CN101705342B - 一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于热处理工艺技术领域，公开一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺，其调质工艺参数为：调质热处理淬火加热温度：840℃±10℃；调质热处理淬火保温时间(h)：3.5小时；调质热处理回火加热温度：580℃±10℃；调质热处理回火保温时间(h)：8小时；调质热处理采用的冷却介质为F2000，浓度为6％。本发明解决了风电轴承采用传统的热处理工艺处理后，低温冲击功不能满足要求的重大技术难题；大幅度地提高了风电轴承的低温冲击功，确保其能够具有高的可靠性，减少了质量隐患。

Description

一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺

技术领域

本发明属于热处理工艺技术领域，尤其涉及的是一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺。

背景技术

偏航、变浆风电轴承套圈是采用42CrMo钢材作为原材料。风电轴承是安装在一百多米高空的风力发电机上，不可避免地要长期受到巨大的风力作用，承受着巨大的冲击载荷，而且要在零下几十度的环境温度下工作。风电轴承特殊的服役条件决定其必须具有极高的可靠性，否则，一旦轴承发生早期失效，仅一次安装拆卸费用就超过100万元，这将给轴承用户带来巨大的经济损失，因此，用户对其低温冲击功的要求越来越高。

低温冲击功是衡量风电轴承是否具有高可靠性的一个非常重要的性能指标。为保证风电轴承能够具有高的可靠性，轴承行业制订了JB/T 10705-2007《滚动轴承风力发电机轴承》标准。标准中明确规定：风电轴承套圈的低温冲击功要求为：-20℃A_KV不小于27J。

42CrMo钢属于中碳合金结构钢，无论是教科书还是国家合金结构钢标准“GB/T 3077-1999合金结构钢”中对其规定的热处理淬火的冷却方式均为油冷。由于油的冷却速度较慢，风电轴承锻件淬火后难以得到100％的马氏体组织，回火后，组织中不但存在条状和块状铁素体，而且还存在托氏体组织(见图1)。由于托氏体中碳化物呈细片状，因此，其低温冲击韧性指标(A_KV)远低于回火索氏体组织，组织中的大量条状和块状铁素体，造成组织不均匀，最终导致性能不均匀，大量的铁素体还将导致局部硬度低。由于铁素体和托氏体的存在，降低了钢的综合机械性能，导致了钢材冲击功的大幅度降低，因此，风电轴承锻件按照现行的热处理工艺难以满足对其高的低温冲击功的要求。为了进一步提高公司风电轴承的低温冲击功，使其具有高的可靠性，本发明对影响42CrMo材料低温冲击功的诸多因素和提高其低温冲击功的热处理方法进行了大量地研究。

发明内容

为了解决风电轴承锻件现行热处理工艺难以满足对其高的低温冲击功要求这一技术难题，本发明提供了一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺，该热处理工艺能够大幅度地提高风电轴承的低温冲击功及其力学性能。

为实现上述发明目的本发明采用的技术方案是：通过采用43种热处理工艺(43种工艺中采用了不同的热处理工艺方法、淬火温度、回火温度、淬火介质及浓度)及不同化学成分的42CrMo材料对风电轴承套圈用42CrMo材料进行调质热处理工艺的试验研究，对化学成分、金相组织、晶粒度、淬火、回火温度、淬火介质的种类及浓度等对42CrMo材料低温冲击功的影响进行了大量的研究分析，提出了风电轴承套圈用42CrMo材料的调质热处理工艺。

在风电轴承锻件调质热处理中，淬火介质的冷却速度是影响其低温冲击功的一个关键因素。随着淬火介质冷却速度的增加，调质材料的淬透性也随着增加，并且材料淬火后得到的马氏体组织越细小，马氏体的数量也随之增加，材料回火后就能得到比较细小且数量较多的的回火索氏体组织。在所有金相组织中，回火索氏体组织的冲击功是最高的。因此，随着调质所采用的淬火介质的冷却速度的增加，-20℃、-40℃的冲击功也依次增加。但是，如果淬火介质的冷却速度过快，易导致淬火零件的变形和开裂。理想的淬火介质是在高温阶段(300℃以上)冷却速度尽可能快，以便能够得到100％的马氏体组织，而马氏体转变的低温阶段(300℃以下)冷却速度尽可能慢，以便减少零件的淬火变形和开裂倾向。

如果采用纯水、乳化液淬火，由于其冷却速度非常快，易导致淬火零件的变形和开裂；PAG类淬火介质存在一个非常致命的缺点——易变质、老化。淬火介质在恶劣的使用环境下，由于氧化降解、热降解、机械降解的作用，将会促使聚二醇(PAC)分子链断裂而变短。分子链变短意味着流动性变异，即粘度减少。而对流阶段冷却与介质的流动性(粘度)密切相关。粘度变小，对流冷速加大。尽管在保证相同浓度的情况下，随着使用过程的不断延续，PAG类淬火介质的粘度逐渐变小，冷却速度特别是对流阶段(低温阶段)冷却速度逐渐变大，因此，将加大锻件淬火变形、开裂的倾向；F2000淬火介质与纯水、PAG和乳化液相比的突出优点是永不变质，并且具有接近淬火油的低温冷却速度。自来水的300℃冷速为85-100℃/s左右，而一般矿物油的300℃/s时冷速为5-10℃/s左右，PAG300℃时冷速一般在40-50℃/s，F2000在15％时该值可以降低到10-15℃/s。众所周知，在淬火冷却的过程中，在低温的马氏体转变区的冷却速度越小，淬火变形开裂的倾向就越小，因此，本发明选择F2000作为风电轴承锻件调质热处理冷却介质。

表1

采用油、F2000、乳化液、PAG、和水五种冷却介质对42CrMo样件进行调质热处理，处理工艺及检验结果见表1。

材料的晶粒度对其低温冲击功有着显著的影响。随着晶粒度级别的提高(晶粒越细小)，低温冲击功越高。晶粒度对冲击功的影响机理为：晶粒越细，晶粒越多，晶界就越多，裂纹扩展的阻力就越大，冲击功就越高。

在对风电轴承锻件进行调质热处理过程中，淬火加热温度和保温时间是影响其晶粒度的主要因素，其中加热温度的影响尤为显著。零件在淬火加热过程中，随着淬火零件加热温度的提高，碳原子扩散系数将增大，特别是碳原子在奥氏体中的扩散系数的增大加快了奥氏体的长大速度；此外，随着淬火温度的增加，奥氏体-铁素体相界面与奥氏体-渗碳体相界面之间的浓度差加大，这就增大了奥氏体中碳的浓度梯度，由于碳浓度梯度的增大，因而加快了奥氏体的长大速度。当温度从740℃提高到800℃时，奥氏体的长得速率约增加80倍。因此，在对风电轴承锻件进行调质热处理时，加热温度是影响锻件晶粒度的重要因素，必须严格控制其加热温度和保温时间。本发明确定的淬火温度为840℃，保温时间为210min。

本发明对风电轴承用42CrMo材料采用不同的调质热处理工艺，获得不同级别晶粒度的样件，并对样件进行了低温冲击功检验，检验结果见表2，晶粒度照片见图3、图4、图5。

表2

风电轴承锻件调质热处理后的金相组织是影响其低温冲击功的关键因素。随着金相组织的级别增大，冲击功值降低。当调质后的金相组织为1级时，金相组织为100％的回火索氏体组织，且组织较细小，由于回火索氏体组织具有良好的综合机械性能，因此，其低温冲击功值最高。随着金相组织的级别增大，组织中的回火索氏体比例在下降，组织中存在的铁素体、托氏体等非马氏体组织比例在增加，因此，其低温冲击功值逐渐降低。

1级金相组织：100％的回火索氏体组织，且组织较细小，见图6。3级金相组织：回火索氏体+少量铁素体，见图7。4级金相组织：回火索氏体+条状及少量块状铁素体，见图8。5级金相组织：回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体，见图9。6级金相组织：回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体，见图10。从金相组织照片可以看出，当金相组织超过3级时，金相组织中存在数量较多的铁素体(条状或块状)，当大于5级时，金相组织中不但存在铁素体，而且还存在托氏体组织。由于托氏体中碳化物呈细片状，因此，其韧性指标远低于回火索氏体组织。金相组织中的大量条状及块状铁素体，造成组织不均匀，最终导致性能不均匀。大量的铁素体还将导致局部硬度低。由于铁素体和托氏体的存在，降低了钢的综合机械性能，因此，导致了钢材冲击功的大幅度降低。

在钢调质后的诸多组织中，回火索氏体具有最高的综合机械性能和低温冲击韧性。当调质组织达到或接近1级时，组织中的回火索氏体所占的比重最大，因此，随着金相组织的级别增大，冲击功值降低。

在调质热处理过程中，淬火加热温度及淬火后的冷却速度是决定淬火后金相组织级别的主要因素，其中，淬火后冷却速度的影响尤其显著。因此，为了使风电轴承锻件淬火后得到较为理想的金相组织，在制定风电轴承锻件进行调质热处理工艺时，除了要控制好加热温度和保温时间之外，更重要的是要选择合适冷却速度的淬火介质。

低温冲击功与金相组织的关系见表3。

表3

淬火加热温度是影响风电轴承锻件力学性能的重要因素之一。当回火温度相同时，在一定的淬火温度范围内，随着锻件淬火温度的提高，锻件淬火后的强度、硬度也在提高，塑性、韧性略有下降。其影响机理为：

随着淬火温度的升高，原始组织中的铁素体溶解于奥氏体就越充分，淬火后马氏体的含量就越多，回火后得到的回火索氏体组织就越多，未溶铁素体就越少，因此，随着淬火温度的提高，钢的强度、硬度增加。

本发明选择的淬火加热温度为840℃。

本发明采用相同的回火温度、四种不同的淬火温度对42CrMo材料进行了调质热处理工艺试验，淬火工艺和力学性能的检验结果见表4。

表4

在制定风电轴承的调质热处理工艺时，不仅要考虑加热温度对低温冲击功的影响，同时还应考虑加热温度对其力学性能的影响。

风电轴承锻件的回火温度是影响其力学性能的重要因素之一。当淬火温度相同时，随着锻件回火温度的提高，锻件淬火后的强度、硬度下降，塑性、韧性略有提高。

影响机理为：在淬火温度相同的情况下，随着回火温度的升高，回火时析出的Fe3C聚集长大，回火温度越高，Fe3C颗粒越大，因此，强度、硬度就越低，塑性、韧性越高。

本发明选择的回火温度为580℃。

本发明采用相同的淬火温度、四种不同的回火温度对42CrMo材料进行调质热处理工艺试验，调质热处理工艺和力学性能的检验结果见表5。

表5

在制定风电轴承锻件的调质热处理工艺时，应综合考虑回火温度对其低温冲击功和力学性能的综合影响。

材料因素：为了进一步提高风电轴承的低温冲击功，在选择风电轴承的调质热处理工艺参数时，除了需要考虑淬火介质、晶粒度、金相组织、淬火温度和回火温度之外，还应考虑原材料中元素含量对低温冲击功的影响。风电轴承用42CrMo材料中S、P、Mn的含量是影响其低温冲击功的重要因素。随着钢中S、P含量的降低，Mn含量的提高，钢的低温冲击功值明显提高。影响机理如下：

S在固态下以FeS形态存在于钢中，由于FeS塑性差，因此，含硫较多的钢脆性较大，更严重的是，FeS与铁形成低熔点(985℃)的共晶体分布在奥氏体晶界上，当钢加热到1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已熔化，晶粒间结合被破坏，使钢材在加工时沿晶界开裂。这样钢在进行冲击时极易断裂，尤其在低温时冲击功值很低。为消除硫的有害作用，须在钢中增加含Mn量，Mn与S形成高熔点(1620℃)的MnS，从而避免热脆性。精炼钢中Mn含量为1.11％，比非精炼钢0.92％要高，可避免S的热脆性，提高材料的冲击功。P有强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性显著降低，这种脆化现象低温时更严重。磷在结晶过程中，由于易产生晶内偏析，使局部区域含P量偏高，导致脆性转化温度升高，发生冷脆。冷脆对高寒地带及低温条件下的结构件有严重危害。

根据S、P、Mn对低温冲击功的影响规律，我们在确定风电轴承锻件所采用42CrMo钢时，对S、P、Mn的含量提出了特殊的要求。国家标准“GB/T3077中碳合金钢”中规定42CrMo材料S、P含量为：不超过0.035％，Mn含量为0.5％～0.8％。本发明确定的技术条件中S、P含量为：不超过0.025％，Mn含量为0.6％～0.9％。

本发明对不同化学成分的42CrMo材料进行了调质热处理工艺试验，然后对其低温冲击功进行测试。试验用钢S、P、Mn的含量及低温冲击功的检验结果见表6，图2。

表6

综上所述，本发明在制定风电轴承锻件调质热处理工艺时，综合考虑了材料、淬火介质、晶粒度、金相组织、淬火温度和回火温度等对其低温冲击功的影响因素，制定了能够显著提高其低温冲击功的热处理工艺，其调质工艺参数如下：

调质热处理淬火加热温度：840℃±10℃；

调质热处理淬火保温时间(h)：3.5小时；

调质热处理回火加热温度：580℃±10℃；

调质热处理回火保温时间(h)：8小时；

调质热处理采用的冷却介质为F2000，浓度为6％；

其操作步骤如下：

A、通过吊车将风电轴承用42CrMo锻件吊入炉内，以每小时小于60℃速度升温到淬火加热温度：840℃±10℃；

B、当锻件的表面和心部的温度均达到淬火加热温度时，在840℃±10℃段内保温，淬火保温时间为：3.5小时；

C、达到保温时间后，将锻件吊入淬火槽中进行淬火；

D、淬火时，采用的淬火冷却介质为F2000，浓度为6％；淬火液的温度应控制在10～50℃之间；温度如果超过50℃，液体的冷却速度就会受到影响；当淬火液温度低于10℃时，应采用加热的废套圈对淬火液进行加热，当淬火液温度高于50℃时，应对淬火液进行冷却；

E、锻件淬火后，应立即将其吊入回火炉中进行回火，回火加热温度：580℃±10℃；

F、当锻件的心部和表面均达到回火温度时，对其进行保温，回火保温时间：8小时；回火后的冷却方式为空冷；

经上述调质工艺处理后，对锻件的力学性能及低温冲击功进行了检测，检验结果如下：

低温冲击功值：-20℃Akv：66J；-40℃Akv：42J；室温Akv：110J；Rm：950Mpa；Rp0.2：780Mpa；A：20％；Z：64％；硬度：276HBW；

从检验结果可以看出，采用上述理想的调质工艺处理后，低温冲击功有显著的提高，其低温冲击功远远超过了“JB/T 10705-2007《滚动轴承风力发电机轴承》”标准规定的“-20℃AKV不小于27J”的技术要求。将试验得到的理想调质热处理工艺的检验结果与现有的工艺进行比较，低温冲击功得到了大幅度的提高，具体指标见表7。

工艺

常温(+25℃)

-20℃

-40℃

现有工艺	39	27.6	22
				本发明工艺	110	66	42

表7

本发明提出的工艺解决了风电轴承采用传统的热处理工艺处理后，低温冲击功不能满足要求的重大技术难题；大幅度地提高了风电轴承的低温冲击功，确保其能够具有高的可靠性，减少了质量隐患。

附图说明

图1为42CrMo锻件采用油淬火、回火后金相组织：回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体。

图2为低温冲击功与化学成分的关系。

图3为8.5级晶粒度图。

图4为9级晶粒度图。

图5为10.5级晶粒度图。

图6为1级金相组织。

图7为3级金相组织。

图8为4级金相组织。

图9为5级金相组织。

图10为6级金相组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明加以说明：

本发明在制定风电轴承锻件调质热处理工艺时，综合考虑了材料、淬火介质、晶粒度、金相组织、淬火温度和回火温度等对其低温冲击功的影响因素，制定了能够显著提高其低温冲击功的热处理工艺，其调质工艺参数如下：

调质热处理淬火加热温度：840℃±10℃；

调质热处理淬火保温时间(h)：3.5小时；

调质热处理回火加热温度：580℃±10℃；

调质热处理回火保温时间(h)：8小时；

调质热处理采用的冷却介质为F2000，浓度为6％；

其操作步骤如下：

A、通过吊车将风电轴承用42CrMo锻件吊入炉内，以每小时小于60℃速度升温到淬火加热温度：840℃±10℃；

B、当锻件的表面和心部的温度均达到淬火加热温度时，在840℃±10℃段内保温，淬火保温时间为：3.5小时；

C、达到保温时间后，将锻件吊入淬火槽中进行淬火；

D、淬火时，采用的淬火冷却介质为F2000，浓度为6％；淬火液的温度应控制在10～50℃之间；温度如果超过50℃，液体的冷却速度就会受到影响；当淬火液温度低于10℃时，应采用加热的废套圈对淬火液进行加热，当淬火液温度高于50℃时，应对淬火液进行冷却；

E、锻件淬火后，应立即将其吊入回火炉中进行回火，回火加热温度：580℃±10℃；

F、当锻件的心部和表面均达到回火温度时，对其进行保温，回火保温时间：8小时；回火后的冷却方式为空冷。

Claims (1)

1.一种提高42CrMo轴承低温冲击功的热处理工艺，其特征在于：所述热处理工艺的调质工艺参数如下：

调质热处理淬火加热温度：840℃±10℃；

调质热处理淬火保温时间：3.5小时；

调质热处理回火加热温度：580℃±10℃；

调质热处理回火保温时间：8小时；

调质热处理采用的冷却介质为F2000，浓度为6％；

其操作步骤如下：

A、通过吊车将风电轴承用42CrMo锻件吊入炉内，以每小时小于60℃速度升温到淬火加热温度：840℃±10℃；

B、当锻件的表面和心部的温度均达到淬火加热温度时，在840℃±10℃段内保温，淬火保温时间为：3.5小时；

C、达到保温时间后，将锻件吊入淬火槽中进行淬火；

D、淬火时，采用的淬火冷却介质为F2000，浓度为6％；淬火液的温度应控制在10～50℃之间；

E、锻件淬火后，应立即将其吊入回火炉中进行回火，回火加热温度：580℃±10℃；

F、当锻件的心部和表面均达到回火温度时，对其进行保温，回火保温时间：8小时；回火后的冷却方式为空冷。

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