CN109338035A - 一种风力发电机齿轮箱轴承用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机齿轮箱轴承用钢及其生产方法，化学成分为C：0.80～1.05％，Si：0.20～0.45％，Mn：0.25～0.45％，Cr：1.60～1.95％，S≤0.015％，P≤0.020％，Ni：≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo：0.15～0.25％，Al：≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产流程为铁水预处理‑转炉或电弧炉冶炼‑LF精炼‑RH或VD炉精炼‑大截面连铸CCM大连铸坯—连轧—快冷—精整，本申请对关键工序进行优化研究和控制，使钢材获得高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度，替代当前的电渣重熔生产工艺，其显著优于市场产品。

Description

一种风力发电机齿轮箱轴承用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，更具体的是涉及一种齿轮箱轴承用钢及其制造方法。

背景技术

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。

风力发电机是风能利用的核心设备，主要由桨叶、齿轮增速器、发电机、塔架、控制设备等几个子系统组成。齿轮传动系统作为风力发电机的核心设备。其中，齿轮箱是连接机组主轴和发电机的传动部件，其主要功能是将主轴的低速运转输入，转化成中速或高速发电机所需的输出，是风力发电机的重要部件之一。齿轮箱轴承由于承受的扭矩和转速波动范围大，传输负载易突变，箱体质量与安装空间有限制，安装平台存在柔性变形等，因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。由于风力发电机组的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,使得风电齿轮箱轴承具有较高的技术复杂度,是公认的国产化难度最大的技术之一,也成为影响我国风力发电制造业发展的软肋。

根据风力发电机齿轮箱轴承的特殊用途及要求，对原材料轴承用钢也提出很高的要求。目前，风电齿轮箱增速器轴承采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢GCrl5SiMn。由于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、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。若采用连铸工艺生产，虽然在生产效率及成本方面占据明显优势，但由于当前连铸坯在纯净度、均匀性方面的差距，还不能满足风力发电机齿轮箱轴承用钢的要求，因此采用连铸方式批量规模生产风力发电机齿轮箱轴承用钢的相关方法还未见报导。此外，由于GCr15SiMn采用的是马氏体淬火，淬火后其冲击韧性相对较差，也存在一定的不足。

发明内容

本申请在目前生产高碳铬轴承钢的基础上，提出一种新的用于风力发电机齿轮箱轴承用钢，利用真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，对关键工序进行优化研究和控制，使钢材获得高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度，替代当前的电渣重熔生产工艺，并使性能满足风力发电机的齿轮箱轴承用钢的要求。

为了满足风力发电机齿轮箱轴承用钢材的纯净度、均匀性、致密性、耐磨性及淬透性要求，本申请设计了一种新的真空脱气+连铸生产技术制造的风力发电机齿轮箱轴承用钢。

(一)钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据轴承的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，如沿轧制方向排列成串状或点链状的Al₂O₃夹杂(B类)，不变形的点状或球状夹杂(D类)以及大颗粒点状或球状夹杂(Ds类)，由于其不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。为提高最终产品的使用寿命，钢材的纯净度非常重要，必须尽可能降低钢中非金属夹杂物，特别是不变形的硬脆性夹杂物尺寸和数量。本发明要求微观脆性夹杂物细小，具体要求见下表1。而宏观夹杂物显著降低了钢的耐磨性、造成严重的应力集中易引起轴承使用过程中的的早期失效，本发明的宏观缺陷按SEP 1927(锻轧钢棒纯净度水浸超声测定方法)水浸高频探伤方法检验，缺陷指数不允许超过2.5mm/dm³。

表1

(二)钢材低倍组织的均匀性和致密度对轴承的寿命有影响，低倍组织采用GB/T1979对钢材低倍组织评级，本发明要求中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级。为改善钢材偏析，同时要求成品棒材中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10％。

(三)轴承钢碳化物带状是钢液在凝固过程中形成的结晶偏析，形成碳高低浓度不同的偏析带，轧制延伸后，冷却过程中高浓度区域析出大量过剩的二次碳化物，从而形成黑白(高低碳)相间的碳化物条带状组织；轴承钢碳化物网状是在轧后冷却过程中，由于碳在奥氏体中的溶解度降低，过剩的碳在奥氏体晶粒间界析出二次碳化物；轴承钢液析是由液态向固态转变时，最后凝固部分的碳及合金元素富集而产生亚稳定共晶莱氏体，液析具有很高的硬度和脆性，热轧后破碎成小块，沿轧制方向分布，使轴承零件的耐磨性和疲劳强度显著降低，并容易产生淬火裂纹。而显微孔隙是轴承钢内部组织缺陷之一，为沿晶界断续形成不规则形状的裂纹或孔隙，上述这些缺陷都将降低轴承零件的使用寿命，因此，本发明要求采用金相法检测不允许有显微孔隙存在；采用金相法检测碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级。

(四)本发明钢生产的轴承需承受大冲击载荷，传统的GCr15SiMn采用马氏体淬火后，其韧性较差。而本发明根据钢种特性，可采用下贝氏体等温淬火法，采用下贝氏体等温淬火后要求冲击韧度要≥150J·cm^-2。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种风力发电机齿轮箱轴承用钢，化学成分为C：0.80～1.05％，Si：0.20～0.45％，Mn：0.25～0.45％，Cr：1.60～1.95％，S≤0.015％，P≤0.020％，Ni：≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo：0.15～0.25％，Al：≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的风力发电机齿轮箱轴承用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

高碳铬轴承钢中，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，反而容易产生大块碳化物液析。本发明C含量的范围确定为0.80～1.05％。

2)Si含量的确定

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。本发明Si含量的范围确定为0.20-0.45％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，起固溶强化作用，但Mn含量高，会降低钢的韧性。本发明的Mn含量控制在0.25～0.45％。

4)Cr含量的确定

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，本发明Cr含量的范围确定为1.60-1.95％。

5)Al含量的确定

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。本发明Al含量的范围确定为≤0.05％。

6)Mo含量的确定

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。本发明Mo含量的范围确定为0.15-0.25％

7)Ca含量的确定

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。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

8)Ti含量的确定

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％

9)O含量的确定

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种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为O≤0.0008％。

10)P、S含量的确定

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、粗大，且增加冷脆性，因此确定P≤0.020％；S元素易使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，形成的硫化物还破坏了钢的连续性，因此确定S≤0.015％。

11)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

本申请的另一目的是提供风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，采用连铸代替电渣重熔的方式冶炼坯料，制造流程为钢水冶炼-大截面连铸CCM大连铸坯—连轧—精整探伤、打件入库。

首先，将冶炼原料依次经铁水预处理KR、电炉或转炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气得到高纯净、化学成分符合规定的钢水，冶炼过程中，应冶炼符合钢材化学成分的钢水，冶炼原料选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质耐材。电炉或转炉冶炼过程中对出钢终点C、终点P进行控制，终点C：0.10％～0.70％，终点P控制在≤0.018％，出钢温度1600℃～1700℃并采用挡渣出钢防止电炉或转炉出钢下渣，出钢过程加Al脱氧。LF精炼过程中要加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，保证过程的自由氧含量较低，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势。真空脱气全过程氩气搅拌，高真空下(133Pa)脱气时间15-35min，真空脱气后经长时间的软吹氩处理，保证非金属夹杂物充分上浮。

连铸是将钢水浇注成规格为300×340mm及以上的矩形连铸坯。连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化，并选用专用的中间包保护渣更好的吸附夹杂物。连铸采用低过热度浇注，连铸过热度要求10-35℃，同时连铸采用先进的中包感应加热、电磁搅拌、轻压下的先进工序装备，以控制钢材的偏析。

轧前加热：将生产出的连铸坯热送至步进式加热炉内进行加热，其中，预热段温度控制在800-950℃，加热段温度控制在1100-1250℃，均热段温度控制在1150-1250℃，以保证坯料充分均匀受热，从而改善钢材碳化物偏析，同时为防止加热时间过长而产生显微孔隙，总加热时间控制在10-20小时。

出加热炉后的连铸坯经高压水除磷后进入粗轧-中轧-精轧机组，轧制成φ120-φ200的圆棒材，控制粗轧开轧温度为950℃-1100℃，使钢材在奥氏体单相区进行轧制。为了控制钢材的碳化物网状，钢材终轧温度必须≥Ar_cm，确保快冷前未进入二次渗碳体析出区间，但若终轧温度过高，奥氏体处于完全再结晶状态，不利于细化晶粒及碳化物的弥散析出，进而减少成网的机会，需要更强的冷却速率穿过两相区，因此终轧温度控制在750-850℃。

在终轧后的冷却过程中，为迅速跳出大量二次渗碳体的析出区域，需要在终轧后快冷，但为防止冷速过快，防止形成脆性贝氏体和马氏体组织，冷速也不宜过快，要求终轧后钢材表面返红温度控制在550℃-720℃之间。此外，在终轧后的冷却过程中，应遵循先快后慢的原则，因为对于大规格钢材，内外温差大，表面温度低，心部温度高，控制回温，心部是网碳最严重的区域；如冷速一直大，表面冷却强度大，冷却速率大，心部易进入贝氏体+马氏体析出区间，表层或整个截面形成马氏体组织，易造成钢材脆断。

本申请的主要生产工艺特点如下：

1、从化学成分上讲，通过铁水预处理，同时严格控制废钢的质量，优选低钛合金、脱氧剂及耐火材料；转炉出钢采用挡渣出钢，炉后扒渣等控制等工艺技术，解决现有技术有害元素Ti、Ca、As、Sn、Pb、Sb含量偏高的问题；同时采用核心脱氧技术真空脱气将钢中的O含量降低至极低水平，夹杂物数量和尺寸达到世界领先水平。

2、连铸采用低过热度浇注，并采用中间包感应加热、轻压下和电磁搅拌，有效改善铸坯偏析和材料组织；轧钢加热高温扩散技术，使中心碳偏析有足够的温度和时间进行扩散，同时轧制采用粗轧大压下，改善低倍质量。

3、轧钢通过高温扩散改善钢材的中心碳偏析，钢材轧制采用低温轧制+控轧控冷技术等，有效抑制碳化物带状，控制钢材碳化物的不均匀性指标。

4、从制造工艺上讲，采用真空脱气加连铸的生产工艺，相比电渣重熔技术，大大缩减了生产周期，提高了生产效率，有效的降低了制造成本，大型规模化生产有利于提高材料成分和质量稳定性。

5、本发明生产的风力发电机齿轮箱轴承用钢满足如下指标要求：

采用金相法检测微观脆性夹杂物B细系≤1.5级、B粗系≤0.5级、D细系≤0.5级、D粗系≤0.5级、DS系≤1.0级；采用金相法检测不允许有显微孔隙存在；低倍组织的中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，采用金相法检测碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级。采用SEP 1927水浸高频探伤检测，缺陷指数不允许超过2.5mm/dm³。成品棒材中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10％。采用下贝氏体等温淬火后，其冲击韧度要≥150J·cm^-2。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例本发明和(作为对比的)目前市场上所用的电渣重熔的GCr15SiMn的化学成分(wt％)见表3。

表3

表3

各实施例钢材的夹杂物对比见表4

表4

各实施例钢材的碳化物不均匀性及显微孔隙对比见表5

表5

表6本发明各实施例经下贝氏体等温淬火后，与对比钢(对比钢根据其实际使用情况采用的是马氏体淬火处理)，其冲击韧度对比值

	冲击韧性a<sub>KU</sub>(J·cm<sup>-2</sup>)
		本发明实施例1	156
本发明实施例2	162
		本发明实施例3	170
对比钢	72

各实施例钢材的低倍数据见表7

	中心疏松	一般疏松	锭型偏析	中心偏析
					本发明实施例1	1	1.0	1.0	1.0
本发明实施例2	1	1.0	1.0	1.0
					本发明实施例3	1	1.0	1.0	1.0
对比钢	1.0	1.0	1.0	1.0

各实施例的风力发电机齿轮箱轴承用钢的制造流程为采用铁水预处理+顶底复吹转炉BOF(大功率电弧炉EAF)-钢包精炼炉LF-真空循环脱气炉RH(VD炉)-大截面连铸CCM大连铸坯—连轧—快冷—精整的成型工艺生产钢材。

具体的冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.10％-0.70％，终点P控制在≤0.018％以下，连铸过热度控制在10-35℃之内。将生产的连铸坯热送至步进式加热炉内加热并轧制成目标棒材，轧钢加热、轧制及冷却工艺如下表8所示。再随后将棒材经后续矫直、探伤，制得目标棒材成品。

表8

由表3、4、5、6、7可知，本发明以上各实施例中的一种风力发电机齿轮箱轴承用钢与电渣重熔的GCr15SiMn钢相比，有害元素如氧、钛以及非金属夹杂物控制水平明显要好，即钢材纯净度要明显优于电渣重熔技术生产的产品，从低倍检验结果看，本发明的低倍质量并不差于对比钢，且碳化物不均匀性也基本接近对比钢，反映出本发明的均匀性、致密度与电渣重熔工艺生产的钢材质量相当。综合上述分析，本发明采用真空脱气加连铸生产工艺生产的风电齿轮箱轴承用钢，能够替代原先的电渣重熔工艺，显著提高了生产效率，降低了生产成本，显著增强产品竞争力。

综上所述，本发明涉及的一种风力发电机齿轮箱轴承用钢，通过提高钢的纯净度总体思路，采取真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，对关键工序进行优化研究和控制，从而使钢材获得了高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度，并能够替代原先的电渣重熔工艺。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种风力发电机齿轮箱轴承用钢，其特征在于：该钢的化学成分为C：0.80～1.05％，Si：0.20～0.45％，Mn：0.25～0.45％，Cr：1.60～1.95％，S≤0.015％，P≤0.020％，Ni：≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo：0.15～0.25％，Al：≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种风力发电机齿轮箱轴承用钢，其特征在于：

采用金相法检测微观脆性夹杂物满足：B细系≤1.5级、B粗系≤1.0级、D细系≤1.0级、D粗系≤1.0级、DS系≤1.0级；

采用SEP 1927水浸高频探伤检测宏观缺陷，缺陷指数不超过2.5mm/dm³；

采用GB/T 1979对钢材低倍组织评级，满足中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级；成品棒材中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10％；

采用金相法检测无显微空隙存在；采用金相法检测碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级。

3.一种风力发电机齿轮箱轴承用钢，其特征在于：采用下贝氏体等温淬火后，其冲击韧度≥150J·cm^-2。

4.一种生产权利要求1-3中任一项所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的方法，其特征在于：流程包括

(1)钢水冶炼；

(2)连铸：连铸出与钢材成品化学成分相符的规格为300×340mm及以上的矩形连铸坯或CCM连铸坯；

(3)连轧：进入轧机机组轧成φ120-φ200的圆棒材，控制开轧温度使在奥氏体单相区进行轧制；控制终轧温度必须≥Ar_cm，优选终轧温度控制在750-850℃；

(4)冷却：在终轧后对圆钢棒进行快冷使迅速跳出大量二次渗碳体的析出区域，且要控制冷却速度，避免过快冷却，要求终轧后钢材表面返红温度控制在550℃-720℃之间；并进一步控制冷却过程中遵循先快后慢的原则，控制冷却速度逐渐或逐段降低以避免心部进入贝氏体+马氏体析出区间。

5.根据权利要求4所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：步骤1是将冶炼原料依次经铁水预处理KR、电炉或转炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气。

6.根据权利要求5所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：电炉或转炉冶炼过程中，对出钢终点C、终点P进行控制，终点C：0.10％～0.70％，终点P控制在≤0.018％，出钢温度控制在1600℃～1700℃，并在采用挡渣出钢工艺，出钢过程加Al脱氧。

7.根据权利要求5所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：LF精炼过程中要加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，保证过程的自由氧含量处于较低水平，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势。

8.根据权利要求5所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：真空脱气全过程氩气搅拌，高真空(133Pa以下)条件下脱气时间15～35min，真空脱气后经长时间的软吹氩处理，保证非金属夹杂物充分上浮。

9.根据权利要求4所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：步骤2连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化，并选用专用的中间包保护渣更好的吸附夹杂物，连铸采用低过热度浇注，连铸过热度为10～35℃，同时连铸采用先进的中包感应加热、电磁搅拌、轻压下的先进工序装备以控制钢材的偏析。

10.根据权利要求4所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：步骤3轧制前对连铸坯进行加热，其中，预热段温度控制在800～950℃，加热段温度控制在1100～1250℃，均热段温度控制在1150～1250℃，总加热时间控制在10～20小时。

11.根据权利要求4所述的风力发电机齿轮箱轴承用钢的生产方法，其特征在于：步骤3将出加热炉后的连铸坯经高压水除磷后进入粗轧-中轧-精轧机组，粗轧开轧温度为950℃～1100℃，使在奥氏体单相区进行轧制。