CN101935811B - 一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，化学成分wt％为：C：0.41-0.44％，Si：0.17-0.37％，Mn：0.60-0.80％，Cr：0.90-1.20％，Mo：0.20-0.30％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Al：0.015-0.045％，Cu：≤0.20％，Sb：≤0.003％，Sn：≤0.002％，As：≤0.010％，B≤0.0010％，[O]：≤15ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：≤70ppm，余为Fe。本发明采用以下生产工艺制备，在常规的转炉中熔炼后，在精炼装置中进行精炼，在精炼后期进行钡微合金化及终脱氧。在精炼前或者精炼后采用RH进行脱气和去除夹杂物。本发明组分设计合理、工艺先进，不仅使材料具有高强度、耐低温冲击、耐候性能优异等特点，而且具有节约贵重资源、成本低的优点。

Description

一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的合金结构钢，具体涉及高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMo4钢设计及其生产工艺。

背景技术：

由于风电机组大多位于国内北方地区和沿海地区，风电回转支承轴承一般安装在一百多米高的风力发电机上，长期受到巨大的风力作用，而且要在零下几十度的环境温度下工作。风力发电机开始偏转时，偏航加速度将产生冲击力矩。偏航转速越高，产生的加速度也越大，由于转动惯量非常大，这样使本来就很大的冲击力矩成倍增加。除冲击力矩外，风力发电机如果在运动过程中偏转，偏航回转支承还将承受相当大的陀螺力矩，容易造成偏航支承的工作疲劳失效。另外，由于风力发电机在野外高空环境中工作，回转支承工作在风沙、雨水、盐雾、潮湿等环境下，给其安装、润滑及维修都带来不便。为此不仅要求支承具有足够的强度和承载能力，还要求其运行平稳、安全可靠、寿命长(一般要求20年)、润滑、防腐及密封性能良好。

我国JB/T10705-2007标准中，对偏航、变桨风电回转支承套圈材料低温冲击功，在-30℃条件下规定Akv不小于27j。在上述风力发电机轴承的专用标准中，规定了：偏航、变桨回转支承套圈材料采用42CrMo，其性能应符合GB/T3077-1999的规定，也可采用满足性能要求的其他材料。而国内外风电制造厂家要求材料满足：在-40℃下其冲击功Akv≥27j。美国铁姆肯、德国蒂森克虏伯具备该钢种的生产能力，但是由于技术保密难以得到准确的化学成分及生产工艺。国内专利申请号200810045394.7，公开了“耐低温冲击的风电变浆、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢”，这种钢虽能解决在低温下的冲击功问题，但由于合金成分设计中含有镍、钒、铌等贵重金属，不仅大大增加了钢的成本，而且合金元素的提高还增加了钢材冶炼难度，更为连铸坯内在质量的控制增加了较大难度。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，同时提供这种钢的生产工艺，不仅解决了GB/T3077中42CrMo合金结构钢不能满足-40℃下Akv≥27j的难题，而且与现有技术相比具有成本低、钢的强度高、塑性好、耐候性能、以及低温冲击性能好。

国内目前用于高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMoVNb钢(专利号：200810045394.7)以及GB/T3077标准成分，与本发明的钢种对比情况如下。(重量比％)

本发明通过以下技术方案实现：

一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，化学成分wt％为：C：0.41-0.44％，Si：0.17-0.37％，Mn：0.60-0.80％，Cr：0.90-1.20％，Mo：0.20-0.30％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Al：0.015-0.045％，，Cu：≤0.20％，Sb：≤0.003％，Sn：≤0.002％，As：≤0.010％，B≤0.0010％，[O]：≤15ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：≤70ppm，余为Fe。

本发明进一步优选方案是，所述钢的化学成分wt％为：C：0.41-0.44％，Si：0.20-0.32％，Mn：0.65-0.75％，Cr：1.00-1.10％，Mo：0.21-0.25％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Al：0.020-0.040％，Cu：≤0.02％，Sb：≤0.0003％，Sn：≤0.001％，As：≤0.005％，B≤0.0010％，[O]：≤0.0015％，[H]：≤0.00015％，[N]：≤0.0060，余为Fe。

本发明更进一步优选方案是，所述钢的化学成分wt％为：C：0.41-0.44％，Si：0.26-0.28％，Mn：0.68-0.70％，Cr：1.01-1.03％，Mo：0.23-0.24％，P：≤0.012％，S：≤0.002％，Al：0.032-0.036％，Cu：≤0.02％，Sb：≤0.0003％，Sn：≤0.0012％，As：≤0.005％，B≤0.0004％，[O]：≤0.0013％，[H]：≤0.00015％，[N]：≤0.0048，余为Fe。

用上述钢的圆坯经过锻造、热处理后-40℃冲击功大于27j。

下面具体说明本发明高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMo4钢化学成分的限定理由。

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转变温度。即C在保证性能的前提现最好尽可能的降低，但是如果C含量低于0.41％，回转支承轴齿淬-回火后J5达不到56-63HRC的要求。如果C含量高于0.25％，按照本发明方案，材料的塑性指标和低温冲击性能均达不到客户使用要求，所以本钢种C含量取0.41-0.44％。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.17％才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn、Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.17-0.37％。

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于0.60％时，材料的力学性能和淬透性能均很难达到回转支承的使用要求，当Mn含量过高时，大大增加了材料的淬火裂纹倾向，且加大了工件淬火后的变形趋势，对回转支承的整体淬火工艺十分不利，所以Mn含量确定为0.60-0.80％。

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的硬度抗腐蚀、耐磨性和耐候性。Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，如果Cr低于0.90％材料淬透性达不到要求，同时材料抗腐蚀和耐磨性差，如果高于1.20％材料的塑性指标将受到影响，同时过高的Cr会形成氧化物夹杂，降低钢的冲击韧性，同时增加材料淬火变形，所以确定Cr含量为0.90-1.20％。

Mo：提高钢的淬透性、提高钢的热强性并提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向等作用。可以明显地改善钢材焊缝处的淬火特性，减少淬火裂纹，提高焊缝处的冲击韧性。当Mo含量低于0.20％时，难以满足J30≥32HRC的要求，但是当Mo含量高于0.30％时对钢材低温韧性产生不利影响，所以本发明确定Mo含量为0.20-0.30％。

Ni：与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相或γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素。是一种重要的战略物资。作为合金化元素，能不用的尽量不用，不能不用的尽量少用。与对比钢相比在保证材料使用性能的前提下，通过合理的成分设计与加工工艺使得材料性能得到最大限度的发挥，大大地节约了战略物资Ni。

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时作为细化晶粒元素存在于钢种，起到提高钢的低温性能和耐蚀性能的作用；如果Al含量过高，容易形成硬的Al₂O₃夹杂，恶化钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的成分控制范围为0.015-0.045％。这是本发明工艺的优势之一。

残余元素：残余元素P、S、Sn、Sb、As、Cu、B等，实践证明，P、S、Sn、Sb、As在晶间偏聚造成晶界脆化，会造成材料高温回火脆性，同时P、As、Sb超过一定含量时，对钢材的脆性转变温度提高很多，造成材料低温冲击韧性低，恶化钢材的综合力学性能。所以本发明对上述残余元素作了相关的规定。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0015％以内，这是本发明工艺的优势之一。

N：钢中N主要起固溶强化和沉淀强化的作用，但N导致钢的时效及蓝脆现象，过高的N还会造成钢的疏松和气泡。本发明及生产工艺可以将N控制在0.0070％以下。

H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015％以下。

按照本发明生产的风电回转支承用42CrMo4，具有高强度、耐腐蚀、高韧性以及较低的屈强比，并具有较高的冲击韧性。材料经过整体调质后，-40℃，V型缺口冲击功AKv≥40J。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)显著地节约了战略物资Ni。在保证材料使用性能的情况下，基本取消了Ni的添加，有利于经济的可持续、长远发展。

(2)采用RH工艺，进行脱气和去除夹杂物，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的低温冲击功。

(3)本工艺采用LD+LF+RH+CCM工艺，保证较低的H、O、N以及有害残余元素的含量，尤其是对低温冲击产生不利影响的残余元素如：As、Sn、Sb、B等元素含量，使得材料具有优异性能尤其是低温冲击韧性，满足-40℃下的使用要求。

(4)本发明在未添加贵重金属Ni以及微合金化元素V、Nb等稀有金属元素情况下，通过合理成分设计及先进的工艺满足了材料的-40℃下的使用要求，大大节约了成本(吨节约成本近千元)。

具体实施方式：

实施例1

采用以下生产工艺制备：

(1)转炉冶炼，在60吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，加入铁水及废钢，转炉实现预脱P、挡渣留渣出钢防止回P、出钢进行预脱氧合金化及成分初调；

(2)LF精炼，在60吨以上的LF炉中造高碱度渣脱S、脱O，足够的软吹时间与氩吹强度保证去除夹杂物效果；

(3)RH，在LF精炼后，也可以采用在LF精炼前，采用60吨以上RH，在高真空下保持25分钟以上，实现真空脱气及去除夹杂物，保证[H]≤0.00015％、[O]≤0.0015％获得较高的钢水洁净度；

(4)连铸，采用意大利达涅利公司生产的R14m的6机6流连铸机，浇铸过程中对中间包实现定H、N操作，保证中间包钢水[H]≤0.00015％、[N]≤0.0070％，全保护浇铸成φ380mm-600mm的圆坯；

(5)钢坯精整，钢坯采用喷丸加人工检查精整工艺消除表面缺陷。

所得钢的化学成分：

C 0.44％，Si 0.28％，Mn 0.70％，Cr 1.03％，Ni 0.02％，Mo 0.23％，V 0.006％，Nb0.002％，Al 0.032％，S 0.001％，P 0.012％，B 0.0004％，Cu 0.02％，Sb 0.0002％，Sn 0.001％，As 0.005％，[O]0.0013％，[N]0.0042％，[H]0.00012％，余为Fe。

φ500mm圆坯经过锻打、加工成型后，-40℃，V型缺口冲击功AKv＝53J。

实施例2

C 0.42％，Si 0.26％，Mn 0.68％，Cr 1.02％，Ni0.01％，Mo 0.23％，V 0.005％，Nb 0.002％，Al 0.036％，S 0.001％，P 0.011％，B 0.0003％，Cu 0.01％，Sb 0.0003％，Sn 0.0012％，As 0.003％，[O]0.0010％，[N]0.0048％，[H]0.00010％，余为Fe。

φ500m圆坯经过锻打、加工成型后，-40℃，V型缺口冲击功AKv＝6J。

其余实施如实施例1。

实施例3

C 0.43％，Si 0.27％，Mn 0.69％，Cr 1.01％，Ni 0.02％，Mo 0.24％，V 0.004％，Nb 0.002％，Al 0.034％，S 0.001％，P 0.011％，B 0.0003％，Cu 0.01％，Sb 0.0003％，Sn 0.0012％，As 0.003％，[O]0.0011％，[N]0.0043％，[H]0.00012％，余为Fe。

φ500mm圆坯经过锻打、加工成型后，-40℃，V型缺口冲击功AKv＝56J。

其余实施如实施例1。

上述三个实施例中的Ni、V、Nb元素为废钢带入，本发明对废钢带入的Ni、V、Nb作了限定，其中的Ni≤0.30％，V≤0.10％，≤0.05％。

上述三个实施例中得到的钢，其圆坯经过锻打、加工成型后，所测低温冲击功，是徐州罗特艾德回转支承公司使用后的实际产品的性能指标。

Claims (4)

1.一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，其特征在于化学成分wt％为：C：0.4-0.44％，Si：0.20-0.32％，Mn：0.65-0.75％，Cr：1.00-1.10％，Mo：0.21-0.25％，P：≤0.015％，S：≤0.010％，Al：0.020-0.040％，Cu：≤0.02％，Sb：≤0.0003％，Sn：≤0.001％，As：≤0.005％，B≤0.0010％，[O]：≤0.0015％，[H]：≤0.00015％，[N]：≤0.0060，Ni≤0.30％，V≤0.10％，Nb≤0.05％，余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，其特征在于化学成分wt％为：C：0.41-0.44％，Si：0.26-0.28％，Mn：0.68-0.70％，Cr：1.01-1.03％，Mo：0.23-0.24％，P：≤0.012％，S：≤0.002％，Al：0.032-0.036％，Cu：≤0.02％，Sb：≤0.0003％，Sn：≤0.0012％，As：≤0.005％，B≤0.0004％，[O]：≤0.0013％，[H]：≤0.00015％，[N]：≤0.0048，Ni ≤0.30％，V≤0.10％，Nb≤0.05％，余为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢，其特征在于圆坯经过锻造、热处理后-40℃冲击功大于53j。

4.制备权利要求1或2所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢的生产工艺，其特征在于包括下列步骤：

(1)转炉冶炼，在60吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，加入铁水及废钢，转炉实现预脱P、挡渣留渣出钢防止回P、出钢进行预脱氧合金化及成分初调；

(2)LF精炼，在60吨以上的LF炉中造高碱度渣脱S、脱O，足够的软吹时间与氩吹强度保证去除夹杂物效果；

(3)RH，在LF精炼后或在LF精炼前，采用60吨以上RH，在高真空下保持25分钟以上，实现真空脱气及去除夹杂物，保证[H]≤0.00015％、[O]≤0.0015％获得较高的钢水洁净度；

(4)连铸，采用6机6流连铸机，浇铸过程中对中间包实现定H、N操作，保证中间包钢水[H]≤0.00015％、[N]≤0.0070％，全保护浇铸成φ380mm-600mm的圆坯；

(5)钢坯精整，钢坯采用喷丸加人工检查精整工艺消除表面缺陷。