CN102537069A - 大型海上风电机组轴承专用钢球及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型海上风电机组轴承专用钢球及其制造工艺，其钢球圆度为0.4～0.8um，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差为0.8HRC，批硬度差为1.2HRC，心部硬度大于>54HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度大于0.8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的1.2倍。利用原材料的甄选、球坯成型时采用热挤压连续成型、热处理中采用水溶性淬火剂进行多阶段淬火、增加二次稳定回火技术以及工艺流程中增加涡流无损探伤等多种技术相结合，使得钢球具有良好的高接触疲劳强度、高耐磨性、高弹性极限、适宜的硬度、高冲击韧性以及良好的尺寸稳定性等特点。

Description

大型海上风电机组轴承专用钢球及其制造工艺

技术领域

 本发明涉及一种大型海上风电机组轴承专用钢球，还涉及实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺。

背景技术

由于其绿色环保，风力发电近年来受到了世界各个国家的高度重视，风电行业形势发张相当迅速。我国风电市场约需求风电轴承专用钢球3000万粒，国际市场需要约15亿粒。因此风能发电专用钢球具有广阔的市场前景。在风力发电机上的钢球轴承一般有：偏航轴承、变桨轴承、发电机轴承。如水平轴风力发电机必须偏航实现对风，偏航轴承是偏航系统中的重要部件，其位于机舱的底部，承载着风力发电机主传动系统的全部质量，并传递气动到塔架，准确适时地调整风力发电机的迎风角度，风力发电机开始偏转时，偏航加速度将产生很大的力矩，同时偏航齿轮上还将承受相当大陀螺力知，易造成轴承的疲劳失效。

根据机组轴承的工作特点，该轴承应具有高可靠性、运转灵活严防海上盐雾并且寿命超过20年，对于机组变桨轴承一样，在工作时也会承受较大的旋转力矩，易出现提前失效。

发电机轴承连续高速工作，因此要求实施高精度、低振动和低噪间。由于风力发电机组在野外高空环境中风沙、雨水、盐雾、潮湿等恶劣环境下工作，同时要其运行平稳、安全可靠、寿命长（一般要求20年），无故障运行13万小时以下，可靠度达到99.9%，同时安装在数十米高空中，其吊装和更换极其不便，所以对于风电轴承用的钢球的要求，（1）高接触疲劳强度（2）高耐磨性（3）高弹性极限（4）适宜的硬度（5）高冲击韧性（6）良好的尺寸稳定性⑺较好的抗耐腐蚀等特点。

以前风电钢球工艺的缺点在于：

1. 目前国内市场上的轿车专用轴承钢球在选用原材料的材质是普通GCr15轴承钢，氧含量都在10-15PPM，从钢球加工工序为热轧成型工艺和光磨工序、热处理工艺上还是80年代的传统。原材料采用普通GCr15轴承钢，其材料质量差、含氧量高，夹杂物多，钢的寿命较低。

2．当前国际先进的小环带锥鼓型自动成型冷镦新工艺，虽然解决了大留量磨削和大进给量磨削中的表面变质层的技术难题；但从技术应用上风能专用钢球的直径尺寸大，基本都在36mm以上，由于其在冷镦过程中冲压力过大，球坯无法正常形成，显然冷镦成型技术是不能适应的；目前在市场上使用的都是一种通过热轧技术的钢球, 其弱点是工装模具技术不成熟，钢球表面缺陷比较高且深，特别是钢球两极会出现比较严重的稀疏现象，会形成钢球使用过程中的易疲劳失效区，同时钢球留磨量高，造成材料和后道工序加工成本的增加。

3． 热处理工序还是沿用的传统的加工办法，在淬火介质方面还是使用的油或水，但使用油作为介质会造成风电钢球（直径大于36MM）淬透性不足，但纯粹使用水，易造成钢球表面裂纹。

4．没有设置二次稳定回火，易形成钢球残余奥氏体偏高，尺寸稳定性差，在长时间使用过程中会生产钢球直径变化，从而造成钢球早期疲劳。

因此目前市场上还没有能完全符合标准的风能设备专用钢球及其工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用寿命长、高接触疲劳强度、高耐磨性、高韧性、尺寸稳定性高且制造成本低的大型海上风电机组轴承专用钢球，还提供一种制造大型海上风电机组轴承专用钢球的工艺。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种大型海上风电机组轴承专用钢球，其创新点在于：所述钢球圆度为0.4～0.8um，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差为0.8HRC，批硬度差为1.2HRC，心部硬度大于>54HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度大于0.8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的1.2倍。

一种实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其创新点在于工艺步骤依次为：原材料选用、成型、球化退火、光磨、热处理、硬磨、一次研磨、抛光、涡流探伤、两次研磨、清洗、检验和涂油包装；所述原材料采用GCr15轴承钢，其氧含量不超过10ppm,钛含量不超过30ppm，大颗粒状夹杂物DS类小于1.5级；所述成型阶段是以封闭中频快速加热至760℃~800°C，采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，然后使用上料、压紧料段，通过成型模具进行镦压成形；所述光磨阶段磨掉球坯多余留量的环带和两极；所述热处理阶段将钢球在电炉中以830—860℃下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，进行低温回火后再在200~230℃下进行保温4小时。

进一步的，所述热挤压连续成型、光磨后进行去应力退火，退火温度为550℃±30℃，时间为3～5小时。

进一步的，所述冷却阶段分为三个阶段：第一阶段：将热透的钢球倒入35-45℃的水溶性淬火剂，形成液相蒸发，出现一层薄的蒸汽膜；第二阶段：通入新鲜的冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段：钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。

进一步的，所述水溶性淬火剂为浓度为4-8%的NACO3溶液。

本发明的优点在于：利用原材料的甄选、球坯成型时采用热挤压连续成型、热处理中采用水溶性淬火剂进行多阶段淬火、增加二次稳定回火技术以及工艺流程中增加涡流无损探伤等多种技术相结合，制得硬度为59-64HRC；同一粒硬度差为0.8HRC；批硬度差为1.2HRC；残余奥氏体8-13%；金相显微组织2-3级；圆度0.4～0.8um的大型海上风电机组轴承专用钢球，使得其具有良好的高接触疲劳强度、高耐磨性、高弹性极限、适宜的硬度、高冲击韧性以及良好的尺寸稳定性等特点。

具体实施方式

本发明中大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺主要包括以下步骤：a.原材料选用；b.成型；c.球化退火；d.光磨；e.热处理；f.硬磨；g.一次研磨；h.抛光；i.涡流探伤；j.两次研磨；k.清洗；l.检验；m.涂油包装。

a.原材料选用：首先进行原料的选定，海上风电机组轴承专用钢球是轴承的重要部件，钢球的质量对球轴承的精度、动态性能及使用寿命的影响至关重要，大量的轴承使用，试验表明钢球影响轴承全部因素的70％，轴承失效因钢球破裂的比例占到58.8％，这就说明钢球在轴承中的重要地位，和重要性，因此钢球质量是衡量球轴承质量的一项重要指标。它的性能指标：精度等级须达到G40级，最为重要的是涉及到风力发电可靠性及安全性，故之所对风力发电专用钢球对性能的要求更高，本发明中使用的原材料采用GCr15轴承钢，其氧含量不超过10ppm,钛含量不超过30ppm。同时对大颗粒状的夹杂物DS进行了明确规定即小于1.5级(最大直径小于27um)。

b.成型：对原材料采用热挤压连续成型，具体的：首先加热：以封闭中频加热炉将棒料快速加热760℃~800°C；切段：采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，上料:由感应加热炉出品滑道至工作台上，压紧料段，滑块下行,当冲头压向凹模时,将料段压紧；镦压成形：冲头继续下压，在滑块推动下将料段镦成球坯；推出球坯：当冲头随滑块返回原来位置,球坯被推出球窝；冷却：采用先风冷再空冷的方法进行冷却来消除或抑制网状碳化物的产生。

上述合金开式切刀采用的材料是采用和上海大学材料所研制的7Cr7Mo2V2Si钢，钢材的硬度值50~60HRC，机械加工前采用球化退火处理，硬度值降低到220~250HBW，机械加工后进行了淬火处理，淬火处理后材料的硬度值达到63~64HRC，最后对刀具进行了回火处理，回火2~3次，回火后硬度值57~63HRC，刀具采用的是整体模块。另外，在热挤压连续成型过程中，从高寿命的角度出发，重点研究了属纤维流向的研究，借助了DEFORM三维有限元设计软件模拟热镦过程中探原材料长径比对球坯成型情况、温度场分布、应力场分布、最大主应力场分布、镦压力五个指标的影响，选择最佳的压缩比和模具、切刀的各项参数，从而实现了减少原材料到镦压成形过程中金属晶格畸变，研究出规则、均匀、对称的金属纤维流向。

经c.球化退火和d.光磨步骤后，进入e.热处理阶段。

e.热处理阶段：进行硬度控制热处理，将钢球在电炉中以830—860℃下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，其中，冷却阶段分为三个阶段：第一阶段：将热透的钢球倒入35-45℃的水溶性淬火剂，形成液相蒸发，出现一层薄的蒸汽膜；第二阶段：通入新鲜的冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段：钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，立即进入一次回火阶段，进行低温回火后再在200~230℃下进行保温240-270分钟。以充分去除钢球淬火时和冷处理的热应力和组织应力，促使钢球组织转变充分，稳定钢球尺寸，保证钢球的硬度同粒球散差≤0.8HRC,同批钢球硬度散差≤1.2HRC。

在上述热处理阶段中，有两个重要环节：加热与冷却。在产品冷却时所采用的冷却介质及冷却方式对热处理件的性能起着重要作用。为了改善项目产品的使用性能及更好的发挥材料潜力的重要途径，我们队采取不同浓度的介质对产品硬度、淬透性、变形量及组织的影响进行了分析研究：使用50.8mm的钢球进行试验，如下表：

最终确定浓度为4-8%的NACO3溶液，在淬火槽中设置冷却器、加热器和循环装置，通过改变浓度和温度瞬间调整冷特性，即在高温阶段冷却比水慢、比油快；产品在第二阶段快速冷却，得到淬火马氏体；当冷却进入第三阶段时，随温度降低，合成淬火剂会形成凝胶状薄膜，从而使工件的温度冷却变慢，不仅保持了大直径钢球盐浴淬火工艺的物理改性优势更从根本上解决了快速冷却和心部与表面两极区的硬度差的技术难点。 

e.热处理阶段完成后进行f.硬磨；我们在硬磨完成之后,增加了一道150~160度的低温二次回火，回火时间控制在2个小时,主要是消除表面应力,细化组织,提高尺寸稳定性和残余奥氏体。

最后再进行g.一次研磨；h.抛光；i.涡流探伤；j.两次研磨；k.清洗；l.检验；m.涂油包装。这部分工艺步骤具体内容均为常规方法，这里不再赘述。

最终成品钢球必须经过100%无损涡流探伤、表面光电检测，确保使用寿命达20年以上，可靠度达99.9%，该产品必须具有高耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命等特点。

另外，在上述制造工艺中，还将球坯设计成无两极柱及隐形环带的圆形球体，在光磨阶段磨掉球坯多余留量的环带和两极。在热挤压连续成型、光磨后进行去应力退火，（退火温度为550℃±30℃／3～5小时），目的：以消除高速冷镦球坯成型时的材料形变应力和光磨加工的综合磨削应力，确保热处理淬火后钢球表面硬度的提高，改善硬度的均匀性，确保热处理后钢球表面硬度达59～64HRC,达到单粒硬度差0.8HRC。

还采用磨削曲线控制与大进给量表面变质层控制技术；风能钢球在磨削加工中的关键技术体现在两个方面；一是可控的切削避免过快的切削或因过慢的切削钝化产品表面特性，导致丧失产品的尺寸公差，二是相对磨削的总量基本超过了1mm，从而大接触面大摩擦阻力的精确磨削并控制到0.4μm以内的公差所存在的表面变质层控制。

最终制得的钢球具有以下指标：钢球圆度为0.4-0.8um，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差为0.8HRC，批硬度差为1.2HRC，心部硬度大于>54HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度大于0.8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的1.2倍。

Claims (5)

1.一种大型海上风电机组轴承专用钢球，其特征在于：所述钢球圆度为0.4～0.8um，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差为0.8HRC，批硬度差为1.2HRC，心部硬度大于>54HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度大于0.8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的1.2倍。

2.一种实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于工艺步骤依次为：原材料选用、成型、球化退火、光磨、热处理、硬磨、一次研磨、抛光、涡流探伤、两次研磨、清洗、检验和涂油包装；所述原材料采用GCr15轴承钢，其氧含量不超过10ppm,钛含量不超过30ppm，大颗粒状夹杂物DS类小于1.5级；所述成型阶段是以封闭中频快速加热至760℃~800°C，采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，然后使用上料、压紧料段，通过成型模具进行镦压成形；所述光磨阶段磨掉球坯多余留量的环带和两极；所述热处理阶段将钢球在电炉中以830—860℃下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，进行低温回火后再在200~230℃下进行保温4小时。

3.根据权利要求2所述的实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于：所述热挤压连续成型、光磨后进行去应力退火，退火温度为550℃±30℃，时间为3～5小时。

4.根据权利要求2所述的实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于：所述冷却阶段分为三个阶段：第一阶段：将热透的钢球倒入35-45℃的水溶性淬火剂，形成液相蒸发，出现一层薄的蒸汽膜；第二阶段：通入新鲜的冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段：钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。

5.根据权利要求4所述的实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于：所述水溶性淬火剂为浓度为4-8%的NACO3溶液。