多种因素都会影响到其冷却的速度，从而导致同批次锻坯的正火质量出现较大波动，冷却过程可能产生贝氏体组织，使切削性能变差，并且容易引起齿轮渗碳淬火时的变形量加大。

结语

感应淬火全齿宽淬硬、清水淬火、高效强化喷丸、高温渗碳、连续设备及虚拟热处理等关键技术将主导风电齿轮热处理装备及工艺“绿色”、“智能”、“精确”的发展趋势。

参考文献

［1］杨明华，陈林芳，陈强，等．18CrNiMo76钢制齿轮渗碳后等温淬火组织及性能［J］．金属热处理，2019，44(7):163168．

［2］朱百智，汪正兵，钮堂松，等．深层渗碳工艺—缓冲渗碳［J］．金属热加工，2012(7):78．

［3］陈春怀．淬火介质的环保问题分析和对策建议［J］．金属热加工，2015(S2):166176．