高压电机用高强度转子轴锻件及热处理加工方法与流程

本发明涉及一种在高压电机转子轴转子直径达1040mm的前提下，能够满足高压机转子轴运行平稳性要求的高压电机用高强度转子轴加工方法，属高压电机轴制造领域。

背景技术：

随着目前全球海洋经济的不断建设，船舶制造业的精益求精，传统的低压电机已不能胜任船舶用电力的需求，而逐步被高压及超高压电机所取代，高压电机的高端制造已逐渐体现出其重要性。目前国内对于大型高压电机制造仍存在技术瓶颈，如高速运转时，整体电机的稳定性，内部各关键零部件间的兼容性等，均需进一步研究分析。转子轴是高压电机最核心的组成部分，其质量优劣直接影响整台电机的运转作业，目前该类高强度大型转子轴加工不仅存在材质上的瓶颈，依靠进口，而且加工难度非常大，要求轴承档圆度要求需控制在0.006mm，在轴要求最高的轴承档区域(平面度0.012mm，垂直度相对于轴承挡0.012mm，轴瓦端面粗糙度0.63以下，保证平面度控制在0.008mm，垂直度控制在0.005mm，并且需要一次性完成转子轴大外圆表面共计144个带倒角的螺纹孔且孔位位置度精准。

技术实现要素：

设计目的：在国内材料的基础上，根据高压电机的技术参数，设计一种高压电机转子轴转子直径达1040mm的前提下，能够满足高压机转子轴运行平稳性要求的高压电机用高强度转子轴加工方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、高压电机用高强度转子轴锻件成分优化设计：材料的机械性能是由其金相组织决定的，而金相组织又与材料的化学成分和热处理方式密切相关。所以选择合适的化学成分对本申请的研发有极其主要作用。根据电机转子轴的强度、冲击韧性要求高，尺寸大等特点，在选择材料时就要选择淬透性好的材料，而在所有的结构钢材料中，铬镍钼钢就有此特征。下表是两种常用的铬镍钼钢的化学成分标准。

34CrNiMo6和40CrNiMoA的化学成分

从这两种材料的使用情况来看，34CrNiMo6的冲击性能很好，但是抗拉强度有所不足，40CrNiMoA则相反，因此本申请结合各元素之间的作用和这两种材料的特点，经过多次反复试验、检测，优化选出能够满足本发明设计目的材料：C：0.30-0.36％；Si：0.17-0.37％；Mn:0.25-0.50％；P、S≤0.020％；Cr:1.30-1.60％；Mo；0.20-0.35％；Ni；1.30-1.60％。另外，考虑到转子轴的直径很大，生产中容易出现粗晶现象，所以添加0.04-0.10％的钒来细化晶粒。2、经优化后的铬镍钼钢钢锭，由于该材料Cr、Ni含量较高，钢的热加工塑性及材料导热性能相对较差，常规的生产工艺无法保证其产品的内在高质量要求。因此，需要通过材料锭型的选择、钢锭加热要求、锻造变形工艺的优化及锻造始、终锻温度的控制几个环节的把控来加以实现。首先在材料的锭型选择上，为保证锻件有足够大的锻造变形量，锻件锻造生产所选用的钢锭锭型必须为材料截面高径比大于2的瘦长型钢锭；其次，钢锭的加热必须采用分段加热，保证钢锭的内、外部受热均匀且内部组织完全奥氏体化；再次，转子轴锻件因轴身直径截面较大，为保证其有锻造比，锻造过程采用平板大压下量两次镦拔的变形新工艺技术，消除钢锭内部可能存在的铸态偏析及疏松缺陷，成形过程采用小压下量快速拔长锻造技术来保证锻件的锻造圆整度；最后，转子轴锻件的整个锻造过程分两火次完成，始锻温度控制在1230℃；锻件最终成形前的精整过程，待温度自然冷却至850℃后锻造，避免毛坯晶粒过大的现象，锻造最终完工温度不低于800℃。3、锻后热处理：毛坯锻造结束后，结合材料本身特性设计一种新型热处理工艺，该新型热处理工艺包括第一热处理工艺和第二热处理(调质)工艺，从而取代传统扩氢工艺技术(附图4)。该新型热处理工艺的理论依据：材料本身经优化后，Cr、Ni、Mo的含量相对偏高，材料本身对白点产生的敏感性增加，产品报废概率提高，这需要通过热处理科学控制；材料本身导热性及塑性较差，经大压下量镦拔后，锻造应力极大，若锻后直接空冷，内部应力若自然时效释放，会使表面可能出现锻造应力造成的裂纹缺陷等；产品调质处理时，要达到内外部高强度的要求，淬火时必须先进行水淬、后油冷的淬火工艺，要保证淬火时表面无缺陷产生，必须在淬火前拥有稳定的组织状态。(1)新型第一热处理较传统工艺相比，具有以下优点：a.第一热处理炉先空炉加热至650℃保温，毛坯锻造结束后，工件温度约800℃，静置空冷至650℃后直接装炉保温，可避免因材料本身导热性差而使内外温差过大的弊端，使工件内外部温度一致，保证组织均匀性；b.650℃保温6h消除锻造应力后，以≤35℃/h的速率炉冷至300℃，300℃保温6h，使奥氏体充分转变，后以≤80℃/h的温度升温至880℃，并保温8h，使内部组织完全奥氏体化，晶界重新排列，使组织均匀细致；c.炉冷至300℃后再次保温后升温至650℃，保温15h,然后以≤30℃/h炉冷至≤100℃出炉空冷，基本消除内部可能存在的氢气，最终组织状态为稳定的铁素体+珠光体组织。

(2)第二热处理(调质处理)的优化：a.分段加热保证受热均匀，基于第一热处理稳定组织的基础上，采用水淬油冷工艺，回火前先进行250℃x6h保温，以获得尽可能多的马氏体组织；b.回火后以≤30℃/h炉冷至300℃后出炉空冷，避免第二类回火脆性的发生，使产品在具备高强度低残余应力的同时能具备稳定的耐冲击韧性。

技术方案：一种高压电机用高强度转子轴加工方法，(1)转子轴材质制作质量百分数：

C 0.30-0.36％、Si0.17-0.37％、Mn0.25-0.50％、P和S≤0.020％、Cr1.30-1.60％、Mo0.20-0.35％、Ni 1.30-1.60％、V0.04-0.10％；

(2)锻后热处理及调质：a.锻后热处理：锻件锻造结束后，先静置空冷至锻件表面为650℃的待料退火炉中，在650℃保温6小时，以消除锻造时产生的应力，然后以小于35℃/h的冷速冷至300℃，并在300℃保温6小时，使锻件的奥氏体组织充分转变；300℃保温结束后以不大于80℃/h的速度加热到880℃，并保温8小时，使工件内部完全奥氏体化后以不大于35℃/h的冷却速度炉冷至300℃并保温6小时，使奥氏体组织充分转变为铁素体和珠光体；再以不大于80℃/h的速度加热至650℃并保温15小时，进行回火扩氢处理，最后以不大于30℃/h的冷却速度炉冷至100℃以下出炉空冷；b.调质处理：分段加热保证受热均匀，基于第一热处理稳定组织的基础上，采用水淬油冷工艺，回火前先进行250℃x6h保温，以获得尽可能多的马氏体组织；淬火加热时650℃保温5h是为了防止加热时由于工件内外温差过大造成工件变形甚至开裂，淬火时采用水冷40分钟再油冷140分钟，淬火后250℃保温：

(3)转子轴加工：a.轴承档圆度要求需控制在0.006mm，数控车床加工时，将中心架支撑滚轮工装改进为巴氏合金材质的平面托瓦，摩擦方式由滚动摩擦更改为滑动摩擦；工序转入磨床精磨后，当待磨量磨至0.3mm后，静置时效处理1周后，按要求尺寸加工到位；b.在轴要求最高的轴承档区域，即平面度0.012mm，垂直度相对于轴承挡0.012mm，轴瓦端面粗糙度0.63以下时，采用平面、端面一体联合加工，采用砂轮定位精确控制，使用金刚石砂轮刀将砂轮平面修整为倒锥的小块接触面，在加工时以进给方式磨削轴瓦平面，保证平面度控制在0.008mm，垂直度控制在0.005mm；c.转子轴大外圆表面共计144个带倒角的螺纹孔，采用复合钻一次加工成型技术，预定位、钻倒角、钻螺纹底孔一步完成。

本发明与背景技术相比，一是研发出了用国产材料实现高压电机转子轴的再现，其电机转子轴的各项技术指标均达到了设计要求，电机转子轴的机械性能经第三方检测，性能完全符合设计要求，即屈服强度Re≥600MPa；抗拉强度Rm 800～900MPa；延伸率A≥16.0％；断面收缩率Z≥55.0％；冲击韧性值AKv≥32J(20℃)；二是转子轴的超声波探伤经ABS船级社检测，通过了ABS船检社的认证；三是加工精度高，确保了高速运转时，整体电机的稳定性。

附图说明

图1是高压电机用高强度转子轴的结构示意图。

图2是高压电机用高强度转子轴锻件锻后热处理工艺示意图。

图3是高压电机用高强度转子轴锻件调质后示意图。

图4是锻件钢锭加热工艺示意图。

图5是现有扩氢工艺示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-5。一种高压电机用高强度转子轴加工方法，(1)转子轴材质制作质量百分数：C 0.30-0.36％、Si0.17-0.37％、Mn0.25-0.50％、P和S≤0.020％、Cr1.30-1.60％、Mo0.20-0.35％、Ni 1.30-1.60％、V0.04-0.10％；

(2)锻后热处理及调质：

a.锻后热处理：锻件锻造结束后，先静置空冷至锻件表面为650℃的待料退火炉中，在650℃保温6小时，以消除锻造时产生的应力，然后以小于35℃/h的冷速冷至300℃，并在300℃保温6小时，使锻件的奥氏体组织充分转变；300℃保温结束后以不大于80℃/h的速度加热到880℃，并保温8小时，使工件内部完全奥氏体化后以不大于35℃/h的冷却速度炉冷至300℃并保温6小时，使奥氏体组织充分转变为铁素体和珠光体；再以不大于80℃/h的速度加热至650℃并保温15小时，进行回火扩氢处理，最后以不大于30℃/h的冷却速度炉冷至100℃以下出炉空冷；

b.调质处理：分段加热保证受热均匀，基于第一热处理稳定组织的基础上，采用水淬油冷工艺，回火前先进行250℃x6h保温，以获得尽可能多的马氏体组织；淬火加热时650℃保温5h是为了防止加热时由于工件内外温差过大造成工件变形甚至开裂，淬火时采用水冷40分钟再油冷140分钟，淬火后250℃保温：

(3)转子轴加工：

a.轴承档圆度要求需控制在0.006mm，数控车床加工时，将中心架支撑滚轮工装改进为巴氏合金材质的平面托瓦，摩擦方式由滚动摩擦更改为滑动摩擦；工序转入磨床精磨后，当待磨量磨至0.3mm后，静置时效处理1周后，按要求尺寸加工到位；

b.在轴要求最高的轴承档区域，即平面度0.012mm，垂直度相对于轴承挡0.012mm，轴瓦端面粗糙度0.63以下时，采用平面、端面一体联合加工，采用砂轮定位精确控制，使用金刚石砂轮刀将砂轮平面修整为倒锥的小块接触面，在加工时以进给方式磨削轴瓦平面，保证平面度控制在0.008mm，垂直度控制在0.005mm；

c.转子轴大外圆表面共计144个带倒角的螺纹孔，采用复合钻一次加工成型技术，预定位、钻倒角、钻螺纹底孔一步完成。

屈服强度Re≥600MPa；抗拉强度Rm 800～900MPa；延伸率A≥16.0％；断面收缩率Z≥55.0％；冲击韧性值AKv≥32J(20℃)。

1、锻造：锻造过程对产品内在质量有极其重要的影响。首先，从锭型的选择上，为确保有足够的锻造变形量，选择了瘦长型的30T钢锭；为了减轻原材料中的偏析对产品的影响，在钢锭加热过程中的高温保温时间适当的延长，由常规的8小时延长到12小时。加热工艺如图4。

2、锻造后的热处理：锻造后的热处理的目的，主要是改变锻件的金相组织，获得均匀的珠光体和铁素体组织，为调质做准备。其次，为降低锻件的内应力和硬度，为切削加工做准备。由于该材料的镍元素含量较高，容易产生白点缺陷，造成锻件报废，因此扩氢元素也是锻造结束后的重要目的。锻件锻造结束后，先静置空冷至锻件表面为650℃的待料退火炉中，在650℃保温6小时，以消除锻造时产生的应力，然后以小于35℃/h的冷速冷至300℃，并在300℃保温6小时，使锻件的奥氏体组织充分转变；300℃保温结束后以不大于80℃/h的速度加热到880℃，并保温8小时，使工件内部完全奥氏体化后以不大于35℃/h的冷却速度炉冷至300℃并保温6小时，使奥氏体组织充分转变为铁素体和珠光体；再以不大于80℃/h的速度加热至650℃并保温15小时，进行回火扩氢处理，最后以不大于30℃/h的冷却速度炉冷至100℃以下出炉空冷。图3为锻后热处理的工艺曲线图。

3、调质处理：调制处理目的是为了提高其综合力学性能。图4是电机转子轴锻件的调制处理工艺图：淬火加热时650℃保温5h是为了防止加热时由于工件内外温差过大造成工件变形甚至开裂。淬火时采用水冷40分钟再油冷140分钟。目的是提高工件的淬透层深度，提高工件的机械性能。淬火后250℃保温，目的是使奥氏体充分转变，尽可能降低残余奥氏体含量，以提高转子轴尺寸稳定性。而回火后炉冷是为了降低转子轴的残余应力，防止精加工过程中变形。

4、电机转子轴的精加工：

由于轴承档圆度要求需控制在0.006mm，数控车床加工时(单边剩0.6mm余量)，将中心架支撑滚轮工装改进为巴氏合金材质的平面托瓦，摩擦方式由滚动摩擦更改为滑动摩擦，一方面增加了中心架承承重，同时保证了在精磨时中心孔的精度更高；工序转入磨床精磨后，因工件本身强度较高，切削应力较大，待磨量磨至0.3mm后，静置时效处理1周后，按要求尺寸加工到位；

在轴要求最高的轴承档区域(平面度0.012mm，垂直度相对于轴承挡0.012mm，轴瓦端面粗糙度0.63以下)，采用平面、端面一体联合加工技术工艺，避免重复装夹、定位所造成的误差，砂轮定位精确控制，专用工具修正砂轮平面度，保证平面度控制在0.008mm，垂直度控制在0.005mm；

转子轴大外圆表面共计144个带倒角的螺纹孔，传统工艺为：先中心钻预定位，麻花钻钻预孔，倒角钻加工倒角，麻花钻钻螺纹底孔，最后攻螺纹，工序繁琐，效率低下，且极易出错。在此基础上，采用新型复合钻一次加工成型技术，预定位、钻倒角、钻螺纹底孔一步完成。传统工艺加工每个螺孔需耗时15分钟，改进后可控制在2分钟内完成，效率提高，且孔位位置度精准。

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。