专利名称：大型海上风电机组轴承专用钢球及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型海上风电机组轴承专用钢球，还涉及实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺。
背景技术：
由于其绿色环保，风力发电近年来受到了世界各个国家的高度重视，风电行业形势发张相当迅速。我国风电市场约需求风电轴承专用钢球3000万粒，国际市场需要约15亿粒。因此风能发电专用钢球具有广阔的市场前景。在风力发电机上的钢球轴承一般有偏航轴承、变桨轴承、发电机轴承。如水平轴风力发电机必须偏航实现对风，偏航轴承是偏航系统中的重要部件，其位于机舱的底部，承载着风力发电机主传动系统的全部质量，并传 递气动到塔架，准确适时地调整风力发电机的迎风角度，风力发电机开始偏转时，偏航加速度将产生很大的力矩，同时偏航齿轮上还将承受相当大陀螺力知，易造成轴承的疲劳失效。根据机组轴承的工作特点，该轴承应具有高可靠性、运转灵活严防海上盐雾并且寿命超过20年，对于机组变桨轴承一样，在工作时也会承受较大的旋转力矩，易出现提前失效。发电机轴承连续高速工作，因此要求实施高精度、低振动和低噪间。由于风力发电机组在野外高空环境中风沙、雨水、盐雾、潮湿等恶劣环境下工作，同时要其运行平稳、安全可靠、寿命长(一般要求20年)，无故障运行13万小时以下，可靠度达到99. 9%，同时安装在数十米高空中，其吊装和更换极其不便，所以对于风电轴承用的钢球的要求，(O高接触疲劳强度(2)高耐磨性(3)高弹性极限(4)适宜的硬度(5)高冲击韧性(6)良好的尺寸稳定性(7)较好的抗耐腐蚀等特点。以前风电钢球工艺的缺点在于
I.目前国内市场上的轿车专用轴承钢球在选用原材料的材质是普通GCrl5轴承钢，氧含量都在10-15PPM，从钢球加工工序为热轧成型工艺和光磨工序、热处理工艺上还是80年代的传统。原材料采用普通GCrl5轴承钢，其材料质量差、含氧量高，夹杂物多，钢的寿命较低。2.当前国际先进的小环带锥鼓型自动成型冷镦新工艺，虽然解决了大留量磨削和大进给量磨削中的表面变质层的技术难题；但从技术应用上风能专用钢球的直径尺寸大，基本都在36mm以上，由于其在冷镦过程中冲压力过大，球坯无法正常形成，显然冷镦成型技术是不能适应的；目前在市场上使用的都是一种通过热轧技术的钢球，其弱点是工装模具技术不成熟，钢球表面缺陷比较高且深，特别是钢球两极会出现比较严重的稀疏现象，会形成钢球使用过程中的易疲劳失效区，同时钢球留磨量高，造成材料和后道工序加工成本的增加。3.热处理工序还是沿用的传统的加工办法，在淬火介质方面还是使用的油或水，但使用油作为介质会造成风电钢球(直径大于36MM)淬透性不足，但纯粹使用水，易造成钢球表面裂纹。
4.没有设置二次稳定回火，易形成钢球残余奥氏体偏高，尺寸稳定性差，在长时间使用过程中会生产钢球直径变化，从而造成钢球早期疲劳。因此目前市场上还没有能完全符合标准的风能设备专用钢球及其エ艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种使用寿命长、高接触疲劳强度、高耐磨性、高韧性、尺寸稳定性高且制造成本低的大型海上风电机组轴承专用钢球，还提供一种制造大型海上风电机组轴承专用钢球的エ艺。为解决上述技术问题，本发明的技术方案为ー种大型海上风电机组轴承专用钢球，其创新点在于所述钢球圆度为0. 4 0. 8um,硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差为
0.8HRC，批硬度差为I. 2HRC，心部硬度大于>54HRC，残余奥氏体8_13%，金相组织2_3级，表面粗糙度大于0. 8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的I. 2倍。
一种实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造エ艺，其创新点在于エ艺步骤依次为原材料选用、成型、球化退火、光磨、热处理、硬磨、二次回火、一次研磨、抛光、涡流探伤、两次研磨、清洗、检验和涂油包装；所述原材料采用GCr 15轴承钢，其氧含量不超过IOppm,钛含量不超过30ppm，大颗粒状夹杂物DS类小于I. 5级；所述成型阶段是以封闭中频快速加热至760V 100° C，采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，然后使用上料、压紧料段，通过成型模具进行镦压成形；所述热处理阶段将钢球在电炉中以830— 860°C下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，进行低温回火后再在20(T230°C下进行保温240-270分钟；所述二次回火温度150 160度，时间在120-150分钟。进ー步的，所述冷却阶段分为三个阶段第一阶段将热透的钢球倒入35_45°C的水溶性淬火剂，形成液相蒸发，出现ー层薄的蒸汽膜；第ニ阶段通入新的淬火剂作为冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。进ー步的，所述水溶性淬火剂为浓度为4-8%的NAC03溶液。本发明的优点在于利用原材料的甄选、球坯成型时采用热挤压连续成型、热处理中采用水溶性淬火剂进行多阶段淬火、増加二次稳定回火技术以及エ艺流程中增加涡流无损探伤等多种技术相结合，制得硬度为59-64HRC ;同一粒硬度差< 0. 8HRC ;批硬度差彡I. 2HRC ;残余奥氏体8-13% ;金相显微组织2-3级；圆度彡0. 8um的大型海上风电机组轴承专用钢球，使得其具有良好的高接触疲劳强度、高耐磨性、高弹性极限、适宜的硬度、高冲击韧性以及良好的尺寸稳定性等特点。
具体实施例方式本发明中大型海上风电机组轴承专用钢球的制造エ艺主要包括以下步骤a.原材料选用；b.成型；c.球化退火；d.光磨；e.热处理ば.硬磨；g. 二次回火；h. —次研磨；
1.抛光；j.润流探伤；k.两次研磨；1.清洗；m.检验；n.涂油包装。a.原材料选用首先进行原料的选定，海上风电机组轴承专用钢球是轴承的重要部件，钢球的质量对球轴承的精度、动态性能及使用寿命的影响至关重要，大量的轴承使用，试验表明钢球影响轴承全部因素的70%，轴承失效因钢球破裂的比例占到58. 8%，这就说明钢球在轴承中的重要地位，和重要性，因此钢球质量是衡量球轴承质量的ー项重要指标。它的性能指标精度等级须达到G40级，最为重要的是涉及到风カ发电可靠性及安全性，故之所对风カ发电专用钢球对性能的要求更高，本发明中使用的原材料采用GCrl5轴承钢，其氧含量不超过lOppm，钛含量不超过30ppm。同时对大颗粒状的夹杂物DS进行了明确规定即小于I. 5级(最大直径小于27um)。b.成型对原材料采用热挤压连续成型，具体的首先加热以封闭中频加热炉将棒料快速加热760V 800° C ;切段采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，上料由感应加热炉出品滑道至工作台上，压紧料段，滑块下行，当冲头压向凹模时，将料段压紧；镦压成形冲头继续下压，在滑块推动下将料段镦成球坯；推出球坯当冲头随滑块返回原来位置，球坯被推出球窝；冷却采用先风冷再空冷的方法进行冷却来消除或抑制网状碳化物的产生。上述合金开式切刀采用的材料是采用和上海大学材料所研制的7Cr7Mo2V2Si钢，钢材的硬度值5(T60HRC，机械加工前采用球化退火处理，硬度值降低到22(T250HBW，机械加工后进行了淬火处理，淬火处理后材料的硬度值达到63飞4HRC，最后对刀具进行了回火处理，回火2 3次，回火后硬度值57飞3HRC，刀具采用的是整体模块。另外，在热挤压连续成型过程中，从高寿命的角度出发，重点研究了属纤维流向的研究，借助了 DEFORM三维有限元设计软件模拟热镦过程中探原材料长径比对球坯成型情况、温度场分布、应カ场分布、最大主应カ场分布、镦压カ五个指标的影响，选择最佳的压缩比和模具、切刀的各项參数，从而实现了減少原材料到镦压成形过程中金属晶格畸变，研究出规则、均匀、対称的金属纤维流向。c.球化退火在热挤压连续成型后进行去应カ退火，退火温度为550°C ±30°C，时间3 5小吋，目的以消除高速冷镦球坯成型时的材料形变应カ和光磨加工的综合磨削应力，确保热处理淬火后钢球表面硬度的提高，改善硬度的均匀性。d.光磨步骤后进入e.热处理阶段。e.热处理阶段进行硬度控制热处理，将钢球在电炉中以830— 860°C下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，其中，冷却阶段分为三个阶段第一阶段将热透的钢球倒入35-45 °C的水溶性淬火剂，形成液相蒸发，出现ー层薄的蒸汽膜；第ニ阶段通入新的淬火剂作为冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，立即进入一次回火阶段，进行低温回火后再在20(T230°C下进行保温240-270分钟。以充分去除钢球淬火时和冷处理的热应カ和组织应力，促使钢球组织转变充分，稳定钢球尺寸，保证钢球的硬度同粒球散差< 0.8HRC，同批钢球硬度差彡I. 2HRC。在上述热处理阶段中，有两个重要环节加热与冷却。在产品冷却时所采用的冷却介质及冷却方式对热处理件的性能起着重要作用。为了改善项目产品的使用性能及更好的发挥材料潜力的重要途径，我们队采取不同浓度的介质对产品硬度、淬透性、变形量及组织的影响进行了分析研究使用50. 8mm的钢球进行试验，如下表
权利要求
1.一种大型海上风电机组轴承专用钢球，其特征在于所述钢球圆度彡O. 8um，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差彡O. 8HRC，批硬度差彡I. 2HRC，心部硬度为54-60HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度彡O. 8um，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的I. 2倍。
2.一种实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于工艺步骤依次为原材料选用、成型、球化退火、光磨、热处理、硬磨、二次回火、一次研磨、抛光、涡流探伤、两次研磨、清洗、检验和涂油包装；所述原材料采用GCrl5轴承钢，其氧含量不超过IOppm,钛含量不超过30ppm，大颗粒状夹杂物DS类小于I. 5级；所述成型阶段是以封闭中频快速加热至760V 100° C，采用合金开式切刀然后对传动到刀具处的原材料通过刀具切割成均等的小段，然后使用上料、压紧料段，通过成型模具进行镦压成形；所述热处理阶段将钢球在电炉中以830— 860°C下进行保温，使钢球热透，再将钢球一粒粒倒入淬火池内进行冷却，冷却阶段完成后，从淬火池内吊出摆放到空气回火炉网带上，进行低温回火后再在20(T230°C下进行保温240-270分钟；所述二次回火温度150 160度，时间在120-150分钟。
3.根据权利要求2所述的实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于所述冷却阶段分为三个阶段第一阶段将热透的钢球倒入35-45°C的水溶性淬火齐U，形成液相蒸发，出现一层薄的蒸汽膜；第二阶段通入新的淬火剂作为冷却液不断替代蒸汽膜，钢球表面形成大量的汽泡；第三阶段钢球表面直接与冷却液接触，依靠传导和对流进行冷却。
4.根据权利要求3所述的实现上述大型海上风电机组轴承专用钢球的制造工艺，其特征在于所述水溶性淬火剂为浓度为4-8%的NAC03溶液。
全文摘要
本发明涉及一种大型海上风电机组轴承专用钢球及其制造工艺，其钢球圆度≤0.8μm，硬度为59-64HRC，单粒硬度粒差≤0.8HRC，批硬度差≤1.2HRC，心部硬度为54-60HRC，残余奥氏体8-13%，金相组织2-3级，表面粗糙度≤0.8μm，钢球压碎负荷和压缩比大于国标的1.2倍。利用原材料的甄选、球坯成型时采用热挤压连续成型、热处理中采用水溶性淬火剂进行多阶段淬火、增加二次稳定回火技术以及工艺流程中增加涡流无损探伤等多种技术相结合，使得钢球具有良好的高接触疲劳强度、高耐磨性、高弹性极限、适宜的硬度、高冲击韧性以及良好的尺寸稳定性等特点。
文档编号C21D1/60GK102865301SQ20121034200
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年3月13日
发明者王嵘, 周勇, 苏银建, 赵高明, 马林, 李薛俊, 卢国杰 申请人:江苏力星通用钢球股份有限公司