CN115652206A - 一种大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺，属于合金钢领域。所述钢按重量百分比含有C 0.47％～0.57％、Si 0.40％～0.70％、Mn 1.30％～1.50％、Cr 0.50％～0.70％、Mo 0.35％～0.45％、Ni 0.25％～0.35％、V 0.035％～0.075％、Al0.015％～0.025％、P≤0.015％、S≤0.010％、N≤0.0080％、O≤0.0040％。该钢的生产方法中热处理采用正火和调质。制得的轴承圈组织晶粒尺寸细小，均匀一致，具有优秀的强韧性和接触疲劳性能，适用于6MW级风电用偏航轴承。

Description

一种大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺

技术领域

本发明属于合金钢领域，更具体地说，涉及一种大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺。

背景技术

截止2021年我国风电装机容量突破30万兆瓦，全球占比超过三分之一。但我国风电的单机功率较低，普遍集中在4兆瓦。国外风电单机功率已达8兆瓦，而我国70米高度、5～50米水深的海洋风力开发资源潜力约50万兆瓦，因此，深度开发大型海上风机是未来风电行业的发展趋势。

风电大型化导致风电关键部件轴承的尺寸增加，据调研，1.5MW风电偏航轴承圈外径约 2.1m，而6MW风电偏航轴承圈外径达4.5米，外径扩大2.1倍。另外轴承尺寸增大的同时轴承圈的壁厚增加，导致轴承圈截面性能的一致性不好，因此大功率风电轴承圈对强韧性、均匀性的要求均增加。JB/T 10705标准提出一般采用42CrMo制造偏航轴承圈，-20℃时冲击功应大于等于27J。但随着风电向海洋化、大型化的发展，42CrMo性能已不能满足要求。JB/T10705 也指出“可采用性能相当或更优的材料”制造风电偏航轴承圈。我国海洋风电发展迅速，但目前普遍低于6MW，主要由于关键装备材料不能完全自给。因此开发大功率海洋风电偏航轴承圈用钢已十分迫切。

专利CN 101230441A指出用42CrMoVNb钢制造风电偏航、变桨轴承圈，材料在-40℃V 型冲击功≥91J，抗拉强度≥835MPa。但该专利并未阐述该钢应用于风电的功率，材料的性能未明确是轴承圈实物解剖值还是采用小试样测试值。从性能值推断应用于3MW以下风电机组。

专利CN 104726783A指出一种风电偏航﹑变桨轴承套圈用钢及其制备方法，采用高Ni (1.30-1.70％)成分设计，经热处理在轴承圈皮下12.5mm处抗拉强度≥1200MPa，-20℃V型冲击功≥32J，满足5MW风电偏航轴承圈性能要求。但是该专利通过大量贵金属Ni的添加，会增加材料成本，经济性不足。另外该材料并未对海洋风电轴承的疲劳性能、耐蚀性能等进行测试评价，对材料的应用支持不足。

专利CN 104178695A指出采用中碳硼微合金钢制造风电轴承套圈，经热处理轴承圈抗拉强度≥1090MPa，-20℃V型冲击功≥29J。材料的整体强韧性不高。另外从专利实施热处理淬火保温时间50-130min的工艺判断，所生产的轴承圈厚度较薄，不能满足大功率风电轴承圈厚壁性能的需要，也无法满足5MW风电偏航轴承圈性能要求。且该专利通过大量贵金属Ni的添加，增加材料成本。此外该材料并未对海洋风电轴承的疲劳性能等进行测试评价，对材料的应用支持不足。

以上专利中，大功率风电偏航轴承用钢析出相尺寸粗大导致大功率风电偏航轴承圈强韧性及接触疲劳寿命差。因此，针对大功率风电(≥6MW)偏航轴承的服役特点开发出一种具有高强韧性及接触疲劳寿命的大功率风电偏航轴承圈，解决大功率风电发展需要，已十分迫切。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有大功率风电偏航轴承用钢析出相尺寸粗大的问题，本发明提供一种大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺，制得的轴承圈组织晶粒尺寸细小，均匀一致。

2.技术方案

本发明公开了一种大功率风电偏航轴承圈用钢，按重量百分比含有：C 0.47％～0.57％、 Si 0.40％～0.70％、Mn 1.30％～1.50％、Cr 0.50％～0.70％、Mo 0.35％～0.45％、Ni 0.25％～ 0.35％、V 0.035％～0.075％、Al 0.015％～0.025％、P≤0.015％、S≤0.010％、N≤0.0080％、 O≤0.0040％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。化学成分配比应符合：

1)12.5≤(0.54×C％)×(1+3.34×Mn％)×(1+0.7×Si％)×(1+0.37×Ni％)×(1+2.61×Cr％)×

(1+3×Mo％)×(1+0.6×V％)≤18.5；

2)0.52％≤C％+(Mn％)/6-(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％)/15≤0.60％。

热处理工艺参数应符合：

1)正火，S-T₁/20≤t₁≤S-T₁/80；

2)调质的淬火，S-T₂/10≤t₂≤S-T₂/50；调质的回火，1.5×S-T₃/10≤t₃≤1.5×S-T₃/50。

本发明还提供了该钢的生产方法。制得的钢具有优秀的强韧性和接触疲劳性能，适用于制造≥6MW大功率风电用偏航轴承(轴圈壁厚≥240mm)。

C：C是钢中最低廉的强化元素，每提高0.1％的固溶C，可使强度提高约450MPa，C与钢中的合金元素形成析出相，起到析出强化作用。C能够显著提高淬透性，使大壁厚周期圈心部获得马氏体组织。但随着其含量增大，塑性和韧性降低，故C含量控制在0.47％～0.57％。

Si：Si是钢中有效的固溶强化元素，提高钢的强硬度，Si在炼钢时能够起到脱氧作用，是常用的脱氧剂。但Si易偏聚有奥氏体晶界，降低晶界结合力，引发脆性。另外Si易引起钢中元素偏析。因此，Si含量控制在0.40％～0.70％。

Mn：Mn能够起到固溶强化作用，固溶强化能力弱于Si，Mn是奥氏体稳定化元素能显著提高钢的淬透性，还能够减少钢的脱碳，Mn与S结合能够防止S引起的热脆性。本发明将Mn含量控制在1.30％～1.50％，提高钢在淬火过程中的变体选择，从而细化组织，提高强度和韧性。并且组织细化后能提高接触疲劳性能，但过量的Mn会降低钢的塑性。因此，Mn 含量控制在1.30％～1.50％。

Cr：Cr是碳化物形成元素，Cr能够使钢的淬透性和强度均提高，但易引起回火脆性。 Cr能够提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，但Cr含量过高时将增加裂纹敏感性。应将Cr含量控制在0.50％～0.70％。

Mo：Mo主要是提高钢的淬透性和耐热性，固溶于基体的Mo能够使钢的组织在回火过程中保持较高的稳定性，且能有效降低P、S和As等杂质元素在晶界处偏聚，从而提高钢的韧性，降低回火脆性。Mo降低M₇C₃的稳定性，当Mo含量较高时将形成针状Mo₂C，将导致基体Mo含量减少。Mo能够通过固溶强化和沉淀强化的共同作用提高钢的强度，也能通过改变碳化物的析出来改变钢的韧性。故Mo控制在0.35％～0.45％。

Ni：Ni能与Fe生成无限互溶的固溶体，是奥氏体稳定化元素，具有扩大相区的作用，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。Ni能够细化马氏体板条宽度，提高强度。Ni是显著降低钢的韧脆转变温度，提高低温韧性。Ni是提高韧性的主要元素，通过降低钢中晶界迁移阻力，在受到外力时晶界迁移从而提高裂纹扩展路径，提高韧性。并且促进协调变形使接触疲劳性能提高。但Ni元素是贵金属元素，过量加入导致成本过高。因此，将Ni含量控制在0.25％～0.35％。

V：V是强C、N化合物形成元素，V(C、N)细小弥散，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，基体的强化能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高疲劳强度。V元素通过第二相的钉扎晶界细化晶粒提高强韧性。但第二相为硬质颗粒，尺寸控制不当会对接触疲劳性能不利。因此，V含量控制在0.035％～0.075％。

Al：Al是炼钢的主要脱氧剂，Al与N结合形成细小弥散分布的AlN，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高钢的持久强度。Al含量控制在0.015％～0.035％。

O和N：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤0.0040％；N在钢中能形成氮化物，形成细小析出相细化组织，又能析出Fe₄N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，降低加工性能，因此将N控制在0.008％以内。

大功率的偏航轴承尺寸大，需保证足够的强韧性。通过合金元素的添加能够有效提高淬透性从而提高强韧性。

所述钢中各元素间有交互作用，钢中碳化物形成需要碳，碳与Cr、Mo、V都能形成碳化物，从而增强强韧性。Si和Mn通过与钢中的Fe形成固溶体，发挥固溶强化作用，Cu和Al 起到沉淀强化作用。

通过研究在合金元素中Mn提高淬透性及强度最为有效，系数为3.34；Mo通过提高回火稳定性及与Mn的交互左右对淬透性及强度贡献也较大，系数为3.0；Cr是主要的置换固溶元素和碳化物形成元素对强度的贡献系数为2.16；Ni和Cu在钢中不形成碳化物，通过固溶强化改变晶格形态从而对钢的淬透性及强度提高，系数分别为0.37和0.36；C 为非金属元素，是钢中最主要的间隙固溶强化元素，对强度和韧性都有影响，故系数为 0.54；Si是非金属元素，也是钢中主要的固溶强化元素，对钢的性能贡献为0.70。V是钢中的主要强韧化元素，一方面能够与碳及氮形成碳氮化合物起到第二相强化作用，提高强度；另一方面碳氮化合物能够钉扎晶界，细化晶粒，有利于提高韧性；最重要的是 V能够使相变点右移，降低钢的临界冷速，提高钢的淬透性，从而保证大尺寸风电偏航轴承的内外组织均匀一致，提高整体的强韧性。添加0.1％的V可以使相变点升高50℃。从而使临界冷速降低约3℃/s，将会使钢的组织进一步细化，提高接触疲劳性能。通过实验研究确定V的系数为0.6％。由于钢的强度与塑性和韧性具有反比例关系，即强度高时会导致塑性及韧性降低，为保证钢的综合性能不能一味提高强度。令钢中的强化因素用 A表示，则12.5≤A≤18.5，

A＝(0.54×C％)×(1+3.34×Mn％)×(1+0.7×Si％)×(1+0.37×Ni％)×(1+2.61×Cr％)×

(1+3×Mo％)×(1+0.6×V％)。

轴承在服役过程中需要较好的接触疲劳性能，因此需对C、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、 V的配比进行限定。由于C、Mn能显著提高钢浅层硬度、提高耐磨性从而提高接触疲劳性能。Cr、Mo、V能够与钢中的C、N形成第二相，第二相在钢中虽然能增加强度，但仍然与钢的基体不同，若尺寸较大可形成接触疲劳裂纹源，故对接触疲劳不利。Ni、Cu 通过固溶强化与基体实现原子尺度结合对接触疲劳性能有利。令钢中的接触疲劳因素用 Y表示，则0.52％≤Y≤0.60％，Y＝C％+(Mn％)/6-(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％)/15。

偏航轴承圈用钢及偏航轴承圈的生产工艺：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→Φ380mm～Φ700mm圆坯连铸→圆坯加热→锻造→冲孔→辗环(半成品) →热处理→机加工→探伤→包装入库。

偏航轴承圈采用正火+调质热处理，关键热处理工艺为：

正火：辗环后的偏航轴承圈半成品入炉温度≤600℃，正火加热温度(T₁，℃)1050～ 1150℃，正火保温时间(t₁，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和正火加热温度(T₁，℃) 决定，S-T₁/20≤t₁≤S-T₁/80，水冷。

调质：淬火加热温度(T₂，℃)为880～980℃，淬火保温时间(t₂，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和淬火加热温度(T₂，℃)决定，S-T₂/10≤t₂≤S-T₂/50，水冷；回火加热温度(T₃，℃)为600～700℃，回火保温时间(t₃，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和回火加热温度(T₃，℃)决定，1.5×S-T₃/10≤t₃≤1.5×S-T₃/50，水冷。

钢的正火温度与钢的成分有关，成分直接影响钢的奥氏体相变点。针对回火加热温度，更与钢种的成分相关性高，不同成分析出相种类含量不同，因此回火加热温度不同。

本发明将正火加热温度控制在1050-1150℃，保证轴承圈在此温度下完全奥氏体化，同时控制加热温度不高于1150℃，保证钢在锻造过程中析出第二相的尺寸细小。

调质处理选择淬火加热温度为880～980℃，一方面保证温度达到奥氏体化温度以上，使钢在正火基础上发生重结晶，晶粒进一步细化；另一方面确保在正火中生成的析出相的尺寸在调质过程中不粗大，从而有利于保持晶粒细小。采用600-700℃的回火温度，保证析出相种类的同时控制析出相尺寸，从而提高韧性及疲劳性能。

轴承圈1/2壁厚(壁厚≥240mm)处抗拉强度≥950MPa、屈服强度≥850MPa、-40℃KV₂≥100J；2000MPa接触应力作用下，接触疲劳寿命≥100万次，满足大功率风电服役20 年需要。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种大功率风电偏航轴承圈组织晶粒尺寸细小，均匀一致，所述轴承圈回火后表层12.5mm处晶粒尺寸≤25.5μm，所述轴承圈1/2壁厚(壁厚≥240mm)处晶粒尺寸≤ 26μm；

(2)本发明的轴承圈1/2壁厚(壁厚≥240mm)处抗拉强度≥950MPa、屈服强度≥850MPa、 -40℃KV₂≥100J；在2000MPa接触应力作用下，接触疲劳寿命≥100万次，满足大功率风电服役20年需要。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为实施例1制得的轴承圈1/2壁厚处的形貌图；

图2为对比例2制得的轴承圈1/2壁厚处的形貌图；

图3为实施例1制得的轴承圈1/2壁厚处的扫描组织图；

图4为对比例2制得的轴承圈1/2壁厚处的扫描组织图。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

表1本发明实施例化学成分(wt％)

钢种	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3
							C	0.49	0.51	0.55	0.54	0.52	0.48
Si	0.53	0.48	0.55	0.65	0.59	0.49
							Mn	1.35	1.41	1.46	1.48	1.43	1.32
Cr	0.55	0.51	0.63	0.65	0.53	0.59
							Ni	0.28	0.33	0.31	0.32	0.26	0.31
Mo	0.38	0.39	0.42	0.44	0.38	0.41
							V	0.042	0.054	0.071	0.065	0.039	0.072
Al	0.018	0.019	0.023	0.022	0.018	0.021
							P	0.009	0.013	0.01	0.012	0.008	0.007
S	0.009	0.007	0.009	0.002	0.004	0.005
							N	0.0048	0.0043	0.0037	0.0045	0.0051	0.0046
O	0.0035	0.0032	0.0028	0.0031	0.0024	0.0033
							A值	12.84	13.49	18.19	19.88	14.32	13.52
Y值	0.54	0.58	0.59	0.58	0.59	0.51

本发明的钢的生产工艺如下：

电炉冶炼：出钢前定氧，出钢过程采用留钢操作，避免下渣；

LF炉：将C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V等元素调至目标值；

真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量≤1.5ppm，避免钢中出现白点，引起氢脆现象；

连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸φ380mm～φ700mm圆坯。

轴承圈制造路线：圆坯(直径600及700mm)加热→锻造→冲孔→辗环(半成品)。

轴承圈热处理：台车炉加热→保温→正火→淬火→回火→保温→水冷。

轴承圈加工路线：轴承圈粗车→探伤→阀体精车→修磨→探伤→包装入库。

性能检测方法如下：

组织：在轴承圈延长体上取样，在延长体的表层12.5mm处和1/2厚度(厚度为240mm) 位置内取样进行金相、晶粒尺寸分析。

性能：在轴承圈延长体上取样，在延长体的表层12.5mm处和1/2厚度(厚度为240mm) 位置内取样取拉伸、冲击、接触疲劳试样，参照GB/T228、GB/T229、JB/T 10510进行力学性能试验。热处理工艺如表2所示，力学性能如表3所示。其中，R_m为抗拉强度，R_p0.2为屈服强度，接触疲劳寿命在2000MPa接触应力作用下测得。

表2本发明实施例及对比例的锻造工艺情况列表

表3本发明实施例及对比例的疲劳性能检测情况列表

实施例1～3的钢化学成分组成、生产方法均得到适当控制，其化学成分保证了12.5≤A≤18.5，0.52％≤Y≤0.60％，钢的强度、塑性、韧性及接触疲劳性能均较好。对比例1、3 化学成分不合适，对比例3化学成分控制不当，导致材料强度过低，塑韧性不足，热处理工艺不当导致整体性能不理想；对比例2成分设计合理，但是热处理工艺不当，导致材料的强度、韧性不足，且抗接触疲劳性能不足。实施例1通过合理的化学组分配比和热处理工艺的匹配使钢中的各元素发挥了有利作用，使轴承圈1/2壁厚处的晶粒尺寸细小，均匀一致。细小均匀的晶粒使轴承圈受到外力时晶界协调变形一致，提高韧性和接触疲劳性能，如图1和图3所示。

对比例2由于化学组分和工艺不当，导致晶粒大小不一，出现混晶，存在少数尺寸较大，边角锐利的晶粒，少数大尺寸晶粒会成为弱化相，导致韧性及疲劳性能降低，如图2和图4 所示。

Claims (9)

1.一种大功率风电偏航轴承圈用钢，其特征在于，按重量百分比含有：C 0.47％～0.57％、Si 0.40％～0.70％、Mn 1.30％～1.50％、Cr 0.50％～0.70％、Mo 0.35％～0.45％、Ni 0.25％～0.35％、V 0.035％～0.075％、Al 0.015％～0.025％、P≤0.015％、S≤0.010％、N≤0.0080％、O≤0.0040％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述一种大功率风电偏航轴承圈用钢，其特征在于，化学成分配比应符合：

1)12.5≤(0.54×C％)×(1+3.34×Mn％)×(1+0.7×Si％)×(1+0.37×Ni％)×(1+2.61×Cr％)×(1+3×Mo％)×(1+0.6×V％)≤18.5；

2)0.52％≤C％+(Mn％)/6-(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％)/15≤0.60％。

3.一种利用权利要求1-2任一项所述大功率风电偏航轴承圈用钢生产轴承圈的工艺，其特征在于，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→圆坯连铸→圆坯加热→锻造→冲孔→辗环→热处理→机加工→探伤→包装入库。

4.根据权利要求3所述一种大功率风电偏航轴承圈的生产工艺，其特征在于，热处理采用正火和调质热处理工艺，调质过程包括淬火和回火。

5.根据权利要求4所述一种大功率风电偏航轴承圈的生产工艺，其特征在于，正火过程中，辗环后的偏航轴承圈半成品入炉温度≤600℃，正火加热温度(T₁，℃)为1050～1150℃，正火保温时间(t₁，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和正火加热温度(T₁，℃)决定，满足S-T₁/20≤t₁≤S-T₁/80，水冷。

6.根据权利要求5所述一种大功率风电偏航轴承圈的生产工艺，其特征在于，调质过程中，淬火加热温度(T₂，℃)为880～980℃，淬火保温时间(t₂，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和淬火加热温度(T₂，℃)决定，满足S-T₂/10≤t₂≤S-T₂/50，水冷；

回火加热温度(T₃，℃)为600～700℃，回火保温时间(t₃，min)由轴承圈壁厚(S，mm)和回火加热温度(T₃，℃)决定，满足1.5×S-T₃/10≤t₃≤1.5×S-T₃/50，水冷。

7.一种根据权利要求3-6任一项所述大功率风电偏航轴承圈的生产工艺制得的轴承圈，其特征在于，轴承圈壁厚≥240mm，所述轴承圈回火后表层12.5mm处晶粒尺寸≤25.5μm，轴承圈1/2壁厚处晶粒尺寸≤26μm。

8.根据权利要求7所述一种高均质化大功率风电偏航轴承圈，其特征在于，所述轴承圈1/2壁厚处抗拉强度≥950MPa、屈服强度≥850MPa、-40℃KV₂≥100J；2000MPa接触应力作用下，接触疲劳寿命≥100万次。

9.根据权利要求8所述一种高均质化大功率风电偏航轴承圈，其特征在于，所述轴承圈回火后表层12.5mm处的索氏体含量为100％，轴承圈1/2壁厚处的索氏体含量≥91％。

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