PPI十字转子制造工艺研究

李光磊 刘世超 牛玉温 王旭颖 常春青

(太原重工股份有限公司，山西030024)

转子作为发电机设备的心脏，因使用工况复杂而要求较高的综合性能。PPI十字转子又称无刷励磁同步发电机转子，除了普通转子要求的高性能外，还对磁性能有较高的要求。

34CrMo1A和34CrNi1Mo均为转子锻件常用材质，34CrNi1Mo因含有较高的Cr、Ni成分被常用于综合性能较高的转子锻件。某用户订货的PPI十字转子因使用工况及工作环境复杂、恶劣，一直以来均选用34CrNi1Mo材质。近几年，用户机组升级换代，也为降低锻件采购成本，决定更换十字转子材质为34CrMo1A，为保住客户资源，提升工艺水平，我公司优化制造工艺，成功制造出符合用户要求的PPI十字转子。

1 技术指标及要求

1.1 熔炼成分

1.2 力学性能要求

调质热处理后，在两端和转身5处进行硬度均匀性检测，每处圆周均布测4点，共20点，要求同一圆弧表面硬度差≤30HBW，所有点硬度差≤40HBW。

硬度检测合格后按图1取样，表1为力学性能指标值，表2为磁性能要求值。具体取样如下：

(1)在两端P1、P4位置各套取两个拉伸试样、两个冲击试样，取样中心距锻件表面13半径处。

(2)在转子轴身两端P2、P3位置取切向、径向及磁性能试样，切向每个位置取四个拉伸试样、三个冲击试样，径向每个位置取三个拉伸试样、三个冲击试样，磁性能每处取两个试样，磁性能要求见表2。

表1 力学性能要求Table 1 Mechanical properties requirements

表2 磁性能要求Table 2 Magnetic performance requirements

按照图1位置，用切环法做残余应力，残余应力σt不应大于切向实测屈服值的10%。

1.3 超声检测要求

调质并加工外轮廓后，对锻件进行全覆盖超声检测，超声检测方法采用标准ASTM A388A 388M:2007，验收标准为JBT 7026—2004。

1.4 磁粉检测要求

出厂加工并经尺寸检验合格后，要求对轴承部位、圆弧角及极身上所有凸极四周过渡部位进行磁粉检测，磁粉检验方法采用标准ASTM A275A275M:2008，验收标准为JBT 7026—2004。

2 生产过程及热处理工艺设计

十字转子锻件的制造主要工序如下：冶炼钢锭、锻造成型、锻后正火加回火、调质热处理、各项性能检测。

2.1 冶炼与铸锭

采用“电炉粗炼+精炼+VD+底注”方法冶炼钢锭，锭重37 t。锻件综合性能要求较高，需对冶炼过程进行严格控制，以提高钢锭纯净性，炼钢控制要点如下：

(1)原材料选用优质废钢和优质生铁，内控残余元素，防止Sn、As、Bi、Sb等元素超标[2]。

(2)碱性电炉粗炼钢水，采用深度吹氧去除钢水中的有害元素。

(3)精炼炉精炼，在真空条件下采用氩气搅拌，使气体随同氩气气泡一同上浮，净化钢液[3]。

(4)采用底注浇注，在浇注时钢水上升过程中，型腔及钢水中夹杂物有效上浮，聚集到冒口部位，锻件本体的偏析、夹渣、裂纹等产品缺陷可以得到有效解决，也使得锻件性能稳定可靠。

2.2 锻造阶段

钢锭利用率为70%，保证了底部及冒口的切除率，使成分偏差在合理的范围，要求冒口切除率占锭身重的18%，底部切除率占锭身重的3%。

锻造过程采用两镦两拔，实际锻造比大于等于5，确保锻件锻透，有效将粗大的钢锭铸造组织打碎，压实、焊合钢锭中的疏松和空洞等缺陷，确保无损检测合格。第一火，利用钢锭冒口压钳把，钢锭锭身倒棱后压成圆柱，之后切除钢锭底部，第二火，镦粗工序，采用连续镦粗变形，保证镦粗变形量，拔长工序，采用上、下平砧大压下量拔长，宽砧强压法确保拔长锻比，控制每砧压下量均匀一致，尽可能得到相对均匀细小的锻造组织。

控制较低的终锻温度以保证锻件结构紧密并细化晶粒，防止过高的终锻温度使晶粒长大。

2.3 锻后正火加回火

锻造完成后进行正火加回火，以消除锻件内部应力、改善晶粒混晶情况，另外，在650℃左右回火，使锻件芯部气体尤其是氢含量扩散到表面，进而排出锻件本体，有效防止了白点的产生。锻后正火加回火曲线见图2所示。

2.4 调质热处理

在制定调质热处理工艺前，利用Forge有限元数值模拟软件对PPI转子预先进行了淬火工艺模拟优化，模拟结果如图3所示。由图3可以看出，锻件在整个淬火过程中，锻件外圆表面的拉应力不超过300 MPa，因此锻件在淬火过程中开裂的风险极低。在整个锻件心部的大部分区域，组织分布以贝氏体为主，有少量的铁素体，说明热处理工艺能达到很好的效果，获得良好的综合力学性能。

基于数值模拟结果编制了合理的调质热处理曲线，见图4。在锻件热处理过程中装上铠装热电偶，测试锻件表面的实际温度。

图2 锻后正火加回火曲线Figure 2 Normalizing and tempering curve after forging

图3 淬火数值模拟结果Figure 3 Numerical simulation results of quenching

图4 调质热处理工艺Figure 4 Quenched and tempered heat treatment process

表3 成品化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical composition of finished products(mass fraction, %)

表4 硬度值(HBW)Table 4 Hardness value (HBW)

3 试验验证与分析

3.1 成品分析结果

锻件成品分析见表3。P、S、Cu的含量均控制在较低的水平，氢含量为0.55×10-6，远低于技术要求。其余成分均满足要求。

3.2 力学性能

硬度检测结果见表4，可以看出，各部位圆周方向上硬度值差值最大的为轴身处，差值为18HBW。全部硬度值中最大差值为27HBW，整体硬度值较均匀，符合技术要求。

表5 力学性能检测结果Table 5 Test results of mechanical properties

表6 磁性能结检测果Table 6 Test results of magnetic performance

力学性能结果见表5，从结果可以看出，综合性能较好，纵向P1屈服强度平均值较要求值高出38%，抗拉强度平均值较要求值高出32%；纵向P4屈服强度平均值较要求值高出31%，抗拉强度平均值较要求值高出29%。切向和径向的强度值更高，最高的为P2处的径向值，屈服强度和抗拉强度分别比要求值高出59.6%和43.7%。各处冲击值均大于80 J，最大冲击值为P3处径向冲击，冲击值高达164 J。

磁性能检测结果见表6，从表中可以看出，磁性能结果符合技术要求，满足了34CrMo1A材料对磁性能的要求。

综上，锻件的综合力学性能良好。

3.3 超声检测

调质热处理完成并经过机加工后，对全部外圆进行超声检测。检测结果显示锻件无可记录缺陷，无超标缺陷，符合JBT 7026—2004标准。

3.4 磁粉检测

锻件出厂加工后按要求对轴承部位、圆弧角及极身上所有凸极四周过渡部位进行磁粉检测，检测结果显示，所有检测表面均无长度超过1 mm的缺陷。

4 结论

(1)PPI转子的材质为34CrMo1A，材料较为常见，采用研究的生产工艺，包括炼钢、锻造、锻后热处理及调质热处理等，通过各项指标检测，生产的转子锻件均满足性能要求，说明其整体工艺合理、可行。

(2)PPI转子成品形状较为特殊，机加工及取样难度较大，在实际过程中，通过数控加工及样板测量，成功完成了机加工过程。

(3)首次利用数值模拟得到淬火时的组织和应力分布情况，根据经验及模拟手段得出合理的调质曲线，产品力学性能、磁性能、硬度等各方面均符合要求。