CN112126867A

CN112126867A - 一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件及制作方法

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Publication number: CN112126867A
Application number: CN202010027959.XA
Authority: CN
Inventors: 冷怡恺; 王昌珍; 姚彬; 夏杨泉
Original assignee: Baoding Technology Co ltd
Current assignee: Baoding Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明涉及一种既能够满足大型潮流能发电机组用主轴锻件机械强度，又具有良好冲击韧性的一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件及制作方法，质量百分数：C0.32～0.35、Mn0.70～0.80、Si0.17～0.37、Ni0.15～0.30、Cr≤0.30、Cu≤0.20、P≤0.020、S≤0.015，余下为铁。优点：解决了上述传统工艺方案的缺点，不仅降低了原材料成本，对后续的机械加工更是大大缩短了生产周期，而且更重要的是提高了锻件的致密度，保证了产品的内在质量。

Description

一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种既能够满足大型潮流能发电机组用主轴锻件机械强度，又具有良好冲击韧性的一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件及制作方法。

背景技术

潮流能是一种具有巨大潜力的可再生海洋资源，潮流能发电技术已逐步从工程样机进入商业化应用阶段。与国际主流技术相比，中国LHD海洋发电项目采用了“平台式+模块化”的科学路径，有效破解了海上安装、运行维护、垃圾防护、电力传输等关键问题，具有装机功率大、资源利用率高、环境友好性强、海域兼容性好、项目可复制性强等特点，实现了海洋能开发规模化、产业化、商业化的重大突破，而LHD海洋潮流能发电项目是目前世界上唯一一台连续发电并网运行的海洋潮流能发电项目，标志着海流能发电技术进入产业化应用阶段，使我国海洋能开发实现了大功率发电、稳定发电、并入电网三大跨越，其装机量已达到1.7兆瓦，水平轴潮流能发电机是潮流能发电装置的重要重要零部件。但是，大型潮流能发电机组用主轴锻件传统的锻造生产工艺方案为钢锭镦粗后拔长至八方截面坯料，坯料号印，砧子拔长中间两轴颈凹档，滚圆法兰，出成品。此方案的缺点在于：其一，虽然传统工艺使整个锻造过程方便快捷，但锻件的工艺重量超新工艺方案约2.2吨，造成了原材料的极度浪费。其二，贯穿主轴中心的￠345mm深孔需要通过机械加工的手段来实现，增加了制造工序，延长了生产周期，并增加了生产成本。其三，主轴实心锻造并通过深孔加工的制造工艺在产品的内在质量方面远不及空心锻造所带来的内在组织效果。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既能够满足大型潮流能发电机组用主轴锻件机械强度，又具有良好冲击韧性的一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件及制作方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。本发明在材料选择、研发及标准上：

1. 大型潮流能发电机组用主轴的材质为35#钢,其化学成分要求（质量分数%），如图9：

2. 大型潮流能发电机组用主轴锻件的机械性能要求,如图10：

3. 大型潮流能发电机组用主轴锻件超声波检查应符合JB/T1270-2014标准要求。

4. 大型潮流能发电机组用主轴锻件尺寸为三个法兰直径达￠715mm，轴颈直径￠515mm，中间贯穿深孔直径￠345mm，总长达5933.5mm，属带深孔的多法兰轴类锻件。（具体尺寸见图1所示）锻件单重达11.465t，材料锭重17t锭，总锻造比≥7.0。

5.技术难点：

（1）由于大型潮流能发电机组用主轴锻件长期与海水接触，故受力比较复杂。随着海洋潮流能发电技术的日益发展，对于该发电机组用主轴锻件产品的要求也越来越高。因此，该主轴锻件不仅需要有足够的机械强度，还必须具有良好的冲击韧性。常规的35#材质成分要求已经无法同时满足主轴锻件的高强度、冲击要求。

（2）大型潮流能发电机组用主轴锻件传统的锻造生产工艺方案为钢锭镦粗后拔长至八方截面坯料，坯料号印，砧子拔长中间两轴颈凹档，滚圆法兰，出成品。此方案的缺点在于：其一，虽然传统工艺使整个锻造过程方便快捷，但锻件的工艺重量超新工艺方案约2.2吨，造成了原材料的极度浪费。其二，贯穿主轴中心的￠345mm深孔需要通过机械加工的手段来实现，增加了制造工序，延长了生产周期，并增加了生产成本。其三，主轴实心锻造并通过深孔加工的制造工艺在产品的内在质量方面远不及空心锻造所带来的内在组织效果。

（3）大型潮流能发电机组用主轴锻件的创新锻造生产工艺方案为钢锭拔长下料，坯料镦粗、冲孔，使用专用过水芯棒拔长至规定的截面后号印分料，拔长至接近于锻件尺寸时，退出芯棒，并精整至工艺尺寸后出成品。此工艺方案解决了上述传统工艺方案的缺点，不仅降低了原材料成本，对后续的机械加工更是大大缩短了生产周期，而且更重要的是提高了锻件的致密度，保证了产品的内在质量。

2.创新改进点：

为了解决上述技术难点，我们从成分优化、工艺创新、严格控制工艺参数等方面出发，使生产的大型潮流能发电机组用主轴锻件在外观尺寸、内在质量以及机械性能均符合产品的技术要求。具体的创新点如下：

（1）在遵循标准要求的前提下，优化材料元素，控制C、Mn两大主要元素的区间，并添加合金元素Cr，通过细化晶粒，提高材料的强度和冲击韧性。首先，钢中含C量增加，屈服点和抗拉强度就升高，但塑性和冲击性降低，因此控制含碳量走下限：0.32～0.35%；其次，在碳素钢中加入0.70%以上的Mn，较一般Mn量的钢更有足够的韧性，且有较高的强度，因此控制含锰量走上限：0.70～0.80%；再次，Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，因此在钢中加入0.15%～0.30%能提高材料在0℃时的冲击韧性值；同时对有害元素P、S控制在0.020%和0.015%以下。优化后的化学成分（质量分数%），如图11：

（2）根据大型潮流能发电机组用主轴锻件的深孔尺寸，制作专用的拔长过水芯棒工装。目的在于利用该工装直接锻出主轴锻件的中心贯穿深孔，从而取代后期通过机械加工的手段来完成，大大减少了机械加工的余量，缩短了加工工时。

（3）由于大型潮流能发电机组用主轴锻件的毛坯长度达到6米，对于空心锻造来说具有很大的难度，特别是锻件在芯棒上完成锻造后，工装和锻件会产生咬住现象，一旦温度过低，芯棒就很难从锻件中顺利退出。因此，我们首先在工装设计上做了改进，将拔长芯棒上打直径￠75的深孔贯穿整根芯棒，目的在于锻造过程中通过在深孔中注水，加快芯棒的冷却速度，营造坯料和芯棒的温度差，有利于芯棒从锻件中顺利拔出；其次，改进锻造成形工艺的工序，通过采用锻造至接近于毛坯尺寸时，控制高于终锻温度接近50℃左右，开始缓慢退拔芯棒，再进行精整法兰和轴颈外圆的工序，取代在芯棒上精整主轴锻件外圆的工艺方案。好处在于锻件外表温度高时，拔长芯棒退出过程会相对顺利的多，同时高温条件下锻件和芯棒咬住现象的机率要低得多。

（4）大型潮流能发电机组用主轴锻件在精加工尺寸基础上单边预留7.5mm余量进行粗加工，使产品的有效截面壁厚减小，再进行正火加回火热处理，从而取代毛坯锻后直接正回火热处理的工艺方案，有效地保证了产品的强度及高冲击韧性要求。

技术方案1：一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件，质量百分数：C0.32～0.35、Mn0.70～0.80、Si0.17～0.37、Ni0.15～0.30、Cr≤0.30、Cu≤0.20、P≤0.020、S≤0.015，余下为铁。

本发明与背景技术相比，解决了上述传统工艺方案的缺点，不仅降低了原材料成本，对后续的机械加工更是大大缩短了生产周期，而且更重要的是提高了锻件的致密度，保证了产品的内在质量。

附图说明

图1是第Ⅲ～Ⅳ火次后大型潮流能发电机组用主轴锻件图。

图2是第I火次钢锭出炉后的示意图。

图3是第Ⅱ火次图2坯料镦粗示意图。

图4是图3坯料拔长示意图。

图5是热处理曲线示意图。

图6是大型潮流能发电机组用主轴传统锻造工艺方案。

图7是大型潮流能发电机组用主轴创新锻造工艺方案。

图8是过水芯棒工装结构示意图。

图9是材料成分表一。

图10是技术指标表。

图11是材料成分表二。

具体实施方式

实施例1：一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件，C0.34、Mn0.74、Si0.23、Cr0.20、Ni0.25 、Cu0.10、P0.014、S0.006。

实施例2：一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件，C0.33、Mn0.78、Si 0.19、Cr0.22、Ni0.24、Cu0.08、P0.012、S 0.008。

实施例3：参照附图1-6。一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件制作方法：

1.锻造过程：

大型潮流能发电机组用主轴锻件设计工艺参数如下：采用碳素钢35#锻造成形，锻件重量11.465t，材料规格为17t八角锭，一锭锻制一件，锻造比7.0。锻前先锯除钢锭水口，锻造温度：1250℃～750℃。

第I火次：钢锭出炉后先热切冒口，然后进行坯料镦粗，镦粗至850mm高，冲￠300mm孔，返炉加热；

第Ⅱ火次：***￠270mm专用拔长过水芯棒进行坯料拔长，拔长至坯料直径至￠790mm，三角号印，按图示尺寸完成分料，返炉加热；

第Ⅲ～Ⅳ火次：坯料拔长，拔长时考虑到专用芯棒不足6米，所以在拔长过程中先压坯料的端部后压中间；同时接近零件尺寸时，立即从坯料中退出芯棒，防止温度低时造成坯料和芯棒咬死；最后，精整各法兰和轴颈外圆，出成品。

2.粗加工：

锻后在精车尺寸基础上单边预留7.5mm余量进行粗车，粗车后进行超声波探伤,确保锻件无超标缺陷。

3.性能热处理：

为了确保大型潮流能发电机组用主轴锻件获得均匀的组织、细小的晶粒并消除加工应力，同时保证较高的强度和良好的冲击韧性值，特制定了随炉升温至880±10℃，保温6小时后空冷；再随炉升温至620±10℃，保温10小时后空冷出炉的正火+回火工艺。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件，其特征是质量百分数：C0.32～0.35、Mn0.70～0.80、Si0.17～0.37、Ni0.15～0.30、Cr≤0.30、Cu≤0.20、P≤0.020、S≤0.015。

2.根据权利要求1所述的用大型潮流能发电机组用主轴锻件，其特征是：C0.33～0.34、Si0.19～0.23、Mn0.74～0.78、Cr0.20～0.22、Ni0.24～0.25、Cu0.08～0.10、P0.012～0.014、S0.006～0.008。

3.根据权利要求1所述的用大型潮流能发电机组用主轴锻件，其特征是：抗拉强度Rm（MPa）535～540、屈服强度ReL（MPa）265～275、伸长率A%27.0～28.0、断面收缩率Z%53.0～55.0、冲击吸收能量 Kv₂（J）0℃三点取值分别是42.0～52.0、48.0～58.0、55.0～56.0。

4.一种用大型潮流能发电机组用主轴锻件制作方法，其特征是：

1）采用碳素钢35#锻造成形，锻件重量11.465t，材料规格为17t八角锭，一锭锻制一件，锻造比7.0，锻前先锯除钢锭水口，锻造温度：1250℃～750℃；

第Ⅲ～Ⅳ火次：坯料拔长，拔长时考虑到专用芯棒不足6米，所以在拔长过程中先压坯料的端部后压中间；同时接近零件尺寸时，立即从坯料中退出芯棒，防止温度低时造成坯料和芯棒咬死；最后，精整各法兰和轴颈外圆，出成品；

2）粗加工：锻后在精车尺寸基础上单边预留7.5mm余量进行粗车，粗车后进行超声波探伤,确保锻件无超标缺陷；

3）性能热处理：随炉升温至880±10℃，保温6小时后空冷；再随炉升温至620±10℃，保温10小时后空冷出炉的正火+回火工艺。