文／張根紅，梁曉捷，粟柏玉·太原重工股份有限公司

16MnT 軸鋼是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品，電機(jī)軸是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的一個(gè)重要零件，是電機(jī)與設(shè)備之間機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的紐帶。首先高速旋轉(zhuǎn)的過程中一定要保證足夠的強(qiáng)度，即在正常負(fù)載及規(guī)定的特殊情況下(如突然短路等)，電機(jī)軸任一部分不能產(chǎn)生殘余變形或損壞。其次要有足夠的剛度。即轉(zhuǎn)軸的撓度必須在允許范圍內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速間應(yīng)有足夠的差值，以避免發(fā)生共振。因此，電機(jī)軸必須具有可靠綜合力學(xué)性能。

16MnT鋼是一種含有少量合金元素的低合金鋼，力學(xué)性能要求較高，我們通過不斷的試驗(yàn)，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)工藝，使鍛件合格率達(dá)到100%，力學(xué)性能完全滿足用戶的要求。

16MnT 軸鋼的技術(shù)條件

16MnT 軸鋼化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。用戶要求的低溫沖擊功溫度偏低，力學(xué)性能指標(biāo)要求較為嚴(yán)苛，且取樣位置較深，為R/2。逐支按GB/T 6402-2008 中Ⅰ級(jí)進(jìn)行UT，平底孔當(dāng)量直徑要求不大于2mm。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 力學(xué)性能的要求

生產(chǎn)過程

化學(xué)成分的控制

冶煉采用電爐冶煉+爐外精煉+真空脫氣，對(duì)化學(xué)成分中的微合金元素進(jìn)行內(nèi)控，在鋼中加入Nb、V、Ti 等微合金元素，能在鋼中形成穩(wěn)定的特殊碳化物，細(xì)化晶粒，克服錳鋼易過熱的缺點(diǎn)，提高鋼的耐回火性，使鋼的強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步提高。鋼中Nb 加入量在0.05%以下可顯著改善鋼的強(qiáng)韌性能，高于0.05%后Nb 的強(qiáng)韌化效果不明顯，V 為強(qiáng)烈形成碳化物元素，能夠顯著提高珠光體鋼的強(qiáng)度，鋼中釩的碳化物和氮化物在熱加工冷卻時(shí)析出，形成的碳化物和氮化物化合也可抑制晶粒長大，提高鋼材的綜合性能。Ti 含量在0.01%～0.03%可以改善鋼的強(qiáng)韌性能，但當(dāng)鋼中Ti 含量超過0.03%時(shí)，過剩的Ti以TiN 的形式析出，割裂基體的連續(xù)性，導(dǎo)致低溫沖擊性能降低。此外，加入微量的硼能顯著降低亞共析鋼中過冷奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)析出鐵素體的速度，還可以提高鋼的淬透性。內(nèi)控化學(xué)成分見表3。

表3 內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造過程

在80MN 快鍛機(jī)上進(jìn)行開坯，始鍛溫度控制在1220 ～1240℃，終鍛溫度不小于750℃，鍛造比不小于2.5，加熱時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行加熱工藝，開坯后進(jìn)行高、低倍檢測，鍛后進(jìn)行正火+回火處理，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力及擴(kuò)氫。開坯后下料鍛造，毛坯圖見圖1。

圖1 鍛造毛坯圖

開坯后，在5t 電液錘上進(jìn)行成形工序，保證綜合鍛造比不小于4，再進(jìn)行性能熱處理，因?yàn)橛脩粢蟾邚?qiáng)度和沖擊韌性，在保證鍛件不產(chǎn)生裂紋的情況下，使鍛件性能滿足用戶要求，熱處理曲線見圖2，熱處理后的機(jī)械性能檢測見表4，由表可知，鍛件強(qiáng)度滿足用戶要求，但是低溫沖擊性能不合格。

表4 性能檢測結(jié)果

圖2 性能熱處理曲線

理化檢測

對(duì)鍛件進(jìn)行以下理化檢測，找出低溫沖擊不合格原因。

成分分析

按GB/T 222-2006 的規(guī)定取樣并進(jìn)行檢測，化學(xué)成分檢測結(jié)果見表5。

表5 鍛件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

高、低倍檢測

按GB/T 1979-2001 規(guī)定做酸浸低倍組織檢測，檢測結(jié)果見表6。按GB/T 10561-2005 進(jìn)行非金屬夾雜檢測，檢測結(jié)果見表7。

表6 低倍檢測結(jié)果(級(jí))

表7 非金屬夾雜物檢測結(jié)果(級(jí))

組織及晶粒度檢測

組織及晶粒度檢測結(jié)果見表8，由表可知，金相組織符合用戶要求，但是鍛件晶粒度不合格，出現(xiàn)了混晶組織。

表8 組織及晶粒度檢測結(jié)果

原因分析

根據(jù)理化檢測結(jié)果，鍛件的化學(xué)成分及高、低倍檢測結(jié)果均符合用戶要求，因此，推測混晶組織是導(dǎo)致鍛件低溫沖擊不合格的主要因素，根據(jù)理化檢測及分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程，認(rèn)為造成混晶的原因主要有以下幾方面：

⑴鍛造比控制不當(dāng)，鍛造比較小，鍛件鍛打不充分，沒有在鍛造過程充分解決枝晶偏析問題；

⑵鍛造完成后直接空冷，沒有進(jìn)行鍛后熱處理，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力及擴(kuò)氫；

⑶性能熱處理時(shí)溫度偏低，保溫時(shí)間不夠，冷卻時(shí)冷速不均勻，造成成分不均勻。

工藝改進(jìn)及效果

⑴在開坯階段增加一次鐓粗、拔長工序，增大鍛造比，綜合鍛造比保證不小于5，保證鍛件充分鍛透，解決成分偏析。

⑵鍛后進(jìn)行一次正火+回火處理，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，均勻組織，消除應(yīng)力及擴(kuò)氫。

⑶在最終的性能熱處理時(shí)適當(dāng)提高奧氏體化溫度至910 ～930℃，并控制保溫時(shí)間在2.5 ～4h。

⑷制定適用于軸鋼這種長徑比較大的軸類件的專用工裝(圖3)，使軸類鍛件之間縫隙均勻，可有效控制產(chǎn)品冷卻速率并保證產(chǎn)品各部分組織轉(zhuǎn)變同步、性能均勻，保證工件變形可控，同時(shí)裝爐量提高兩倍。

圖3 熱處理專用工裝

使用修改后的工藝進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，鍛件的力學(xué)性能及低溫沖擊性能全部合格，晶粒度為7 級(jí)，具體數(shù)值見表9。鍛件探傷符合GB/T 6402-2008 中Ⅰ級(jí)要求，平底孔當(dāng)量直徑小于2mm，合格率達(dá)到100%。

表9 優(yōu)化后鍛件性能和組織檢測結(jié)果

結(jié)束語

經(jīng)過試驗(yàn)證明，添加Nb、V 等微合金元素，并控制Ti 含量，適當(dāng)加大鍛造比，增加鍛后熱處理，細(xì)化晶粒，均勻組織，適當(dāng)提高最終熱處理溫度會(huì)獲得很好的低溫沖擊韌性及良好的綜合力學(xué)性能，完全滿足用戶要求。