一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢及其生产方法技术

本发明专利技术涉及一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢及其生产方法，属于冶金领域。产品元素成分质量百分含量：C：0.90～1.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.60～0.80％，Cr：1.65～1.90％，Mo：0.20～0.35％，Ni≤0.25％，Al≤0.05％，P≤0.010％，S：0.005

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢及其生产方法


[0001]本专利技术属于冶金
，更具体的是涉及轴承钢及相应的生产工艺。

技术介绍

[0002]风能是目前最有发展前景的可再生能源，是一种洁净、无污染的绿色能源，在各种可替代能源中，风能的利用前景最为广阔，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大。
[0003]风力发电机轴承是风力发电机组中重要的传动装置，一台风力发电机组应用轴承最多可达32套。所以选好轴承对保证风电机组的安全稳定运行非常重要。风力发电机组轴承一般分为以下几种：偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速器轴承和发电机轴承。根据轴承类型不同，技术要求也不同。
[0004]风电轴承的工况条件比较恶劣，经受温度、湿度和载荷变化范围很大，偏航和变桨轴承要承受很大的倾覆力矩，主轴和增速器轴承在启动和制动时要承受很大的冲击载荷，由于要求风电机组在风速达到3～4m/s的条件下即能启动发电，所以轴承应具有低摩擦力矩、高运转灵活性的特点。另外，最关键的是，由于吊装和更换轴承极为不便且成本较高，一次安装拆卸费用即高达几十万到上百万，因此，20年的使用寿命及高可靠性，就成为对风电轴承的基本要求。
[0005]目前，在全球风电轴承市场占据统治地位的主要有瑞典SKF、德国FAG、美国TIMKEN和日本NSK等。国内风电轴承企业的产能主要集中在技术门槛相对较低的偏航轴承和变桨轴承上，3MW以下风电设备配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到80％以上，年产能已达4万套以上；而主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。
[0006]当前，国内风力发电机的主轴轴承用钢主要采用电渣重熔工艺生产的轴承钢，选用钢材包括传统的高碳轴承钢GCr15和GCr15SiMn，也有选用渗碳轴承钢如G20Cr2Ni4。电渣重熔工艺生产的钢材具有非金属夹杂物颗粒细小且分布均匀、组织均匀性高和致密度高等诸多质量优势，因此，其质量稳定性一直较好。但电渣重熔生产工艺也存在生产效率和产能非常低，能耗和生产成本非常高等明显的劣势，因此，电渣重熔钢的市场竞争力很低。专利号为CN109161658A的一种风力发电机主轴轴承用钢及其生产方法，该专利提出采用真空脱气加连铸工艺生产风力发电机主轴轴承用钢，并替代电渣工艺，从而实现降低成本的目的。该专利涉及的是渗碳轴承钢，渗碳轴承钢经过渗碳处理后能够保证足够的硬度和耐磨性，心部又保持原有的钢材金相组织，具备很好的韧性，适合用于风力发电机主轴轴承用钢的用途。但渗碳钢合金含量高，特别是贵重金属Ni含量很高，且后续还要进行渗碳处理，虽然该专利采用真空脱气+连铸工艺替代电渣重熔工艺，从一定程度上优化了流程，降低了生产成本，但成本还是高昂。若采用高碳轴承钢，还能进一步显著降低生产成本，但采用真空脱气+连铸工艺生产用于风力发电机主轴轴承的高碳轴承钢还尚未见公开。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢及其制备方法，在满足风力发电机主轴轴承滚动体用钢质量要求基础上，开发真空脱气+连铸工艺的生产方法，降低产品的生产成本，使具有更强的市场竞争力。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢的化学成分按质量百分比计为C：0.90～1.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.60～0.80％，Cr：1.65～1.90％，Mo：0.20～0.35％，Ni≤0.25％，Al≤0.05％，P≤0.010％，S：0.005
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0.015％，Cu≤0.20％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，余量为Fe及不可避免的杂质。本专利技术钢的主要化学成分设计依据如下：
[0010]1)C含量的确定
[0011]高碳轴承钢中，碳的含量一般在1.0％左右，是保证轴承钢具有淬透性、硬度、耐磨性的最重要元素之一。但碳含量再高，对硬度影响不大，反而容易产生轴承钢碳化物，而且还会降低轴承钢韧性。本专利技术C含量与传统高碳铬轴承钢GCr15相同，范围确定为0.90～1.05％。
[0012]2)Si含量的确定
[0013]钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本专利技术Si含量的范围确定为0.20
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0.40％。
[0014]3)Mn含量的确定
[0015]Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生产，因此钢中含有少量锰，能提高钢的纯净度和性能。但钢中Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，而且Mn有促进晶粒长大的作用，会导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，且尺寸稳定性降低，对客户使用产生不利影响。本专利技术Mn含量的范围确定为0.60
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0.80％。
[0016]4)Cr含量的确定
[0017]Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降，本专利技术Cr含量的范围设计为1.65
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1.90％。
[0018]5)Al含量的确定
[0019]Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时，钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al2O3等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响成品的使用寿命。本专利技术Al含量的范围确定为≤0.05％。
[0020]6)Mo含量的确定
[0021]钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。但钼是铁素体形成元素，当钼含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。本专利技术Mo含量的范围确定为0.20
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0.35％
[0022]7)Ca含量的确定
[0023]Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本专利技术Ca含量的范
围确定为≤0.001％。
[0024]8)Ti含量的确定
[0025]Ti元素与N元素结合可形成氮化钛夹杂物，由于其硬度很高、呈尖角状，在轴承运转中易引起应力集中对轴承寿命影响较大，因此确定Ti≤0.0015％
[0026]9)O含量的确定
[0027]氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢中脆性氧化物类夹杂物含量显著有利。本专利技术氧含量的范围确定为O≤0.0008％。
[0028]10)P、S含量的确定
[0029]P元素在钢的凝固时引起元素偏析，其溶于铁素体使晶粒扭曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢，其特征在于：其元素成分质量百分含量：C：0.90～1.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.60～0.80％，Cr：1.65～1.90％，Mo：0.20～0.35％，Ni≤0.25％，Al≤0.05％，P≤0.010％，S：0.005
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0.015％，Cu≤0.20％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，余量为Fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢，其特征在于：热轧后钢材表层的金相组织为索氏体组织、心部组织为珠光体组织；球化退火处理后的金相组织为球状碳化物颗粒，其在圆钢截面上碳化物颗粒的球化率为100％。3.根据权利要求2所述的风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢，其特征在于：热轧后钢材表层的索氏体组织的厚度≤0.3％D，D为钢材直径，剩余为珠光体组织。4.根据权利要求2所述的风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢，其特征在于：圆钢端淬J1.5≥61HRC，钢材心部常温下的冲击性能AKU要求≥60J。5.根据权利要求1所述的风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢，其特征在于：微观夹杂物根据GB/T 10561A法检验，B细系≤1.0级、B粗系≤0.5级、D细系≤1.0级，D粗系≤0.5级、DS系≤1.0级；宏观缺陷采用SE9 1927法进行水浸高频探伤检验，总的超声波缺陷指数不超过5mm/dm3，单个超声波缺陷的最大长度不超过2mm；低倍组织要求采用GB/T 1979对钢材低倍组织评级，中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级，并且不出现缩孔、裂纹及皮下气泡；按GB/T 18254
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2016检验碳化物网状、带状、液析和显微孔隙，碳化物网状≤2.0级，碳化物带状≤2.0级，不存在碳化物液析及显微孔隙。6.一种生产权利要求1
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5中任一权项所述的风力发电机主轴轴承滚动体用高碳轴承钢的方法，其特征在于：包括一、钢水冶炼初炼：初炼出钢终点碳含量控制在0.15～0.25％，防止钢水过氧化，终点磷含量控制在≤0.015％；精炼：过程进行脱氧，钢水表面造渣，采用钢水深部沉淀脱氧，钢水表面扩散脱氧，采用底吹氩搅拌钢水促使夹杂物上浮至表面钢渣中，将精炼炉温度控制在1520
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1650℃，整个精炼过程时间控制在≥50min，精炼结束时，钢水温度控制在1535℃
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1575℃；在过程前期加入合金调整锰和铬含量；真空脱气：精炼结束后进行高真空脱气处理，真空处理结束后调节钢水中的硫含量至设置范围内，同时对钢水表面添加覆盖剂使钢水表面不裸露，采用氩气搅拌钢水促进夹杂物上浮，真空脱气结束时钢水温度控制在1485℃
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1525℃；连铸：连铸全流程保护防止钢水氧化，采用电磁搅拌、中间包感应加热和轻压下；二、连铸坯轧制连铸坯加热：连铸坯热送加热炉，组织完全奥氏体化、均质；连铸坯轧制：连铸坯经除鳞后在奥氏体单相区开始轧制，经过多架横立式轧机交替进行轧制，每道次变形量控制在12％
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18％，轧制过程对钢材多次穿水冷却，冷却速度控制在20℃
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30℃/s，控制终轧温度在奥氏体与碳化物析出两相区温度范围内，钢材经过两相区变形使先析出的碳化物和未再结晶的奥氏体同时受到塑性加工；
轧后冷却：终轧结束后钢材进行穿水冷却，冷却速度控制在40℃
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50℃/s，使穿水结...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏，白云，吴小林，尹青，李文彬，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：