我國風(fēng)電軸承鋼研究近況

翟海平，耿鑫.，王慶，李曉凱

我國風(fēng)電軸承鋼研究近況

翟海平1，耿鑫1.2，王慶1，李曉凱2

（1.江蘇星火特鋼有限公司，江蘇 泰州 225721；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

為了滿足目前特大型軸承材料的需求，對于5MW以上的風(fēng)電軸承用鋼，應(yīng)具備更加優(yōu)異的淬透性及綜合力學(xué)性能，所以，特別有必要在成分設(shè)計方面以及熱處理工藝方面進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，從而開發(fā)出一種新型的風(fēng)電軸承用鋼。風(fēng)電軸承國產(chǎn)化不僅可以令國內(nèi)軸承工業(yè)的設(shè)計應(yīng)用水平有所提高，還可以與國外先進(jìn)水平的差距進(jìn)一步降低，更可以推動國內(nèi)軸承工業(yè)的發(fā)展；此外，可以推動我國可再生資源以及新資源的發(fā)展步伐，使風(fēng)電成本進(jìn)一步降低，加快我國新資源和可再生資源的發(fā)展。

風(fēng)電軸承鋼；電渣重熔；可再生資源；新資源；國產(chǎn)化

風(fēng)電軸承是一種特殊的軸承，使用環(huán)境惡劣，高維修成本，要求高壽命并且風(fēng)電軸承有著復(fù)雜的制備技術(shù)，因此制造出風(fēng)電軸承質(zhì)量的好壞嚴(yán)重制約著我國風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。近年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)朝著大型化、商品化、實用化、集群化方向快速發(fā)展,發(fā)電成本持續(xù)下降,產(chǎn)業(yè)不斷成長壯大。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的不斷增大，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套軸承的需求也不斷增加，這就對風(fēng)電材料提出了更高的要求。安裝使用在不同位置的軸承需要采用不同的鋼種和熱處理工藝。下邊將對偏航軸承，變槳軸承,主軸軸承用鋼做簡述。

1 偏航、槳軸承用鋼

偏航軸承作用：當(dāng)風(fēng)向改變時風(fēng)輪可及時地做出調(diào)整；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞的現(xiàn)象時在偏航的作用下，可以自動解決纏繞問題。

偏航軸承性能特點：偏航軸承位于塔樓頂部，支撐著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個機(jī)艙，同時承受著風(fēng)掃過葉片產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩。通過偏航驅(qū)動機(jī)構(gòu)的偏航調(diào)整作用，保證吊艙對正風(fēng)力的方向性。偏航軸承具有自密封性、防腐性，且內(nèi)部有一定預(yù)緊。要求軸承在復(fù)雜的載荷工況下，在風(fēng)吹雨淋、沙塵鹽霧、高低溫和強(qiáng)紫外線等極端惡劣的環(huán)境下具有20年以上的使用壽命和99%以上的可靠性。

變槳軸承作用：對槳葉節(jié)距進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而在遇到過高或過低的風(fēng)速時，改變?nèi)~片在氣流作用下的攻角，令機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，最后確保穩(wěn)定的輸出功率。

變槳軸承性能特點：變槳軸承安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上葉片的根部，承受著葉片和風(fēng)掃葉片共同產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩。變槳軸承具有自密封性、防腐性，且內(nèi)部有一定預(yù)緊。要求軸承在復(fù)雜的載荷工況下，在風(fēng)吹雨淋、沙塵鹽霧、高低溫和強(qiáng)紫外線等極端惡劣的環(huán)境下具有20年以上的使用壽命和99%以上的可靠性。

42CrMo鋼常被用來制作偏航和變槳軸承套圈，歸功于它的低溫韌性，在<-20℃的低溫條件下，其沖擊功必須達(dá)到27J及以上。

1.1 42CrMo鋼

傳統(tǒng)的風(fēng)電偏航、變槳軸承一般選用42CrMo鋼制造，因為它有較高的強(qiáng)度、淬透性，較好的韌性，高溫時蠕變強(qiáng)度以及持久強(qiáng)度高，另外其低周疲勞特性較好。

因為風(fēng)電軸承使用條件的特殊，用戶不僅要求其應(yīng)具有高的低溫沖擊功而且還要有良好的常溫力學(xué)性能。這種性能又直接影響風(fēng)電軸承壽命以及可靠性，通過調(diào)制熱處理工藝參數(shù)可以影響其性能。

綜合考慮風(fēng)電軸承套圈的低溫沖擊功以及力學(xué)性能在淬火、回火溫度下的影響規(guī)律，最終確定比較理想的熱處理工藝參數(shù)為：選擇2%～5%的高分子水劑做淬火介質(zhì)，淬火溫度840 ℃ ± 10 ℃，回火溫度630 ℃ ± 10 ℃。有以下優(yōu)點：

（1）水劑淬火調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼制風(fēng)電軸承套圈的力學(xué)性能可以滿足技術(shù)要求。

（2）水劑淬火調(diào)質(zhì)后42CrMo鋼制風(fēng)電軸承套圈可以確保不產(chǎn)生淬火裂紋。

本鋼種不足：42CrMo這種鋼只能在3 MW 級及以下小功率風(fēng)電機(jī)組使用，是因為它的淬透性不足。所以設(shè)計一種新的鋼使其具有足夠高的淬透性是很有必要的。

1.2 40CrNiMo鋼

40CrNiMo鋼是一種有著很好淬透性的合金結(jié)構(gòu)鋼，在經(jīng)過淬火之后強(qiáng)度和韌性都可以得到提高。較大直徑的鍛件，它的性能與它自身的質(zhì)量、鍛后預(yù)備熱處理的組織狀態(tài)等有著直接的關(guān)系。在提高淬火硬度的前提下，它的綜合力學(xué)性能才可以提高，特別是沖擊吸收能量可以提高。關(guān)鍵步驟是制定合適的熱處理工藝參數(shù)來配合相應(yīng)的工件。

想要滿足40CrNiMo鋼的力學(xué)性能在大截面狀態(tài)下的技術(shù)要求，可以采用水淬、空冷、油冷相互配合的淬火冷卻方式，回火后心部的回火索氏體組織較為均勻，860 ℃下160 min+16 s水冷+10 s空冷+15 s水冷+10 s空冷+24 s水冷后油冷+580 ℃ 下回火240 min 為效果較好的熱處理工藝方法。

優(yōu)點：其本身淬透性較好，可以考慮用作制作功率很大的風(fēng)電偏航軸承套圈。

缺點：（1）其生產(chǎn)成本較高是由于此鋼中成分中鎳含量高；

（2）雖然它的淬透性較好，但是不足以用來制作5 MW級的風(fēng)電軸承。所以應(yīng)該研發(fā)一種淬透性更好且生產(chǎn)成本也較低的新型鋼種。

1.3 42CrMnMoB鋼

提高鋼的淬透性的常用方法是復(fù)合合金化，但是考慮到其心部的冷卻速率較低，加入微量硼元素可以令其淬透性提高。從淬透性從合金元素方面提高考慮，錳可以在一定程度上代替鎳，是因為錳元素可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，使奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而淬透性提高；而硼可以吸附在奧氏體晶界，阻止奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，可提高淬透性，特別是在低速條件下。另外在生產(chǎn)成本上，由于鎳的價格非常高，使用錳和硼可以大幅度降低成本。

相比42CrMo鋼、40CrNiMo鋼，42CrMnMoB鋼的淬透性最高，強(qiáng)度稍低于40CrNiMo鋼，但遠(yuǎn)高于42CrMo鋼，且其沖擊韌性最高。

最佳熱處理工藝：淬火時采用油冷+590 ℃×60min回火

優(yōu)點：此鋼各項力學(xué)性能均能滿足5 MW 級風(fēng)電偏航軸承套圈用鋼的性能要求，具有應(yīng)用于大功率風(fēng)電偏航軸承套圈中的潛能。

1.4 40CrNiMoV鋼

因為40CrNiMo鋼的淬透性不能滿足制作5MW風(fēng)電偏航軸承。因此加入微量的V元素開發(fā)出了40CrNiMoV鋼，不僅具有超高的淬透性，而且經(jīng)奧氏體化后可以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，就算在慢速率冷卻條件下依然可以實現(xiàn)。

熱處理工藝：

經(jīng)水淬處理后，40CrNiMoV鋼中馬氏體組織的體積分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)大于 40CrNiMo鋼。經(jīng)高溫回火處理后，40CrNiMo鋼的強(qiáng)韌性配合不佳，而 40CrNiMoV鋼可以滿足5 MW 級風(fēng)電偏航軸承的力學(xué)性能指標(biāo)。

630 ℃回火處理1 h為實際測試的5MW級軸承套圈用鋼的熱處理工藝。

優(yōu)點：此鋼的強(qiáng)韌性比40CrNiMo 鋼高且完全滿足風(fēng)電偏航軸承對力學(xué)性能的要求?？梢杂脕碇圃?MW級風(fēng)電偏航軸承。

2 主軸軸承用鋼

主軸軸承作用：主軸起支撐輪轂及葉片，傳遞扭矩到增速器的作用。

主軸軸承性能特點：主軸軸承來源于轉(zhuǎn)子、主軸等重量所引起的徑向力以及有轉(zhuǎn)子上風(fēng)壓產(chǎn)生的較大的軸向力。軸承應(yīng)具有99%以上的可靠性和20年以上的使用壽命。

2.1 GCr15SiMn鋼

在GCr15軸承鋼成分中適當(dāng)增加Si、Mn含量得到的GCr15SiMn軸承鋼，淬透性得到改善，耐磨性得到提高。其中由于碳含量偏高導(dǎo)致其耐磨性提高是因為在回火馬氏體中確保形成足夠的過共析碳化物；較高的鉻含量降低了脆裂風(fēng)險是因為提高了淬透性。

性能：具有高的純凈度、較低的有害元素含量（如鈦和氧）、良好的碳化物不均勻性、高的耐磨性、致密的低倍組織、高可靠度、抗疲勞。

冶煉工藝：電弧爐（EAF）→精煉（LF+VD）→ 3.7t 方錠底注式模鑄（IC）。

另外GCr15SiMn 軸承鋼應(yīng)該控制鈦含量，成分中鈦含量的控制是冶煉過程中的自身難點。因為在調(diào)整硅的時候會帶入鈦，同時鋼中具有很低的氧含量導(dǎo)致鈦還原到鋼水中，所以控制鈦含量的主要手段是冶煉時要選用合適的合金和鉻鐵。

但是后來實踐中發(fā)現(xiàn)除了上述原因外還有其他因素影響鈦含量。如鋼液氧位、脫氧元素、精煉爐渣堿度對對鋼中鈦含量的影響等。江成斌，羅輝對鈦含量做了成功控制，詳見文獻(xiàn)8。

該鋼制造軸承的弱點是：( 1 ) 淬透性不高；( 2 ) 脆性大，在淬火和磨削中易出現(xiàn)裂紋；( 3 ) 軸承在使用中難以承受較高沖擊載荷。

2.2 GCr15SiMo鋼

在Si元素對含Mo軸承鋼性能影響做了深入的研究后開發(fā)了GCr15SiMo鋼，由于淬透性比較高的原因，此鋼可以替代GCr15SiMn鋼用來制造壁厚大于50mm的大型滾子及特大型軸承套圈。

2.3 GCr15Si1Mo鋼

此鋼適用于制造更大尺寸范圍的軸承套圈、滾珠及滾柱等，且5MW級主軸軸承、變槳軸承、偏航軸承的滾動體已經(jīng)開始由此鋼來制造。其滾動接觸疲勞壽命顯著優(yōu)于GCr15SiMo鋼。此鋼的淬透性得到提高歸功于在GCr15基礎(chǔ)上添加了Mo和Si的含量。Mo元素提高可顯著阻止奧氏體晶粒粗化。Si元素提高有利于形成無碳化物納米貝氏體組織是因為在貝氏體相變過程中抑制碳化物析出，最終使鋼的綜合力學(xué)性能得到改善。

球化退火后，從900℃5min的奧氏體化保溫時間增加到90min時，未溶碳化物含量從 13.5 vol.%降低到 4.5 vol.%；當(dāng)保溫時間更高時，未溶碳化物含量逐漸穩(wěn)定。其平均等效直徑在奧氏體化過程中保持恒定，約為0.39μm。具體工藝及優(yōu)點詳見文獻(xiàn)15。

2.4 G20Cr2Ni4A鋼

傳統(tǒng)最常用的滲碳軸承鋼為G20Cr2Ni4A鋼，經(jīng)過馬氏體淬、回火處理后為硬度高、耐磨性和滾動接觸疲勞性能優(yōu)異的馬氏體軸承鋼。然而，G20Cr2Ni4A鋼中Ni含量高達(dá)3.25wt％～3.75wt％， 軸承鋼的原材料成本非常高，降低軸承鋼的成本，一直是軸承行業(yè)的需求。因此，我國也開發(fā)了一些低Ni含量或無Ni的滲碳軸承鋼，如G20CrMo， G20CrNiMo，G20CrNi2Mo，G10CrNi3Mo，G20Cr2Mn2Mo等鋼種，這些滲碳軸承經(jīng)最終熱處理工藝處理后均為馬氏體軸承鋼。

工藝流程：60t電弧爐冶煉→LF→VD→模鑄 Φ700mm電極→保護(hù)氣氛 電渣爐（Φ930mm或Φ1100mm電渣錠）→3500t快鍛機(jī)→退火。具體詳細(xì)工藝見文獻(xiàn)16。

由G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼制造出來的軸承，不僅內(nèi)部的韌性高，而且外部強(qiáng)度也好，更重要的是有著非常良好的整體穩(wěn)定性，因此常常用來制造受沖擊較大的軸承，如軋機(jī)、鐵路機(jī)車，發(fā)電設(shè)備等。滲碳軸承鋼由于售價高，市場需求大，還有可觀的利潤，因此未來發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

但是隨著工業(yè)大型化的發(fā)展，G20Cr2Ni4A鋼的淬透性已經(jīng)不能滿足于一些大型關(guān)鍵零部件用鋼要求。所以開發(fā)新型的高性能滲碳鋼具有非常重要的意義。

2.5 G23Cr2Ni2Si1Mo鋼（納米貝氏體滲碳鋼）

依托國家 863 課題，張福成等人開發(fā)出的G23Cr2Ni2Si1Mo鋼具有以下優(yōu)點。

優(yōu)點：更高的滾動接觸疲勞性能，耐磨性最佳，淬透性，心部綜合力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉和屈服強(qiáng)度提高。

最佳熱處理工藝：滲碳淬火→650℃回火3h→860℃奧氏體化→200℃鹽浴等溫8h→200℃回火

G23Cr2Ni2Si1Mo鋼和G20Cr2Ni4鋼有著相似的滲碳特性。耐磨性提高了61%，滾動接觸疲勞性能提高254%。具體詳見文獻(xiàn)17。

可以滿足5MW及以上風(fēng)電機(jī)組大型偏航軸承、變槳軸承、風(fēng)葉主軸軸承的服役特點和可靠性高的要求。

3 結(jié)語

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的不斷增大，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套軸承的需求也不斷增加，因此應(yīng)著手對風(fēng)電材料選擇及冶煉工藝、熱處理工藝等進(jìn)行改進(jìn)，以此提高軸承的安全可靠性和使用壽命，從而生產(chǎn)出滿足大功率風(fēng)電機(jī)組的軸承鋼。并進(jìn)一步國產(chǎn)化，從而縮小與國外先進(jìn)水平的差距，加快我國新資源和可再生資源的發(fā)展。

張福成等人開發(fā)出納米貝氏體滲碳軸承鋼，在軸承鋼產(chǎn)品成分的均勻性、超純凈化、碳化物控制等方面實現(xiàn)重大突破。

目前應(yīng)用處于起步階段，還有很多問題需要學(xué)者進(jìn)行進(jìn)一步的研究，比如殘余奧氏體在服役過程中的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的尺寸是否穩(wěn)定的問題；納米貝氏體的組織演變規(guī)律；組織在服役壽命方面的影響；如何縮短熱處理工藝周期等。

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TH133.3

A

1672-1047（2020）06-0139-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2020.06.37

2020-10-25

2018年江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊項目。

翟海平，男，江蘇新化人，高級工程師。研究方向：特種合金材料及冶煉工藝技術(shù)。

[責(zé)任編輯：劉良瑞]