压缩机主轴热处理方法与流程

本技术实施例涉及热处理方法，具体涉及一种压缩机主轴热处理方法。

背景技术：

1、压缩机主轴是离心压缩机的核心旋转部件，其在服役过程中承受着复杂的高温、高压及交变载荷作用，尤其对于中高温储能压缩机而言，机组需每日频繁启停，主轴在宽温域范围内经历反复的加热与冷却循环。在此严苛工况下，主轴内部的残余应力若得不到有效控制，将导致以下问题：其一，残余应力与服役载荷叠加，显著降低主轴的实际疲劳强度，加速裂纹萌生与扩展；其二，残余应力在长期服役过程中发生松弛与再分布，引起主轴的尺寸稳定性下降，导致转子动平衡失效；其三，过高的残余拉应力可能诱发应力腐蚀开裂或在低温启停过程中发生脆性断裂。中高温储能式压缩机的主流材料为 30cr2ni4mov 钢，其合金元素含量高且含钒元素，导致热处理过程中内应力显著增加。

2、以目前应用最为广泛的40nicrmo7钢为例，传统离心压缩机主轴的热处理制造工艺路线通常为：锻件入厂→粗加工→正火+调质处理→力学性能检验→半精加工→无损检测→稳定化处理。且稳定化处理阶段的保温时间按设计图纸尺寸/25+1 h进行计算。该方法操作简便，在常规离心压缩机主轴制造中已沿用多年。

3、然而，采用上述热处理方法制造的压缩机主轴，其残余内应力水平仍然较高，部分台阶部位内应力实测值可达400mpa，约为材料屈服强度的54%；即使通过延长保温时间优化稳定化工艺，残余应力仍维持在 200mpa 左右，约为屈服强度的 27%；这严重影响压缩机主轴在频繁启停工况下的尺寸稳定性与安全运行寿命。

技术实现思路

1、在 技术实现要素： 部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的此部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

2、本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

3、为此，本发明提供了一种压缩机主轴热处理方法，热处理方法包括：

4、对主轴锻件进行表面见光处理，后进行退火处理，以消除原始残余应力；

5、对退火处理后的所述主轴进行粗加工；

6、将粗加工后的所述主轴垂直吊装后进行调质处理；

7、将调质处理后的所述主轴垂直吊装后进行稳定处理，所述稳定处理包括将调质处理后的所述主轴以包含至少两个升温阶段的分段加热方式进行加热并保温，之后降温后进行保温，再以包含至少两个降温阶段的分段变速降温方式冷却至室温；

8、对稳定处理后的所述主轴进行精加工。

9、在一种可行的实施方式中，对所述主轴锻件进行表面见光处理后，还包括：

10、将见光处理后的所述主轴的转角及锐边均进行圆角处理，所述圆角的半径≥5mm。

11、在一种可行的实施方式中，所述退火处理包括：

12、将见光处理后的所述主轴在≤350℃的温度下装炉，装炉后以≤70℃/h的速度升温至690℃~720℃后进行保温，保温时间为t1，然后以≤100℃/h的速度升温至810℃~850℃后进行保温，保温时间为t2，之后以≤50℃/h的速度冷却至350℃~400 ℃，最后出炉空冷；

13、其中：t1=1h~5 h；

14、t2=dmax/ (30~50) h，dmax为所述主轴锻件的最大台阶直径，单位为mm。

15、在一种可行的实施方式中，所述粗加工包括：

16、将退火处理后的所述主轴两侧最小台阶外圆直径加工至精加工直径+8a/3，将所述主轴其余各台阶外圆直径加工至精加工直径+2a，将所述主轴最大台阶长度加工至精加工长度+2a，其余各台阶长度加工至精加工长度；

17、其中，a为单边余量，a=5mm~20 mm。

18、在一种可行的实施方式中，所述粗加工还包括：

19、将退火后的所述主轴各台阶根部进行圆弧过渡，所述圆弧的半径≥5mm，且≤相邻两个台阶半径差值；

20、将退火后的所述主轴的一端设置为热处理夹头，所述热处理夹头直径为160mm~330mm，且所述热处理夹头中心设有内孔，所述内孔直径为100~160mm。

21、在一种可行的实施方式中，所述调质处理包括：

22、将粗加工后的所述主轴垂直吊装装炉，装炉温度≤500℃；

23、装炉后将所述主轴以≤100℃/h的速度升温至640℃~680℃后保温1h~5h，然后以≤90℃/h的速度升温至860℃~890℃后保温6h~10h，然后出炉油冷；

24、继续将所述主轴垂直吊装装炉，装炉温度≤350℃，以≤70℃/h的速度升温至570℃~640℃后保温9h~15h，然后空冷。

25、在一种可行的实施方式中，还包括：

26、在调质处理后稳定处理前，还包括对所述主轴半精加工，所述半精加工尺寸为精加工尺寸留单边1mm~3mm的余量。

27、在一种可行的实施方式中，所述稳定处理中的分段加热方式包括：

28、将调至处理后的所述主轴垂直吊装装炉后，以≤70℃/h的速度升温至200℃~240℃后保温，保温时间为t3，然后以≤50℃/h的速度升温至380℃~420℃后保温，保温时间为t4，再以≤50℃/h的速度升温至540℃~560℃后保温，保温时间为t5；

29、其中，t3=1h~3h；t4=2h~4h；

30、t5=dmax/ (25~35) + 4h，dmax为所述主轴锻件的最大台阶直径，单位为mm。

31、在一种可行的实施方式中，所述稳定处理还包括：

32、升温结束后，将所述主轴冷却至530℃~550℃后保温，保温时间为t6；

33、其中，t6=dmax/ (20~30) + 4h，dmax为所述主轴锻件的最大台阶直径，单位为mm。

34、在一种可行的实施方式中，所述稳定处理中的分段变速降温方式包括：

35、保温结束后，将所述主轴以≤30℃/h的速度冷却至380℃~420℃，再以≤50℃/h的速度冷却至200℃~300℃，最后出炉空冷至室温。

36、相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

37、本发明一种压缩机主轴热处理方法，通过采用来料光面→退火→粗加工→调质处理的优化工艺路线，以随炉慢冷的退火工艺替代空冷正火，大幅降低铸造、锻造引入的原始残余拉应力，同时将粗加工调整至退火之后，避免因破坏应力平衡引发的变形与尺寸漂移；在此基础上，配合阶梯升温+先高后低分段保温+分段变速降温的稳定处理工艺，通过阶梯升温控制热应力产生、先高后低分段保温形成微交变应力场以消除顽固微观残余应力、分段变速降温避免应力回生，并在调质及稳定处理过程中采用垂直吊装方式使内应力沿圆周方向均匀分布；通过上述工艺能将可将30cr2ni4mov钢主轴残余应力稳定控制在-50mpa以内（即绝对值≤50mpa），且均为有益的压应力；综上通过本发明的热处理方法有效避免了因残余应力过大导致的尺寸稳定性差及微区塑性变形风险，显著提高了主轴的尺寸稳定性与疲劳强度，满足了中高温储能压缩机每日频繁启停的严苛服役要求。

38、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。