我国风电轴承钢研究近况

翟海平，耿鑫.，王庆，李晓凯

我国风电轴承钢研究近况

翟海平1，耿鑫1.2，王庆1，李晓凯2

（1.江苏星火特钢有限公司，江苏 泰州 225721；2.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819）

为了满足目前特大型轴承材料的需求，对于5MW以上的风电轴承用钢，应具备更加优异的淬透性及综合力学性能，所以，特别有必要在成分设计方面以及热处理工艺方面进行一些适当的改进，从而开发出一种新型的风电轴承用钢。风电轴承国产化不仅可以令国内轴承工业的设计应用水平有所提高，还可以与国外先进水平的差距进一步降低，更可以推动国内轴承工业的发展；此外，可以推动我国可再生资源以及新资源的发展步伐，使风电成本进一步降低，加快我国新资源和可再生资源的发展。

风电轴承钢；电渣重熔；可再生资源；新资源；国产化

风电轴承是一种特殊的轴承，使用环境恶劣，高维修成本，要求高寿命并且风电轴承有着复杂的制备技术，因此制造出风电轴承质量的好坏严重制约着我国风电事业的发展。近年来风力发电技术朝着大型化、商品化、实用化、集群化方向快速发展,发电成本持续下降,产业不断成长壮大。随着风力发电机组功率的不断增大，对风力发电机组配套轴承的需求也不断增加，这就对风电材料提出了更高的要求。安装使用在不同位置的轴承需要采用不同的钢种和热处理工艺。下边将对偏航轴承，变桨轴承,主轴轴承用钢做简述。

1 偏航、桨轴承用钢

偏航轴承作用：当风向改变时风轮可及时地做出调整；当机舱内引出的电缆发生缠绕的现象时在偏航的作用下，可以自动解决缠绕问题。

偏航轴承性能特点：偏航轴承位于塔楼顶部，支撑着风力发电机的整个机舱，同时承受着风扫过叶片产生的轴向力、径向力和倾覆力矩。通过偏航驱动机构的偏航调整作用，保证吊舱对正风力的方向性。偏航轴承具有自密封性、防腐性，且内部有一定预紧。要求轴承在复杂的载荷工况下，在风吹雨淋、沙尘盐雾、高低温和强紫外线等极端恶劣的环境下具有20年以上的使用寿命和99%以上的可靠性。

变桨轴承作用：对桨叶节距进行适当的调节，从而在遇到过高或过低的风速时，改变叶片在气流作用下的攻角，令机组获得的空气动力转矩发生变化，最后确保稳定的输出功率。

变桨轴承性能特点：变桨轴承安装在风力发电机上叶片的根部，承受着叶片和风扫叶片共同产生的轴向力、径向力和倾覆力矩。变桨轴承具有自密封性、防腐性，且内部有一定预紧。要求轴承在复杂的载荷工况下，在风吹雨淋、沙尘盐雾、高低温和强紫外线等极端恶劣的环境下具有20年以上的使用寿命和99%以上的可靠性。

42CrMo钢常被用来制作偏航和变桨轴承套圈，归功于它的低温韧性，在<-20℃的低温条件下，其冲击功必须达到27J及以上。

1.1 42CrMo钢

传统的风电偏航、变桨轴承一般选用42CrMo钢制造，因为它有较高的强度、淬透性，较好的韧性，高温时蠕变强度以及持久强度高，另外其低周疲劳特性较好。

因为风电轴承使用条件的特殊，用户不仅要求其应具有高的低温冲击功而且还要有良好的常温力学性能。这种性能又直接影响风电轴承寿命以及可靠性，通过调制热处理工艺参数可以影响其性能。

综合考虑风电轴承套圈的低温冲击功以及力学性能在淬火、回火温度下的影响规律，最终确定比较理想的热处理工艺参数为：选择2%～5%的高分子水剂做淬火介质，淬火温度840 ℃ ± 10 ℃，回火温度630 ℃ ± 10 ℃。有以下优点：

（1）水剂淬火调质后42CrMo钢制风电轴承套圈的力学性能可以满足技术要求。

（2）水剂淬火调质后42CrMo钢制风电轴承套圈可以确保不产生淬火裂纹。

本钢种不足：42CrMo这种钢只能在3 MW 级及以下小功率风电机组使用，是因为它的淬透性不足。所以设计一种新的钢使其具有足够高的淬透性是很有必要的。

1.2 40CrNiMo钢

40CrNiMo钢是一种有着很好淬透性的合金结构钢，在经过淬火之后强度和韧性都可以得到提高。较大直径的锻件，它的性能与它自身的质量、锻后预备热处理的组织状态等有着直接的关系。在提高淬火硬度的前提下，它的综合力学性能才可以提高，特别是冲击吸收能量可以提高。关键步骤是制定合适的热处理工艺参数来配合相应的工件。

想要满足40CrNiMo钢的力学性能在大截面状态下的技术要求，可以采用水淬、空冷、油冷相互配合的淬火冷却方式，回火后心部的回火索氏体组织较为均匀，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 为效果较好的热处理工艺方法。

优点：其本身淬透性较好，可以考虑用作制作功率很大的风电偏航轴承套圈。

缺点：（1）其生产成本较高是由于此钢中成分中镍含量高；

（2）虽然它的淬透性较好，但是不足以用来制作5 MW级的风电轴承。所以应该研发一种淬透性更好且生产成本也较低的新型钢种。

1.3 42CrMnMoB钢

提高钢的淬透性的常用方法是复合合金化，但是考虑到其心部的冷却速率较低，加入微量硼元素可以令其淬透性提高。从淬透性从合金元素方面提高考虑，锰可以在一定程度上代替镍，是因为锰元素可以扩大奥氏体相区，使奥氏体的稳定性增强，从而淬透性提高；而硼可以吸附在奥氏体晶界，阻止奥氏体向铁素体转变，可提高淬透性，特别是在低速条件下。另外在生产成本上，由于镍的价格非常高，使用锰和硼可以大幅度降低成本。

相比42CrMo钢、40CrNiMo钢，42CrMnMoB钢的淬透性最高，强度稍低于40CrNiMo钢，但远高于42CrMo钢，且其冲击韧性最高。

最佳热处理工艺：淬火时采用油冷+590 ℃×60min回火

优点：此钢各项力学性能均能满足5 MW 级风电偏航轴承套圈用钢的性能要求，具有应用于大功率风电偏航轴承套圈中的潜能。

1.4 40CrNiMoV钢

因为40CrNiMo钢的淬透性不能满足制作5MW风电偏航轴承。因此加入微量的V元素开发出了40CrNiMoV钢，不仅具有超高的淬透性，而且经奥氏体化后可以获得优异的综合力学性能，就算在慢速率冷却条件下依然可以实现。

热处理工艺：

经水淬处理后，40CrNiMoV钢中马氏体组织的体积分数要远大于 40CrNiMo钢。经高温回火处理后，40CrNiMo钢的强韧性配合不佳，而 40CrNiMoV钢可以满足5 MW 级风电偏航轴承的力学性能指标。

630 ℃回火处理1 h为实际测试的5MW级轴承套圈用钢的热处理工艺。

优点：此钢的强韧性比40CrNiMo 钢高且完全满足风电偏航轴承对力学性能的要求。可以用来制造5MW级风电偏航轴承。

2 主轴轴承用钢

主轴轴承作用：主轴起支撑轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用。

主轴轴承性能特点：主轴轴承来源于转子、主轴等重量所引起的径向力以及有转子上风压产生的较大的轴向力。轴承应具有99%以上的可靠性和20年以上的使用寿命。

2.1 GCr15SiMn钢

在GCr15轴承钢成分中适当增加Si、Mn含量得到的GCr15SiMn轴承钢，淬透性得到改善，耐磨性得到提高。其中由于碳含量偏高导致其耐磨性提高是因为在回火马氏体中确保形成足够的过共析碳化物；较高的铬含量降低了脆裂风险是因为提高了淬透性。

性能：具有高的纯净度、较低的有害元素含量（如钛和氧）、良好的碳化物不均匀性、高的耐磨性、致密的低倍组织、高可靠度、抗疲劳。

冶炼工艺：电弧炉（EAF）→精炼（LF+VD）→ 3.7t 方锭底注式模铸（IC）。

另外GCr15SiMn 轴承钢应该控制钛含量，成分中钛含量的控制是冶炼过程中的自身难点。因为在调整硅的时候会带入钛，同时钢中具有很低的氧含量导致钛还原到钢水中，所以控制钛含量的主要手段是冶炼时要选用合适的合金和铬铁。

但是后来实践中发现除了上述原因外还有其他因素影响钛含量。如钢液氧位、脱氧元素、精炼炉渣碱度对对钢中钛含量的影响等。江成斌，罗辉对钛含量做了成功控制，详见文献8。

该钢制造轴承的弱点是：( 1 ) 淬透性不高；( 2 ) 脆性大，在淬火和磨削中易出现裂纹；( 3 ) 轴承在使用中难以承受较高冲击载荷。

2.2 GCr15SiMo钢

在Si元素对含Mo轴承钢性能影响做了深入的研究后开发了GCr15SiMo钢，由于淬透性比较高的原因，此钢可以替代GCr15SiMn钢用来制造壁厚大于50mm的大型滚子及特大型轴承套圈。

2.3 GCr15Si1Mo钢

此钢适用于制造更大尺寸范围的轴承套圈、滚珠及滚柱等，且5MW级主轴轴承、变桨轴承、偏航轴承的滚动体已经开始由此钢来制造。其滚动接触疲劳寿命显著优于GCr15SiMo钢。此钢的淬透性得到提高归功于在GCr15基础上添加了Mo和Si的含量。Mo元素提高可显著阻止奥氏体晶粒粗化。Si元素提高有利于形成无碳化物纳米贝氏体组织是因为在贝氏体相变过程中抑制碳化物析出，最终使钢的综合力学性能得到改善。

球化退火后，从900℃5min的奥氏体化保温时间增加到90min时，未溶碳化物含量从 13.5 vol.%降低到 4.5 vol.%；当保温时间更高时，未溶碳化物含量逐渐稳定。其平均等效直径在奥氏体化过程中保持恒定，约为0.39μm。具体工艺及优点详见文献15。

2.4 G20Cr2Ni4A钢

传统最常用的渗碳轴承钢为G20Cr2Ni4A钢，经过马氏体淬、回火处理后为硬度高、耐磨性和滚动接触疲劳性能优异的马氏体轴承钢。然而，G20Cr2Ni4A钢中Ni含量高达3.25wt％～3.75wt％， 轴承钢的原材料成本非常高，降低轴承钢的成本，一直是轴承行业的需求。因此，我国也开发了一些低Ni含量或无Ni的渗碳轴承钢，如G20CrMo， G20CrNiMo，G20CrNi2Mo，G10CrNi3Mo，G20Cr2Mn2Mo等钢种，这些渗碳轴承经最终热处理工艺处理后均为马氏体轴承钢。

工艺流程：60t电弧炉冶炼→LF→VD→模铸 Φ700mm电极→保护气氛 电渣炉（Φ930mm或Φ1100mm电渣锭）→3500t快锻机→退火。具体详细工艺见文献16。

由G20Cr2Ni4A渗碳轴承钢制造出来的轴承，不仅内部的韧性高，而且外部强度也好，更重要的是有着非常良好的整体稳定性，因此常常用来制造受冲击较大的轴承，如轧机、铁路机车，发电设备等。渗碳轴承钢由于售价高，市场需求大，还有可观的利润，因此未来发展潜力大。

但是随着工业大型化的发展，G20Cr2Ni4A钢的淬透性已经不能满足于一些大型关键零部件用钢要求。所以开发新型的高性能渗碳钢具有非常重要的意义。

2.5 G23Cr2Ni2Si1Mo钢（纳米贝氏体渗碳钢）

依托国家 863 课题，张福成等人开发出的G23Cr2Ni2Si1Mo钢具有以下优点。

优点：更高的滚动接触疲劳性能，耐磨性最佳，淬透性，心部综合力学性能优异，抗拉和屈服强度提高。

最佳热处理工艺：渗碳淬火→650℃回火3h→860℃奥氏体化→200℃盐浴等温8h→200℃回火

G23Cr2Ni2Si1Mo钢和G20Cr2Ni4钢有着相似的渗碳特性。耐磨性提高了61%，滚动接触疲劳性能提高254%。具体详见文献17。

可以满足5MW及以上风电机组大型偏航轴承、变桨轴承、风叶主轴轴承的服役特点和可靠性高的要求。

3 结语

随着风力发电机组功率的不断增大，对风力发电机组配套轴承的需求也不断增加，因此应着手对风电材料选择及冶炼工艺、热处理工艺等进行改进，以此提高轴承的安全可靠性和使用寿命，从而生产出满足大功率风电机组的轴承钢。并进一步国产化，从而缩小与国外先进水平的差距，加快我国新资源和可再生资源的发展。

张福成等人开发出纳米贝氏体渗碳轴承钢，在轴承钢产品成分的均匀性、超纯净化、碳化物控制等方面实现重大突破。

目前应用处于起步阶段，还有很多问题需要学者进行进一步的研究，比如残余奥氏体在服役过程中的转变导致的尺寸是否稳定的问题；纳米贝氏体的组织演变规律；组织在服役寿命方面的影响；如何缩短热处理工艺周期等。

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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年江苏省双创团队项目。

翟海平，男，江苏新化人，高级工程师。研究方向：特种合金材料及冶炼工艺技术。

[责任编辑：刘良瑞]