魯玉梅，王凱軍，梁曉婕，李超越

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

西門子風(fēng)機主軸產(chǎn)品已順利出口，這是產(chǎn)品國際化發(fā)展目標的關(guān)鍵一步，風(fēng)機軸為批量主導(dǎo)產(chǎn)品，交貨周期短，生產(chǎn)周期緊張，熱處理工藝在原有技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上再次優(yōu)化，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡最大可能縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。另外，由于油煙的環(huán)保問題已成為突出的瓶頸，急需在現(xiàn)有的冷卻介質(zhì)條件下，研究出新的熱處理工藝。

1 技術(shù)要求

批量生產(chǎn)的風(fēng)機軸，材質(zhì)為42CrMo4，產(chǎn)品尺寸規(guī)格見圖1。性能要求：Rel≥500 MPa；Rm≥750 MPa；A≥14%；Akv(-20 ℃)≥30 J；晶粒度≥6級。

圖1 風(fēng)機軸示意圖Fig.1 Sketch map of fan shaft

2 熱處理工藝改進的難點分析

西門子部分機型均為芯部開通孔進行熱處理，截面差較大，這會造成產(chǎn)品薄厚處、孔內(nèi)外冷卻不均，導(dǎo)致硬度不均勻，開裂傾向大。42CrMo4為中碳合金鋼，標準中現(xiàn)有的強烈冷卻方式為水淬油冷，大鍛件截面較大組織轉(zhuǎn)變不同步，提高冷卻強度，存在較大的開裂風(fēng)險。增加裝爐量，對裝爐過程提出了新的要求，20 t左右的風(fēng)機軸每一件裝爐位置都要求比較精準。

對爐溫均勻性要求更為嚴格，確保爐膛在有效加熱區(qū)內(nèi)爐溫均勻性符合工藝要求設(shè)定值±10℃。

3 熱處理工藝改進

3.1 選取試驗件

西門子16#風(fēng)機主軸因超聲波探傷發(fā)現(xiàn)法蘭靠近外端面存在φ30當量缺陷造成探傷報廢，大身及軸頭取樣位置探傷均合格，符合主軸水冷試驗要求，因此可以作為熱處理工藝改進試驗的試驗件。

風(fēng)機主軸材質(zhì)化學(xué)成分見表1。

表1 試驗件化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of test piece(mass fraction，%)

3.2 制定改進工藝

第一階段:為減小工件淬火開裂傾向，試驗主要工藝改進為水冷時間延長，由常規(guī)工藝3 s延長至4.5 s,加長水冷時間處理后對試驗件進行取樣分析。

第二階段：將分析結(jié)果作為參考，適當調(diào)整工藝參數(shù)來制定后續(xù)純水冷工藝，并根據(jù)對純水冷的結(jié)果分析，適當調(diào)整主軸的熱處理工藝參數(shù)，制定出最佳工藝方案。具體工藝曲線見圖2、圖3。

圖2 試驗件加長水冷工藝Fig.2 The lengthened water-cooled process of test piece

圖3 試驗件純水冷工藝Fig.3 Pure water cooling process of test piece

3.3 制定取樣方案

結(jié)合后續(xù)訂貨產(chǎn)品上海電氣4MW主軸要求一根沖擊試棒做三個沖擊值及歌美颯相關(guān)機型要求距表面1/3R處取軸向試樣，制定出該試驗件的取樣方案，并編制取樣示意圖，主軸經(jīng)過熱處理后嚴格按圖取樣進行力學(xué)性能試驗。取樣位置具體見圖4。

圖4 試驗件取樣示意圖Fig.4 Schematic diagram of sampling of test piece

16#試驗件水冷時間加長至4.5 s所得力學(xué)性能結(jié)果見表2。從結(jié)果可以看出，風(fēng)機主軸取樣端截面φ650 mm開φ300 mm中心通孔，水冷卻4.5 s、油冷65 s后，表皮試樣沖擊平均值A(chǔ)kv(-20 ℃)為36.6 J，沖擊韌性及強度均符合要求。但距離表面1/3R位置取軸向試樣的低溫沖擊平均值為17 J，遠小于要求的平均值27 J。對表皮及1/3R處沖擊試樣進行金相觀察，見圖5，靠近芯部顯微組織為回火索氏體+貝氏體+珠光體+鐵素體。

主軸采用純水冷改進工藝后力學(xué)性能結(jié)果見表3，顯微組織如圖6所示。

對比表2、表3可以發(fā)現(xiàn)，主軸改進為純水冷淬火冷卻方式處理后，距表面12.5 mm處試樣的強度降低很少且滿足用戶要求的同時，低溫沖擊平均值從水淬油冷的36.6 J上升到75 J。

表2 試驗件加長水冷后力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of the test pieces after lengthened water cooling

表3 試驗件純水冷16 s后力學(xué)性能Table 3 The mechanical properties of test pieces after pure water cooling 16 s

對改進工藝后試制主軸進行超聲檢測合格，硬度值一次合格，均符合用戶要求230～300 HBW，硬度差<25 HBW，結(jié)果表明工藝改進后風(fēng)機主軸產(chǎn)品表面調(diào)質(zhì)硬度值均勻。機械性能結(jié)果、晶粒度均符合技術(shù)要求。

4 結(jié)論

1)風(fēng)機軸熱處理工藝改進后，提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗，風(fēng)機主軸冷卻時間從90 min/件縮短到30 min/件。因淬火時間縮短，裝爐量由2～4件改進至6～8件，即裝爐量提高一倍，調(diào)質(zhì)生產(chǎn)周期縮短一半。

2)風(fēng)機軸熱處理優(yōu)化工藝后，在確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足用戶要求的前提下，提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗，解決了環(huán)保的問題。