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(shí)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(diǎn)：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(diǎn)：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?yàn)樗休^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?yàn)轱L(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(diǎn)：

（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?yàn)樗拇阃感圆蛔?。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(diǎn)：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(diǎn)：（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?yàn)殄i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(diǎn)：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?yàn)?0CrNiMo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(shí)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(shí)際測試的5MW級軸承套圈用鋼的熱處理工藝。

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：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?yàn)樵诨鼗瘃R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?yàn)樘岣吡舜阃感浴?/p>

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(diǎn)。因?yàn)樵谡{(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(shí)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(diǎn)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?yàn)樵谪愂象w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(diǎn)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(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)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(shí)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]