CN101935811B - 一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,化学成分wt%为:C:0.41-0.44%,Si:0.17-0.37%,Mn:0.60-0.80%,Cr:0.90-1.20%,Mo:0.20-0.30%,P:≤0.020%,S:≤0.015%,Al:0.015-0.045%,Cu:≤0.20%,Sb:≤0.003%,Sn:≤0.002%,As:≤0.010%,B≤0.0010%,[O]:≤15ppm,[H]:≤1.5ppm,[N]:≤70ppm,余为Fe。本发明采用以下生产工艺制备,在常规的转炉中熔炼后,在精炼装置中进行精炼,在精炼后期进行钡微合金化及终脱氧。在精炼前或者精炼后采用RH进行脱气和去除夹杂物。本发明组分设计合理、工艺先进,不仅使材料具有高强度、耐低温冲击、耐候性能优异等特点,而且具有节约贵重资源、成本低的优点。
Description
技术领域:
本发明涉及钢铁行业中的合金结构钢,具体涉及高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMo4钢设计及其生产工艺。
背景技术:
由于风电机组大多位于国内北方地区和沿海地区,风电回转支承轴承一般安装在一百多米高的风力发电机上,长期受到巨大的风力作用,而且要在零下几十度的环境温度下工作。风力发电机开始偏转时,偏航加速度将产生冲击力矩。偏航转速越高,产生的加速度也越大,由于转动惯量非常大,这样使本来就很大的冲击力矩成倍增加。除冲击力矩外,风力发电机如果在运动过程中偏转,偏航回转支承还将承受相当大的陀螺力矩,容易造成偏航支承的工作疲劳失效。另外,由于风力发电机在野外高空环境中工作,回转支承工作在风沙、雨水、盐雾、潮湿等环境下,给其安装、润滑及维修都带来不便。为此不仅要求支承具有足够的强度和承载能力,还要求其运行平稳、安全可靠、寿命长(一般要求20年)、润滑、防腐及密封性能良好。
我国JB/T10705-2007标准中,对偏航、变桨风电回转支承套圈材料低温冲击功,在-30℃条件下规定Akv不小于27j。在上述风力发电机轴承的专用标准中,规定了:偏航、变桨回转支承套圈材料采用42CrMo,其性能应符合GB/T3077-1999的规定,也可采用满足性能要求的其他材料。而国内外风电制造厂家要求材料满足:在-40℃下其冲击功Akv≥27j。美国铁姆肯、德国蒂森克虏伯具备该钢种的生产能力,但是由于技术保密难以得到准确的化学成分及生产工艺。国内专利申请号200810045394.7,公开了“耐低温冲击的风电变浆、偏航轴承套圈用42CrMoVNb钢”,这种钢虽能解决在低温下的冲击功问题,但由于合金成分设计中含有镍、钒、铌等贵重金属,不仅大大增加了钢的成本,而且合金元素的提高还增加了钢材冶炼难度,更为连铸坯内在质量的控制增加了较大难度。
发明内容:
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,同时提供这种钢的生产工艺,不仅解决了GB/T3077中42CrMo合金结构钢不能满足-40℃下Akv≥27j的难题,而且与现有技术相比具有成本低、钢的强度高、塑性好、耐候性能、以及低温冲击性能好。
国内目前用于高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMoVNb钢(专利号:200810045394.7)以及GB/T3077标准成分,与本发明的钢种对比情况如下。(重量比%)
本发明通过以下技术方案实现:
一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,化学成分wt%为:C:0.41-0.44%,Si:0.17-0.37%,Mn:0.60-0.80%,Cr:0.90-1.20%,Mo:0.20-0.30%,P:≤0.020%,S:≤0.015%,Al:0.015-0.045%,,Cu:≤0.20%,Sb:≤0.003%,Sn:≤0.002%,As:≤0.010%,B≤0.0010%,[O]:≤15ppm,[H]:≤1.5ppm,[N]:≤70ppm,余为Fe。
本发明进一步优选方案是,所述钢的化学成分wt%为:C:0.41-0.44%,Si:0.20-0.32%,Mn:0.65-0.75%,Cr:1.00-1.10%,Mo:0.21-0.25%,P:≤0.015%,S:≤0.010%,Al:0.020-0.040%,Cu:≤0.02%,Sb:≤0.0003%,Sn:≤0.001%,As:≤0.005%,B≤0.0010%,[O]:≤0.0015%,[H]:≤0.00015%,[N]:≤0.0060,余为Fe。
本发明更进一步优选方案是,所述钢的化学成分wt%为:C:0.41-0.44%,Si:0.26-0.28%,Mn:0.68-0.70%,Cr:1.01-1.03%,Mo:0.23-0.24%,P:≤0.012%,S:≤0.002%,Al:0.032-0.036%,Cu:≤0.02%,Sb:≤0.0003%,Sn:≤0.0012%,As:≤0.005%,B≤0.0004%,[O]:≤0.0013%,[H]:≤0.00015%,[N]:≤0.0048,余为Fe。
用上述钢的圆坯经过锻造、热处理后-40℃冲击功大于27j。
下面具体说明本发明高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用42CrMo4钢化学成分的限定理由。
C:能显著提高钢的强度,同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性,但也使钢的塑性恶化,显著提高钢的脆性转变温度。即C在保证性能的前提现最好尽可能的降低,但是如果C含量低于0.41%,回转支承轴齿淬-回火后J5达不到56-63HRC的要求。如果C含量高于0.25%,按照本发明方案,材料的塑性指标和低温冲击性能均达不到客户使用要求,所以本钢种C含量取0.41-0.44%。
Si:在钢中能溶入铁素体,能提高合金钢的强度和硬度,降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.17%才能达到效果,但过高的Si含量,特别是与Mn、Cr元素共存时,容易引起钢的晶粒粗化,增加钢的回火脆性,同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求,本钢种将Si含量确定为0.17-0.37%。
Mn:在钢中能溶入铁素体,强化基体,在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量,因此,能提高强度和硬度,显著提高淬透性,改善热处理性能,且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于0.60%时,材料的力学性能和淬透性能均很难达到回转支承的使用要求,当Mn含量过高时,大大增加了材料的淬火裂纹倾向,且加大了工件淬火后的变形趋势,对回转支承的整体淬火工艺十分不利,所以Mn含量确定为0.60-0.80%。
Cr:能显著提高材料的淬透性,同时能提高钢的硬度抗腐蚀、耐磨性和耐候性。Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑,如果Cr低于0.90%材料淬透性达不到要求,同时材料抗腐蚀和耐磨性差,如果高于1.20%材料的塑性指标将受到影响,同时过高的Cr会形成氧化物夹杂,降低钢的冲击韧性,同时增加材料淬火变形,所以确定Cr含量为0.90-1.20%。
Mo:提高钢的淬透性、提高钢的热强性并提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向等作用。可以明显地改善钢材焊缝处的淬火特性,减少淬火裂纹,提高焊缝处的冲击韧性。当Mo含量低于0.20%时,难以满足J30≥32HRC的要求,但是当Mo含量高于0.30%时对钢材低温韧性产生不利影响,所以本发明确定Mo含量为0.20-0.30%。
Ni:与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相或γ相中,使之强化,并通过细化α相的晶粒,改善钢的低温性能,特别是韧性。但是,Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素。是一种重要的战略物资。作为合金化元素,能不用的尽量不用,不能不用的尽量少用。与对比钢相比在保证材料使用性能的前提下,通过合理的成分设计与加工工艺使得材料性能得到最大限度的发挥,大大地节约了战略物资Ni。
Al:提高钢的抗氧化性,降低钢中气体含量,提高钢的耐磨性和疲劳强度,同时作为细化晶粒元素存在于钢种,起到提高钢的低温性能和耐蚀性能的作用;如果Al含量过高,容易形成硬的Al2O3夹杂,恶化钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的成分控制范围为0.015-0.045%。这是本发明工艺的优势之一。
残余元素:残余元素P、S、Sn、Sb、As、Cu、B等,实践证明,P、S、Sn、Sb、As在晶间偏聚造成晶界脆化,会造成材料高温回火脆性,同时P、As、Sb超过一定含量时,对钢材的脆性转变温度提高很多,造成材料低温冲击韧性低,恶化钢材的综合力学性能。所以本发明对上述残余元素作了相关的规定。
O:在室温时对钢的强度影响不大,但使钢的伸长率和面缩率显著的降低,在较低温度和O含量极低时,材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面,随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低,脆性转变温度却很快地升高,脆性转变温度的范围也随着变宽。同时,随着O含量的增加,材料的氧化夹杂物几率大大增加,从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0015%以内,这是本发明工艺的优势之一。
N:钢中N主要起固溶强化和沉淀强化的作用,但N导致钢的时效及蓝脆现象,过高的N还会造成钢的疏松和气泡。本发明及生产工艺可以将N控制在0.0070%以下。
H:氢使钢的塑性降低,主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区,在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹,使钢的力学性能特别是塑性恶化,甚至断裂,在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆,以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此,本发明及工艺将H控制在0.00015%以下。
按照本发明生产的风电回转支承用42CrMo4,具有高强度、耐腐蚀、高韧性以及较低的屈强比,并具有较高的冲击韧性。材料经过整体调质后,-40℃,V型缺口冲击功AKv≥40J。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)显著地节约了战略物资Ni。在保证材料使用性能的情况下,基本取消了Ni的添加,有利于经济的可持续、长远发展。
(2)采用RH工艺,进行脱气和去除夹杂物,提高了材料的洁净度,从而提高了材料的低温冲击功。
(3)本工艺采用LD+LF+RH+CCM工艺,保证较低的H、O、N以及有害残余元素的含量,尤其是对低温冲击产生不利影响的残余元素如:As、Sn、Sb、B等元素含量,使得材料具有优异性能尤其是低温冲击韧性,满足-40℃下的使用要求。
(4)本发明在未添加贵重金属Ni以及微合金化元素V、Nb等稀有金属元素情况下,通过合理成分设计及先进的工艺满足了材料的-40℃下的使用要求,大大节约了成本(吨节约成本近千元)。
具体实施方式:
实施例1
采用以下生产工艺制备:
(1)转炉冶炼,在60吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼,加入铁水及废钢,转炉实现预脱P、挡渣留渣出钢防止回P、出钢进行预脱氧合金化及成分初调;
(2)LF精炼,在60吨以上的LF炉中造高碱度渣脱S、脱O,足够的软吹时间与氩吹强度保证去除夹杂物效果;
(3)RH,在LF精炼后,也可以采用在LF精炼前,采用60吨以上RH,在高真空下保持25分钟以上,实现真空脱气及去除夹杂物,保证[H]≤0.00015%、[O]≤0.0015%获得较高的钢水洁净度;
(4)连铸,采用意大利达涅利公司生产的R14m的6机6流连铸机,浇铸过程中对中间包实现定H、N操作,保证中间包钢水[H]≤0.00015%、[N]≤0.0070%,全保护浇铸成φ380mm-600mm的圆坯;
(5)钢坯精整,钢坯采用喷丸加人工检查精整工艺消除表面缺陷。
所得钢的化学成分:
C 0.44%,Si 0.28%,Mn 0.70%,Cr 1.03%,Ni 0.02%,Mo 0.23%,V 0.006%,Nb0.002%,Al 0.032%,S 0.001%,P 0.012%,B 0.0004%,Cu 0.02%,Sb 0.0002%,Sn 0.001%,As 0.005%,[O]0.0013%,[N]0.0042%,[H]0.00012%,余为Fe。
φ500mm圆坯经过锻打、加工成型后,-40℃,V型缺口冲击功AKv=53J。
实施例2
C 0.42%,Si 0.26%,Mn 0.68%,Cr 1.02%,Ni0.01%,Mo 0.23%,V 0.005%,Nb 0.002%,Al 0.036%,S 0.001%,P 0.011%,B 0.0003%,Cu 0.01%,Sb 0.0003%,Sn 0.0012%,As 0.003%,[O]0.0010%,[N]0.0048%,[H]0.00010%,余为Fe。
φ500m圆坯经过锻打、加工成型后,-40℃,V型缺口冲击功AKv=6J。
其余实施如实施例1。
实施例3
C 0.43%,Si 0.27%,Mn 0.69%,Cr 1.01%,Ni 0.02%,Mo 0.24%,V 0.004%,Nb 0.002%,Al 0.034%,S 0.001%,P 0.011%,B 0.0003%,Cu 0.01%,Sb 0.0003%,Sn 0.0012%,As 0.003%,[O]0.0011%,[N]0.0043%,[H]0.00012%,余为Fe。
φ500mm圆坯经过锻打、加工成型后,-40℃,V型缺口冲击功AKv=56J。
其余实施如实施例1。
上述三个实施例中的Ni、V、Nb元素为废钢带入,本发明对废钢带入的Ni、V、Nb作了限定,其中的Ni≤0.30%,V≤0.10%,≤0.05%。
上述三个实施例中得到的钢,其圆坯经过锻打、加工成型后,所测低温冲击功,是徐州罗特艾德回转支承公司使用后的实际产品的性能指标。
Claims (4)
1.一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,其特征在于化学成分wt%为:C:0.4-0.44%,Si:0.20-0.32%,Mn:0.65-0.75%,Cr:1.00-1.10%,Mo:0.21-0.25%,P:≤0.015%,S:≤0.010%,Al:0.020-0.040%,Cu:≤0.02%,Sb:≤0.0003%,Sn:≤0.001%,As:≤0.005%,B≤0.0010%,[O]:≤0.0015%,[H]:≤0.00015%,[N]:≤0.0060,Ni≤0.30%,V≤0.10%,Nb≤0.05%,余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,其特征在于化学成分wt%为:C:0.41-0.44%,Si:0.26-0.28%,Mn:0.68-0.70%,Cr:1.01-1.03%,Mo:0.23-0.24%,P:≤0.012%,S:≤0.002%,Al:0.032-0.036%,Cu:≤0.02%,Sb:≤0.0003%,Sn:≤0.0012%,As:≤0.005%,B≤0.0004%,[O]:≤0.0013%,[H]:≤0.00015%,[N]:≤0.0048,Ni ≤0.30%,V≤0.10%,Nb≤0.05%,余为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢,其特征在于圆坯经过锻造、热处理后-40℃冲击功大于53j。
4.制备权利要求1或2所述的一种高强度、耐低温冲击、耐候性的风电回转支承用钢的生产工艺,其特征在于包括下列步骤:
(1)转炉冶炼,在60吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼,加入铁水及废钢,转炉实现预脱P、挡渣留渣出钢防止回P、出钢进行预脱氧合金化及成分初调;
(2)LF精炼,在60吨以上的LF炉中造高碱度渣脱S、脱O,足够的软吹时间与氩吹强度保证去除夹杂物效果;
(3)RH,在LF精炼后或在LF精炼前,采用60吨以上RH,在高真空下保持25分钟以上,实现真空脱气及去除夹杂物,保证[H]≤0.00015%、[O]≤0.0015%获得较高的钢水洁净度;
(4)连铸,采用6机6流连铸机,浇铸过程中对中间包实现定H、N操作,保证中间包钢水[H]≤0.00015%、[N]≤0.0070%,全保护浇铸成φ380mm-600mm的圆坯;
(5)钢坯精整,钢坯采用喷丸加人工检查精整工艺消除表面缺陷。
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