风电大齿圈调质工艺中水基淬火液的应用

风电大齿圈调质工艺中水基淬火液的应用

陈国柱,韩增涛 ,蔡军

浙江运达风电股份有限公司  浙江省杭州市  310012

一、概述

随着风电大型化的发展，风电齿轮箱的重量、体积不断增大，齿圈的尺寸也在不断增加[1]。齿圈属于齿轮箱中的重要零部件，其力学性能要求较高，传统的油淬由于冷却能力受限，可能无法保证齿圈的淬火后金相组织以及力学性能要求[2]。近几年随着水基淬火液的发展，其冷却能力对比淬火油有了大幅度的增加，且淬裂风险较低，成本可控。本文主要研究水基淬火液在风电齿圈中的应用试验。

二、试验背景

2.1、42CrMo材料的基本特点

特性及适用范围：

42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型模具、构件等。

下图为其淬透性曲线：

2.2、大型齿圈的加热与冷却

风电齿轮箱内齿圈一般有效厚度较大，加热与冷却均与普通小零件有较大区别。目前针对该类零件一般对其进行调质处理，后续进行其他表面处理，调质的质量直接影响最终的服役性能。现在从加热和冷却两个基本过程来阐述其特点。

加热过程，由于截面较大，热量的传递需要一定的时间，导致表面与心部一直有温差存在。如果加热速率较高，或加热过程温差较大，容易引起因热应力导致的开裂。所以阶梯式升温是有必要的。

冷却过程直接影响最终热处理质量。钢的性能决定于其组织和结构，而不同的冷却会带来不同的组织。调质处理在冷却段应获得马氏体组织。但由于零件过大，其冷却时质量效应（体积效应）影响巨大。根据相关资料，其淬透性以心部不产生铁素体而获得马氏体或贝氏体的临界直径表示。42CrMo材料在油淬时，小尺寸零件的淬透直径是40mm，大零件只会更低。因此最终零件冷却后不可能获得均匀的马氏体，而应是马氏体和贝氏体甚至珠光体的混合物[3]。

2.3、淬火油与水基淬火液

淬火油主要适用于低淬透性工件或厚大截面尺寸的工件淬火，可用于大模数齿轮的淬火。水基淬火液是PAG类淬火液，拥有优越的冷却性能。两者部分指标对比如下：

淬火油：

水基淬火液：

从以上数据看以看出，淬火油的冷却能力弱于水基淬火液，采用二次方度每秒法计算其冷却能力CP=0.00455×最大冷速×最大冷速所在温度，淬火油CP值为255.25，水基淬火液的CP值为565.43，水基淬火液的冷却能力几乎是淬火油的2倍[4]。图1为不同浓度淬火液与自来水、快速淬火油的冷却性能比较。

图1  不同浓度AQUATENSID FN淬火液与自来水、快速淬火油的冷却性能

众所周知，冷却速度快，热应力越高，且水基淬火液的300℃冷速较高，达到58-68（8%-10%浓度）℃/s，远高于淬火油，该温度下已进入42CrMo的马氏体转变起始温度，冷却速度高，组织转变剧烈，带来的组织应力必然较高，因此开裂的风险增加。

三、试验部分                    

3.1、实验准备

(A)试样准备：为有效模拟实物状态，采用风电齿圈毛坯1/4作为试样；

（B）设备准备：箱式加热炉、箱式高温回火炉、坑式淬火槽、固定料台、回火风冷台、控制系统等。淬火槽加水量191吨，淬火液量16吨，实测浓度9%-10%。

3.2确定加热保温工艺

按以下工艺流程确定加热工艺：

                      850℃

        700℃

3.4确定淬火工艺

零件入液后保持1h，1h后出淬火液空冷1h。

3.5回火工艺

回火采用高温回火工艺。

四、试验结果

试验结果显示，淬火后的齿部区域金相组织为均匀的马氏体组织，回火后为回火索氏体，金相组织满足预期要求。

力学性能结果：

力学性能结果显示，屈服强度、抗拉强度均较高，相比油淬结果明显改善。

五、结论

通过试验，证明了风电齿圈采用水基淬火液进行调质后拥有较好的力学性能，相比油淬更能满足日益严苛的力学性能要求以及不断增大的尺寸要求，为风电大型化奠定了基础。水基淬火液在环保上也具有不可比拟的优势，未来在风电领域必将拥有广泛的应用。

参考文献：

[1].中国风电产业发展报告（2023）[J].电气时代,2023(05):14-19.

[2]汪正兵,朱百智,陈贺.风电齿轮热处理技术现状和趋势[J].金属热处理,2020,45(01):34-41.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2020.01.008.

[3]张先鸣.风电齿轮箱用钢及热处理[J].电气制造,2010(09):64-66.

[4]赵丽,孟祥冰,刘道喜.水基淬火液冷却性能及其在控时淬火技术上的应用[J].金属加工(热加工),2021,No.833(02):82-85.