專利名稱：大型海上風電機組軸承專用鋼球及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大型海上風電機組軸承專用鋼球，還涉及實現上述大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造工藝。
背景技術：
由于其綠色環保，風力發電近年來受到了世界各個國家的高度重視，風電行業形勢發張相當迅速。我國風電市場約需求風電軸承專用鋼球3000萬粒，國際市場需要約15億粒。因此風能發電專用鋼球具有廣闊的市場前景。在風力發電機上的鋼球軸承一般有偏航軸承、變槳軸承、發電機軸承。如水平軸風力發電機必須偏航實現對風，偏航軸承是偏航系統中的重要部件，其位于機艙的底部，承載著風力發電機主傳動系統的全部質量，并傳 遞氣動到塔架，準確適時地調整風力發電機的迎風角度，風力發電機開始偏轉時，偏航加速度將產生很大的力矩，同時偏航齒輪上還將承受相當大陀螺力知，易造成軸承的疲勞失效。根據機組軸承的工作特點，該軸承應具有高可靠性、運轉靈活嚴防海上鹽霧并且壽命超過20年，對于機組變槳軸承一樣，在工作時也會承受較大的旋轉力矩，易出現提前失效。發電機軸承連續高速工作，因此要求實施高精度、低振動和低噪間。由于風力發電機組在野外高空環境中風沙、雨水、鹽霧、潮濕等惡劣環境下工作，同時要其運行平穩、安全可靠、壽命長(一般要求20年)，無故障運行13萬小時以下，可靠度達到99. 9%，同時安裝在數十米高空中，其吊裝和更換極其不便，所以對于風電軸承用的鋼球的要求，(O高接觸疲勞強度(2)高耐磨性(3)高彈性極限(4)適宜的硬度(5)高沖擊韌性(6)良好的尺寸穩定性(7)較好的抗耐腐蝕等特點。以前風電鋼球工藝的缺點在于
I.目前國內市場上的轎車專用軸承鋼球在選用原材料的材質是普通GCrl5軸承鋼，氧含量都在10-15PPM，從鋼球加工工序為熱軋成型工藝和光磨工序、熱處理工藝上還是80年代的傳統。原材料采用普通GCrl5軸承鋼，其材料質量差、含氧量高，夾雜物多，鋼的壽命較低。2.當前國際先進的小環帶錐鼓型自動成型冷鐓新工藝，雖然解決了大留量磨削和大進給量磨削中的表面變質層的技術難題；但從技術應用上風能專用鋼球的直徑尺寸大，基本都在36mm以上，由于其在冷鐓過程中沖壓力過大，球坯無法正常形成，顯然冷鐓成型技術是不能適應的；目前在市場上使用的都是一種通過熱軋技術的鋼球，其弱點是工裝模具技術不成熟，鋼球表面缺陷比較高且深，特別是鋼球兩極會出現比較嚴重的稀疏現象，會形成鋼球使用過程中的易疲勞失效區，同時鋼球留磨量高，造成材料和后道工序加工成本的增加。3.熱處理工序還是沿用的傳統的加工辦法，在淬火介質方面還是使用的油或水，但使用油作為介質會造成風電鋼球(直徑大于36MM)淬透性不足，但純粹使用水，易造成鋼球表面裂紋。
4.沒有設置二次穩定回火，易形成鋼球殘余奧氏體偏高，尺寸穩定性差，在長時間使用過程中會生產鋼球直徑變化，從而造成鋼球早期疲勞。因此目前市場上還沒有能完全符合標準的風能設備專用鋼球及其エ藝。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供ー種使用壽命長、高接觸疲勞強度、高耐磨性、高韌性、尺寸穩定性高且制造成本低的大型海上風電機組軸承專用鋼球，還提供一種制造大型海上風電機組軸承專用鋼球的エ藝。為解決上述技術問題，本發明的技術方案為ー種大型海上風電機組軸承專用鋼球，其創新點在于所述鋼球圓度為0. 4 0. 8um,硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差為
0.8HRC，批硬度差為I. 2HRC，心部硬度大于>54HRC，殘余奧氏體8_13%，金相組織2_3級，表面粗糙度大于0. 8um，鋼球壓碎負荷和壓縮比大于國標的I. 2倍。
一種實現上述大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造エ藝，其創新點在于エ藝步驟依次為原材料選用、成型、球化退火、光磨、熱處理、硬磨、二次回火、一次研磨、拋光、渦流探傷、兩次研磨、清洗、檢驗和涂油包裝；所述原材料采用GCr 15軸承鋼，其氧含量不超過IOppm,鈦含量不超過30ppm，大顆粒狀夾雜物DS類小于I. 5級；所述成型階段是以封閉中頻快速加熱至760V 100° C，采用合金開式切刀然后對傳動到刀具處的原材料通過刀具切割成均等的小段，然后使用上料、壓緊料段，通過成型模具進行鐓壓成形；所述熱處理階段將鋼球在電爐中以830— 860°C下進行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內進行冷卻，冷卻階段完成后，從淬火池內吊出擺放到空氣回火爐網帶上，進行低溫回火后再在20(T230°C下進行保溫240-270分鐘；所述二次回火溫度150 160度，時間在120-150分鐘。進ー步的，所述冷卻階段分為三個階段第一階段將熱透的鋼球倒入35_45°C的水溶性淬火劑，形成液相蒸發，出現ー層薄的蒸汽膜；第ニ階段通入新的淬火劑作為冷卻液不斷替代蒸汽膜，鋼球表面形成大量的汽泡；第三階段鋼球表面直接與冷卻液接觸，依靠傳導和對流進行冷卻。進ー步的，所述水溶性淬火劑為濃度為4-8%的NAC03溶液。本發明的優點在于利用原材料的甄選、球坯成型時采用熱擠壓連續成型、熱處理中采用水溶性淬火劑進行多階段淬火、増加二次穩定回火技術以及エ藝流程中增加渦流無損探傷等多種技術相結合，制得硬度為59-64HRC ;同一粒硬度差< 0. 8HRC ;批硬度差彡I. 2HRC ;殘余奧氏體8-13% ;金相顯微組織2-3級；圓度彡0. 8um的大型海上風電機組軸承專用鋼球，使得其具有良好的高接觸疲勞強度、高耐磨性、高彈性極限、適宜的硬度、高沖擊韌性以及良好的尺寸穩定性等特點。
具體實施例方式本發明中大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造エ藝主要包括以下步驟a.原材料選用；b.成型；c.球化退火；d.光磨；e.熱處理ば.硬磨；g. 二次回火；h. —次研磨；
1.拋光；j.潤流探傷；k.兩次研磨；1.清洗；m.檢驗；n.涂油包裝。a.原材料選用首先進行原料的選定，海上風電機組軸承專用鋼球是軸承的重要部件，鋼球的質量對球軸承的精度、動態性能及使用壽命的影響至關重要，大量的軸承使用，試驗表明鋼球影響軸承全部因素的70%，軸承失效因鋼球破裂的比例占到58. 8%，這就說明鋼球在軸承中的重要地位，和重要性，因此鋼球質量是衡量球軸承質量的ー項重要指標。它的性能指標精度等級須達到G40級，最為重要的是涉及到風カ發電可靠性及安全性，故之所對風カ發電專用鋼球對性能的要求更高，本發明中使用的原材料采用GCrl5軸承鋼，其氧含量不超過lOppm，鈦含量不超過30ppm。同時對大顆粒狀的夾雜物DS進行了明確規定即小于I. 5級(最大直徑小于27um)。b.成型對原材料采用熱擠壓連續成型，具體的首先加熱以封閉中頻加熱爐將棒料快速加熱760V 800° C ;切段采用合金開式切刀然后對傳動到刀具處的原材料通過刀具切割成均等的小段，上料由感應加熱爐出品滑道至工作臺上，壓緊料段，滑塊下行，當沖頭壓向凹模時，將料段壓緊；鐓壓成形沖頭繼續下壓，在滑塊推動下將料段鐓成球坯；推出球坯當沖頭隨滑塊返回原來位置，球坯被推出球窩；冷卻采用先風冷再空冷的方法進行冷卻來消除或抑制網狀碳化物的產生。上述合金開式切刀采用的材料是采用和上海大學材料所研制的7Cr7Mo2V2Si鋼，鋼材的硬度值5(T60HRC，機械加工前采用球化退火處理，硬度值降低到22(T250HBW，機械加工后進行了淬火處理，淬火處理后材料的硬度值達到63飛4HRC，最后對刀具進行了回火處理，回火2 3次，回火后硬度值57飛3HRC，刀具采用的是整體模塊。另外，在熱擠壓連續成型過程中，從高壽命的角度出發，重點研究了屬纖維流向的研究，借助了 DEFORM三維有限元設計軟件模擬熱鐓過程中探原材料長徑比對球坯成型情況、溫度場分布、應カ場分布、最大主應カ場分布、鐓壓カ五個指標的影響，選擇最佳的壓縮比和模具、切刀的各項參數，從而實現了減少原材料到鐓壓成形過程中金屬晶格畸變，研究出規則、均勻、対稱的金屬纖維流向。c.球化退火在熱擠壓連續成型后進行去應カ退火，退火溫度為550°C ±30°C，時間3 5小吋，目的以消除高速冷鐓球坯成型時的材料形變應カ和光磨加工的綜合磨削應力，確保熱處理淬火后鋼球表面硬度的提高，改善硬度的均勻性。d.光磨步驟后進入e.熱處理階段。e.熱處理階段進行硬度控制熱處理，將鋼球在電爐中以830— 860°C下進行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內進行冷卻，其中，冷卻階段分為三個階段第一階段將熱透的鋼球倒入35-45 °C的水溶性淬火劑，形成液相蒸發，出現ー層薄的蒸汽膜；第ニ階段通入新的淬火劑作為冷卻液不斷替代蒸汽膜，鋼球表面形成大量的汽泡；第三階段鋼球表面直接與冷卻液接觸，依靠傳導和對流進行冷卻。冷卻階段完成后，從淬火池內吊出擺放到空氣回火爐網帶上，立即進入一次回火階段，進行低溫回火后再在20(T230°C下進行保溫240-270分鐘。以充分去除鋼球淬火時和冷處理的熱應カ和組織應力，促使鋼球組織轉變充分，穩定鋼球尺寸，保證鋼球的硬度同粒球散差< 0.8HRC，同批鋼球硬度差彡I. 2HRC。在上述熱處理階段中，有兩個重要環節加熱與冷卻。在產品冷卻時所采用的冷卻介質及冷卻方式對熱處理件的性能起著重要作用。為了改善項目產品的使用性能及更好的發揮材料潛力的重要途徑，我們隊采取不同濃度的介質對產品硬度、淬透性、變形量及組織的影響進行了分析研究使用50. 8mm的鋼球進行試驗，如下表
權利要求
1.一種大型海上風電機組軸承專用鋼球，其特征在于所述鋼球圓度彡O. 8um，硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差彡O. 8HRC，批硬度差彡I. 2HRC，心部硬度為54-60HRC，殘余奧氏體8-13%，金相組織2-3級，表面粗糙度彡O. 8um，鋼球壓碎負荷和壓縮比大于國標的I. 2倍。
2.一種實現上述大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造工藝，其特征在于工藝步驟依次為原材料選用、成型、球化退火、光磨、熱處理、硬磨、二次回火、一次研磨、拋光、渦流探傷、兩次研磨、清洗、檢驗和涂油包裝；所述原材料采用GCrl5軸承鋼，其氧含量不超過IOppm,鈦含量不超過30ppm，大顆粒狀夾雜物DS類小于I. 5級；所述成型階段是以封閉中頻快速加熱至760V 100° C，采用合金開式切刀然后對傳動到刀具處的原材料通過刀具切割成均等的小段，然后使用上料、壓緊料段，通過成型模具進行鐓壓成形；所述熱處理階段將鋼球在電爐中以830— 860°C下進行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內進行冷卻，冷卻階段完成后，從淬火池內吊出擺放到空氣回火爐網帶上，進行低溫回火后再在20(T230°C下進行保溫240-270分鐘；所述二次回火溫度150 160度，時間在120-150分鐘。
3.根據權利要求2所述的實現上述大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造工藝，其特征在于所述冷卻階段分為三個階段第一階段將熱透的鋼球倒入35-45°C的水溶性淬火齊U，形成液相蒸發，出現一層薄的蒸汽膜；第二階段通入新的淬火劑作為冷卻液不斷替代蒸汽膜，鋼球表面形成大量的汽泡；第三階段鋼球表面直接與冷卻液接觸，依靠傳導和對流進行冷卻。
4.根據權利要求3所述的實現上述大型海上風電機組軸承專用鋼球的制造工藝，其特征在于所述水溶性淬火劑為濃度為4-8%的NAC03溶液。
全文摘要
本發明涉及一種大型海上風電機組軸承專用鋼球及其制造工藝，其鋼球圓度≤0.8μm，硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差≤0.8HRC，批硬度差≤1.2HRC，心部硬度為54-60HRC，殘余奧氏體8-13%，金相組織2-3級，表面粗糙度≤0.8μm，鋼球壓碎負荷和壓縮比大于國標的1.2倍。利用原材料的甄選、球坯成型時采用熱擠壓連續成型、熱處理中采用水溶性淬火劑進行多階段淬火、增加二次穩定回火技術以及工藝流程中增加渦流無損探傷等多種技術相結合，使得鋼球具有良好的高接觸疲勞強度、高耐磨性、高彈性極限、適宜的硬度、高沖擊韌性以及良好的尺寸穩定性等特點。
文檔編號C21D1/60GK102865301SQ20121034200
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年3月13日
發明者王嶸, 周勇, 蘇銀建, 趙高明, 馬林, 李薛俊, 盧國杰 申請人:江蘇力星通用鋼球股份有限公司