风力发电机组轴承钢材料性能提升研究

风力发电机组轴承钢材料性能提升研究

王鹏坤1 贺先吉1 薛渊博1 郭春林1 杨李琴1

（1.东方电气风电股份有限公司， 德阳 618000）

摘要 基于风力发电机组轴承锻件断裂问题的分析和低温冲击性能提升分析，对轴承钢化学成分、锻造加工工艺、热处理工艺等工序进行了实验设计优化，并选取不同锻件位置进行低温冲击韧性的分析。结果表明：将淬透性元素Mn和Mo含量提升，并添加新元素Ni和V可以提升轴承锻件材料韧性。热处理时选择随形锻造工艺并增加随形粗加工工序以及在调质前加入正火预备热处理，均将锻件低温冲击韧性提高。取样选取方式改为锻件1/2厚度位置（皮下100mm～150mm），能够更好的反映锻件低温冲击韧性。

关键词 风电；轴承钢；性能提升；低温冲击韧性

Research on material performance improvement of bearing steel of wind turbine

Wang Pengkun，He Xianji Xue，Baijiu Guo，Chun Lin，Yang Li Qin,

（1.Dongfang Electric Wind Power Co., LTD., Deyang 618000）

Abstract Based on the analysis of the fracture of wind turbine bearing forgings and the improvement of low temperature impact performance, the experimental design was optimized for the bearing tempering components, forging process and heat treatment process, and the low temperature impact toughness was analyzed by selecting different forging positions. The results show that the toughness of bearing forgings can be improved by increasing the content of hardenability elements Mn and Mo and adding new elements Ni and V. The low temperature impact toughness of forgings can be improved by selecting the following forging process, adding the following roughing process and adding the normalizing preparation heat treatment before tempering. The sampling selection method is changed to the 1/2 thickness position of the forging (100mm ~ 150mm under the skin), which can better reflect the low-temperature impact toughness of the forging.

Key words Wind power； bearing steel；performance improvement；low temperature impact toughness

0前言 风能是目前主流的可再生能源之一，而风力发电是利用风能资源的最主要的手段[1]，风电行业的迅速发展促进了风力发电机组中各零部件的相关研究，尤其是风电轴承这一重要传动支承零部件。由于风电设备的运行环境一般较为恶劣，特别是海上风电轴承使用工况极为苛刻，且多为极端低温天气。在低温条件下，轴承材料的韧性对轴承的稳定性是不能忽视的。因此，研究轴承锻件材料以及锻件加工方式对锻件低温冲击韧性的影响很有必要。

为了确定锻件最大低温冲击韧性的条件，必须进行实验材料以及加工程序上的优化。在传统的轴承钢材料中，常认为Ni含量的变化对轴承钢材料冲击韧性影响变化不大，信振飞[2]阐述了不同含量的Ni对轴承钢的冲击韧性的影响，进一步验证了实验的可行性。Vikram Bedekar以研究不同含量的Ni对轴承钢参数奥氏体的影响[3]，讨论得出Ni含量提升时，提高了奥氏体的稳定性，从而提高轴承钢的力学性能。 谢元林[4]以轴承钢中加入V元素，能够提升热处理正火后的强度以及低温韧性，并且分析了不同含量的V对韧性的影响。刘林

[5]等考虑了加入V后进行轴承钢锻造，分析对比了加入前后的冲击断口形貌，对加入V含量以及用途进一步提供新思路。王艳辉、李雪峰[6]等人加入Mo、V等淬透性元素进行相同的热处理工艺，探讨不同热处理加工工艺对轴承钢性能的影响，只有利用合理的热处理方式才能得到力学性能优异的轴承钢。轴承钢锻造过程一般直接将材料锻造成需要零件的大致形状[7],但由于这样热处理效果不佳，为保证锻件热处理效果，现改进锻造加工工艺。

目前，轴承钢材料迅速发展，但同时加入Ni、V等淬透性元素的研究比较少。本文通过风电轴承实际使用过程中断裂问题的分析，结合原有的淬透性元素进行重新组合分析，加入新淬透性元素Ni和V，并采用新的热处理方式进行综合考虑轴承钢材料的低温冲击韧性，为轴承钢材料的设计制造提供新参考。

1问题与现状

对某公司3年来风机运行情况进行调查统计，在轴承套圈锻件断裂问题中，非韧性断裂问题比例高达80%，而非韧性断裂问题主要与冲击韧性偏低有关，故对锻件进行了解剖检测。经对断裂锻件解剖发现，锻件截面不同位置性能差异大，标准要求的皮下12.5mm取样位置处-40℃低温冲击韧性满足≥27J的要求，但锻件心部-40℃冲击韧性仅有9J，远低于标准要求，故将主要提升方向定为提升轴承锻件低温冲击韧性。

2改进优化研究

目前市场上主流的轴承锻件材料[8]Mn的含量为0.60%～0.80%Mo含量为0.15%～0.25%，并没有淬透性元素Ni和 V，故选择加入Ni和V元素，测量其低温冲击韧性。热处理锻造工艺与取样位置也随之进行优化处理，对锻件低温冲击韧性均有提升。

2.1化学成分优化

轴承锻件材料原化学成分如表1：

表1 原轴承锻件化学成分

为提升锻件低温冲击韧性，采取了以下化学成分改进优化措施：

（1）提高现有淬透性元素含量，将Mn由0.60%～0.80%更改为0.65%～0.85%，Mo由0.15%～0.25%更改为0.20%～0.35%；

（2）增添新的淬透性元素，添加Ni0.40%～0.70%，添加V0.05%～0.15%。

改进后的化学成分如表2：

表2 改进后的轴承锻件化学成分

2.2锻造与加工工艺优化

针对调制余量过大的问题，为保证锻件热处理效果，改进了锻件锻造与加工工艺：依据锻件结构尺寸，加入随形锻造工艺要求，并在调质前增加随形粗加工工序（9mm～15mm余量），以消除锻造、正火氧化皮，减小锻件壁厚，增加淬透深度，提高心部冲击韧性。

2.3热处理工艺优化

为保证热处理效果，热处理工艺优化措施为：调质前增加正火预备热处理，以细化晶粒，提升锻件心部冲击韧性。经试验，设定正火预备热处理加热温度为850℃～890℃。

2.4取样位置优化

为更准确反映锻件性能，特别是低温冲击韧性情况，将取样位置由皮下12.5mm优化为锻件1/2厚度位置（皮下100mm～150mm）。锻件1/2位置处相较于皮下12.5mm处离锻件心部更近，更能反映锻件内部真实韧性情况。取样位置如图1所示：

图1 取样位置优化示意图

3实验结果与发展现状

将实验锻件进行解剖并取样12处，进行冲击韧性检测，求出所有测得结果的平均值与标准值进行比较。目前该优化工艺已经在实际工程中使用，且目前冲击韧性表现良好。

3.1试验件改进优化效果

按照上述优化措施，试制锻件1件，并进行解剖验证，尺寸与解剖取样位置见图2：

图2 试验件尺寸与取样位置

经解剖检测，各取样位置冲击韧性（-40℃）见表3：

表3 优化工艺后的试验锻件解剖检测性能数据

上表结论得出，优化后的锻件心部-40℃平均冲击韧性40J，大于标准要求的27J。

3.2微观组织

观察实验锻件，其心部金相组织为回火索氏体+少量贝氏体，晶粒度8.5级，见图3：

图3 试验锻件心部金相组织

3.3批量制造件性能情况

改进、并经验证后的优化工艺已在我公司海上风电变桨轴承锻件上批量应用，同时还批量应用于风电行业主轴轴承锻件制造，冲击韧性优良且稳定。

4总结

本文基于轴承钢材料性能特性分析，对轴承钢材料以及加工方式进行设计，并通过对冲击韧性以及局部微观组织进行分析。主要结论如下：

(1)通过轴承锻件材料性能提升研究，将淬透性元素Mn和Mo的含量分别提升5%，以及加入新元素Ni（0.40%～0.70%）、V（0.05%～0.15%），测得轴承锻件低温（-40℃）下的冲击韧性由9J稳定提高到30J以上，大幅提升了轴承锻件抗断裂能力。目前研究成果已在风电变桨轴承、主轴轴承锻件上得到批量应用，经济效益和社会效益显著。

(2)在调质前增加随形粗加工工序和增加正火预备热处理都能能够改变轴承钢的低温冲击韧性。在选取实验部位时，应进行皮下1/2位置，这样能够更好的反映轴承锻件心部的力学性能。

参考文献

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