CN102041456B - 风电主轴用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电主轴用钢，通过添加微合金化元素，其化学成分质量百分比组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S≤0.020％，P≤0.020％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.03～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了一种风电主轴用钢的制造方法，通过双细化处理和调质处理得到了具有良好性能的合金钢，其轴颈端1/2半径处-40℃下的低温冲击功比现有的42CrMoA高出了一倍多，极大地提高了风电主轴在高原及寒冷地带运转的稳定性、安全性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电行业主轴用钢产品，尤其涉及具有良好的低温冲击性能和机械性能的主轴用结构钢。
背景技术
风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。在这一过程中，风电主轴起着至关重要的作用。风电主轴承受的载荷复杂，工作环境恶劣，要求使用寿命达到20年以上，尤其是在高原及寒冷地带装机，要求风力发电机主轴具有高的低温冲击韧性，例如1.25MW的风电主轴要求在-40℃下冲击功≥27J。目前风力发电机主轴常用的钢种为42CrMoA和34CrNiMo6，国内多采用42CrMoA，而国外多采用34CrNiMo6。采用42CrMoA作为风电主轴用钢，其低温冲击韧性不足，在-40℃下，冲击功不到20J。若采用34CrNiMo6作为风电主轴用钢，虽然低温冲击韧性好，在-40℃下，其冲击功可以达到35J，但是由于34CrNiMo6钢中贵金属元素Ni的含量较高，致使生产主轴的原料成本高，不适合当前国内风力发电机的生产。
专利公开号为CN101294261，公开日为2008年10月29日，名称为“大型风电主轴用合金结构钢”的中国发明专利，公开了一种风力发电机主轴用合金结构钢，其通过在42CrMoA的基础上添加0.30％的Ni元素来提高低温冲击韧性，但添加0.30％的Ni元素对提高钢的淬透性没有明显作用，只有当Ni元素含量大于1％时才具有提高淬透性的作用，因此该发明只能满足风电主轴表层(距表层25.4mm)的机械性能。而大型风电主轴从原来的只对近表层的机械性能有要求发展到对轴颈端1/2半径处(距表层150mm左右)的机械性能有严格要求，因此该技术方案不能满足1.25MW风电主轴的性能要求。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种适用于大型风电主轴的具有高淬透性、高低温冲击韧性合金钢，以克服现有的42CrMoA低温冲击韧性不足，34CrNiMo6原料成本较高的缺点。本发明采用微合金化技术，通过加入适当的微合金化元素Zr、V、B、Ti，细化晶粒和组织，提高材质的纯净度，满足大型风电主轴的低温冲击韧性要求。
本发明的另一目的是提供一种制造上述合金钢的方法，除了进行常规的冶炼和锻造外，在调质处理前对钢坯进行双细化处理，细化钢坯的晶粒组织，并通过调质处理提高主轴的淬透性，从而提高合金钢的综合力学性能。
根据本发明的上述目的，提出一种风电主轴用钢，其化学元素质量百分比组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S≤0.020％，P≤0.020％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.03～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，该风电主轴用钢化学元素质量百分比的组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S 0.005～0.009％，P 0.010～0.013％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.04～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明中风电主轴用钢的成分设计是基于以下原理：
正如上面所述，本发明的技术构思是通过在钢中添加适量的微合金化元素来细化钢的晶粒和组织，满足大型风电主轴的低温冲击韧性要求和高淬透性要求，V元素在本发明中正是作为微合金化元素添加的。由于V在钢中能够形成碳化钒或氮化钒，而且V在加热过程中难于溶解，通过其碳氮化物的沉淀可以细化晶粒、组织并提高强度。因此本发明钢中加入0.05～0.15％的V，用于细化钢的组织，提高强韧性。
另外一种微合金化元素是Zr，因Zr元素具有脱气作用，可以降低钢中的气体含量，同时添加微量Zr元素还可显著提高钢的低温韧性。
本发明经过试验发现，向钢中添加微量的微合金化元素B，质量分数大于0.001％，可明显提高钢的淬透性，强烈推迟钢的先共析铁素体转变，但当B含量超过0.005％时，将形成碳化物，对提高钢的淬透性不再发生有益作用。
向钢中添加微合金化元素Ti0.03～0.08％，是由于Ti元素和N、O元素的亲和力比B元素高，因此为了增加钢中的有效B，向钢中添加一定量的Ti，使得Ti先于B形成TiN，避免形成BN，从而充分发挥B元素提高钢的淬透性的作用，同时形成的TiN在晶界处起到钉扎作用，可以阻碍奥氏体晶粒长大，提高钢的韧性，为了更好的达到这一效果，本发明试验发现Ti/N的重量百分比应≥5。
C元素是提高强度的主要元素，但是过高含量的C元素对塑性不利，因此对于要求调质处理的风电主轴用钢，将C控制在0.35～0.45％。
Mn元素通过在钢中起固溶强化的作用来提高强度，同时提高钢的淬透性，此外Mn与O元素的亲合力较强，在炼钢时能起到脱氧作用，有利于以后的脱硫工序。但Mn元素过多，会导致晶粒长大，增加钢的脆性，所以本发明中将Mn含量控制在0.55～0.75％。
钢中含有少量的Si元素会有较好的脱氧作用，但Si含量过高则会降低钢的焊接和切削加工性能。
Ni元素也是本技术方案中添加的主要合金元素之一，Ni元素的加入不仅可以提高钢的韧性，还可以提高钢的淬透性，但Ni又是贵重合金元素，过多的加入会提高制造成本，所以本发明将Ni含量控制在0.25～0.35％。
Cr元素的重要作用是其能强烈推迟珠光体转变，如果将Cr、Mn同时加入，这种效果更加明显，更有利于淬透性的提高，但是另一方面Cr元素会降低马氏体转变点，Cr含量过高不利于马氏体转变，因此本发明将Cr含量控制在0.90～1.80％。
Mo元素对珠光体转变有明显的抑制作用，可以有效的提高钢的淬透性，Mo与Mn的联合作用又可以显著提高奥氏体的稳定性，从而提高钢的淬透性，同时0.2％以上的Mo又具有抑制回火脆性的作用，因此本发明中Mo的含量为0.20～0.30％。
相应地，本发明还提供了一种风电主轴用钢的制造方法，包括下列步骤：
(1)冶炼和锻造：将原料冶炼成钢锭，控制其化学元素质量百分数组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S≤0.020％，P≤0.020％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.03～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质，然后将该钢锭锻造成主轴用钢毛坯，将锻造好的主轴用钢毛坯进行退火处理后进行机械加工，去除其表面的氧化脱碳层；
(2)细化处理：将经过上述处理的主轴用钢加热到900～920℃保温12～15小时后冷却至室温；
(3)二次细化处理：将经过上述步骤处理的主轴用钢再次加热到860～880℃保温12～15小时后冷却至室温；
(4)淬火处理：将经过双细化的主轴用钢加热到840～860℃保温12～15小时淬火，然后冷却到200～300℃；
(5)回火处理：将经过调质的主轴用钢加热到600～620℃保温20～25小时后空冷。
优选地，所述步骤(1)中的钢坯其化学元素质量百分数组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S 0.005～0.009％，P 0.010～0.013％，Zr0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.04～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选地，所述步骤(4)中的淬火采用环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质冷却。
此制造方法通过上述双细化工艺和调质工艺，可以大大提高主轴用钢的淬透性和综合力学性能。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
1.本发明通过采用微合金化技术添加Zr、V、Ti、B合金元素提高了主轴用钢的淬透性和低温冲击韧性。尤其是Zr元素的加入，对提高风电主轴用钢的低温冲击韧性效果非常显著，与现有的42CrMoA风电主轴用钢相比，-40℃下的低温冲击韧性提高了一倍多。
2.在调质处理前采用双细化处理步骤细化晶粒和组织，进一步提高了主轴用钢的低温冲击韧性。
具体实施方式
实施例1-5
采用电弧炉、钢包精炼炉和真空脱气处理冶炼浇注25t钢锭，将实施例1-5中的钢锭化学元素质量百分比控制在如表1所示的范围内。
表1.本发明实施例1-5中风电主轴用钢的化学元素质量百分比组成
然后将上述钢锭锻造成主轴用钢毛坯，退火处理后进行机械加工以去除其表面的氧化脱碳层。然后按照表2进行双细化处理和调质处理。
表2.本发明实施例1-5中风电主轴用钢制造方法中的双细化处理和调质工艺
| 实施例 | 双细化处理 | 调质处理 | 试样1/2半径处-40℃下的低温冲击功(J) |
| 1 | 第一次：920℃保温12小时后风冷至室温。 | 淬火：840℃保温12小时淬火，采用15％的环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火 | 45 |
| 第二次：880℃保温12小时后风冷至室温。 | 介质将主轴冷却到200℃。回火：600℃保温25小时后空冷 | ||
| 2 | 第一次：910℃保温12小时后风冷至室温。第二次：860℃保温12小时后风冷至室温。 | 淬火：850℃保温12小时淬火，采用15％的环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质将主轴冷却到200℃。回火：610℃保温25小时后空冷 | 48 |
| 3 | 第一次：900℃保温12小时后风冷至室温。第二次：870℃保温12小时后风冷至室温。 | 淬火：860℃保温12小时淬火，采用15％的环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质将主轴冷却到200℃。回火：620℃保温20小时后空冷 | 50 |
| 4 | 第一次：910℃保温12小时后风冷至室温。第二次：860℃保温12小时后风冷至室温。 | 淬火：850℃保温12小时淬火，采用15％的环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质将主轴冷却到200℃。回火：610℃保温25小时后空冷 | 48 |
| 5 | 第一次：920℃保温12小时后风冷至室温。第二次：880℃保温12小时后风冷至室温。 | 淬火：860℃保温12小时淬火，采用15％的环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质将主轴冷却到200℃。回火：620℃保温20小时后空冷 | 49 |
由上表可见，本发明由于采用微合金化技术以及双细化处理技术，获得了淬透性和低温冲击韧性高的风电主轴用钢，主轴轴颈端1/2半径处-40℃下的低温冲击功比现有的42CrMoA高出了一倍多，极大地提高了风电主轴在高原及寒冷地带运转的稳定性、安全性和使用寿命，同时较之现有技术节省了1％以上的Ni元素消耗，取得了显著的技术进步并达到了良好的技术效果。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种风电主轴用钢的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)冶炼和锻造：将原料冶炼成钢锭，控制其化学元素质量百分数组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S≤0.020％，P≤0.020％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.03～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质，然后将该钢锭锻造成主轴用钢毛坯，将锻造好的主轴用钢毛坯进行退火处理后进行机械加工，去除其表面的氧化脱碳层；
(2)细化处理：将经过步骤(1)处理的主轴用钢加热到900～920℃保温12～15小时后冷却至室温；
(3)二次细化处理：将经过步骤(1)-(2)处理的主轴用钢再次加热到860～880℃保温12～15小时后冷却至室温；
(4)淬火处理：将经过双细化的主轴用钢加热到840～860℃保温12～15小时淬火，然后冷却到200～300℃；
(5)回火处理：将经过调质的主轴用钢加热到600～620℃保温20～25小时后空冷。
2.如权利要求1所述的风电主轴用钢的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的钢锭的化学元素质量百分数组成为：C 0.35～0.45％，Mn 0.55～0.75％，Ni 0.25～0.35％，Cr 0.90～1.80％，Mo 0.20～0.30％，V 0.05～0.15％，Si 0.20～0.35％，S 0.005～0.009％，P 0.010～0.013％，Zr 0.10～0.30％，B 0.001～0.005％，Ti 0.04～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的风电主轴用钢的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中的淬火采用环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物水基淬火介质冷却。
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