專利名稱：大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球，還涉及實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球的制造工藝。
背景技術(shù)：
由于其綠色環(huán)保，風(fēng)力發(fā)電近年來受到了世界各個國家的高度重視，風(fēng)電行業(yè)形勢發(fā)張相當(dāng)迅速。我國風(fēng)電市場約需求風(fēng)電軸承專用鋼球3000萬粒，國際市場需要約15 億粒。因此風(fēng)能發(fā)電專用鋼球具有廣闊的市場前景。在風(fēng)力發(fā)電機上的鋼球軸承一般有 偏航軸承、變槳軸承、發(fā)電機軸承。如水平軸風(fēng)力發(fā)電機必須偏航實現(xiàn)對風(fēng)，偏航軸承是偏航系統(tǒng)中的重要部件，其位于機艙的底部，承載著風(fēng)力發(fā)電機主傳動系統(tǒng)的全部質(zhì)量，并傳遞氣動到塔架，準(zhǔn)確適時地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的迎風(fēng)角度，風(fēng)力發(fā)電機開始偏轉(zhuǎn)時，偏航加速度將產(chǎn)生很大的力矩，同時偏航齒輪上還將承受相當(dāng)大陀螺力知，易造成軸承的疲勞失效。根據(jù)機組軸承的工作特點，該軸承應(yīng)具有高可靠性、運轉(zhuǎn)靈活嚴(yán)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(zhuǎn)力矩，易出現(xiàn)提前失效。發(fā)電機軸承連續(xù)高速工作，因此要求實施高精度、低振動和低噪間。由于風(fēng)力發(fā)電機組在野外高空環(huán)境中風(fēng)沙、雨水、鹽霧、潮濕等惡劣環(huán)境下工作，同時要其運行平穩(wěn)、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(dá)到99. 9%，同時安裝在數(shù)十米高空中，其吊裝和更換極其不便，所以對于風(fēng)電軸承用的鋼球的要求，(1)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(wěn)定性(7)較好的抗耐腐蝕等特點。以前風(fēng)電鋼球工藝的缺點在于
1.目前國內(nèi)市場上的轎車專用軸承鋼球在選用原材料的材質(zhì)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(tǒng)。原材料采用普通GCrl5軸承鋼，其材料質(zhì)量差、含氧量高，夾雜物多，鋼的壽命較低。2.當(dāng)前國際先進的小環(huán)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(zhì)層的技術(shù)難題；但從技術(shù)應(yīng)用上風(fēng)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(shù)是不能適應(yīng)的；目前在市場上使用的都是一種通過熱軋技術(shù)的鋼球，其弱點是工裝模具技術(shù)不成熟，鋼球表面缺陷比較高且深，特別是鋼球兩極會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的稀疏現(xiàn)象， 會形成鋼球使用過程中的易疲勞失效區(qū)，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(tǒng)的加工辦法，在淬火介質(zhì)方面還是使用的油或水， 但使用油作為介質(zhì)會造成風(fēng)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(shè)置二次穩(wěn)定回火，易形成鋼球殘余奧氏體偏高，尺寸穩(wěn)定性差，在長時間使用過程中會生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)能設(shè)備專用鋼球及其工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種使用壽命長、高接觸疲勞強度、高耐磨性、高韌性、尺寸穩(wěn)定性高且制造成本低的大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球，還提供一種制造大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球的工藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球，其創(chuàng)新點在于所述鋼球圓度為0. 4 0. Sum,硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差為
0.8HRC，批硬度差為1. 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(fù)荷和壓縮比大于國標(biāo)的1. 2倍。一種實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球的制造工藝，其創(chuàng)新點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、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lOppm，鈦含量不超過30ppm，大顆粒狀夾雜物DS類小于1.5級；所述成型階段是以封閉中頻快速加熱至760V、00° 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；所述光磨階段磨掉球坯多余留量的環(huán)帶和兩極；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(nèi)進行冷卻，冷卻階段完成后，從淬火池內(nèi)吊出擺放到空氣回火爐網(wǎng)帶上，進行低溫回火后再在20(T23(TC下進行保溫4小時。進一步的，所述熱擠壓連續(xù)成型、光磨后進行去應(yīng)力退火，退火溫度為 5500C 士30°C，時間為3 5小時。進一步的，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(fā)，出現(xiàn)一層薄的蒸汽膜；第二階段通入新鮮的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(dǎo)和對流進行冷卻。進一步的，所述水溶性淬火劑為濃度為4-8%的NAC03溶液。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用原材料的甄選、球坯成型時采用熱擠壓連續(xù)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(wěn)定回火技術(shù)以及工藝流程中增加渦流無損探傷等多種技術(shù)相結(jié)合，制得硬度為59-64HRC ；同一粒硬度差為0. 8HRC ；批硬度差為
1.2HRC ；殘余奧氏體8-13% ；金相顯微組織2-3級；圓度0. 4 0. 8um的大型海上風(fēng)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(wěn)定性等特點。
具體實施例方式本發(fā)明中大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球的制造工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；f.硬磨；g. —次研磨；h.拋光；i.渦流探傷；j.兩次研磨；k.清洗；1.檢驗；m.涂油包裝。
a.原材料選用首先進行原料的選定，海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球是軸承的重要部件，鋼球的質(zhì)量對球軸承的精度、動態(tài)性能及使用壽命的影響至關(guān)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(zhì)量是衡量球軸承質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。它的性能指標(biāo)精度等級須達(dá)到G40級，最為重要的是涉及到風(fēng)力發(fā)電可靠性及安全性，故之所對風(fēng)力發(fā)電專用鋼球?qū)π阅艿囊蟾?，本發(fā)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(guī)定即小于1. 5級(最大直徑小于27um)。b.成型對原材料采用熱擠壓連續(xù)成型，具體的首先加熱以封閉中頻加熱爐將棒料快速加熱760°C、00° 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(yīng)加熱爐出品滑道至工作臺上，壓緊料段，滑塊下行， 當(dāng)沖頭壓向凹模時，將料段壓緊；鐓壓成形沖頭繼續(xù)下壓，在滑塊推動下將料段鐓成球坯；推出球坯當(dāng)沖頭隨滑塊返回原來位置，球坯被推出球窩；冷卻采用先風(fēng)冷再空冷的方法進行冷卻來消除或抑制網(wǎng)狀碳化物的產(chǎn)生。上述合金開式切刀采用的材料是采用和上海大學(xué)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(dá)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(xù)成型過程中，從高壽命的角度出發(fā)，重點研究了屬纖維流向的研究，借助了 DEFORM三維有限元設(shè)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(yīng)力場分布、最大主應(yīng)力場分布、鐓壓力五個指標(biāo)的影響，選擇最佳的壓縮比和模具、切刀的各項參數(shù)，從而實現(xiàn)了減少原材料到鐓壓成形過程中金屬晶格畸變，研究出規(guī)則、均勻、對稱的金屬纖維流向。經(jīng)c.球化退火和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(nèi)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(fā)，出現(xiàn)一層薄的蒸汽膜；第二階段通入新鮮的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(dǎo)和對流進行冷卻。冷卻階段完成后，從淬火池內(nèi)吊出擺放到空氣回火爐網(wǎng)帶上，立即進入一次回火階段，進行低溫回火后再在20(T23(TC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(yīng)力和組織應(yīng)力，促使鋼球組織轉(zhuǎn)變充分，穩(wěn)定鋼球尺寸，保證鋼球的硬度同粒球散差< 0.8HRC，同批鋼球硬度散差彡 1. 2HRC。在上述熱處理階段中，有兩個重要環(huán)節(jié)加熱與冷卻。在產(chǎn)品冷卻時所采用的冷卻介質(zhì)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(chǎn)品的使用性能及更好的發(fā)揮材料潛力的重要途徑，我們隊采取不同濃度的介質(zhì)對產(chǎn)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，如下表濃·表麗硬度. C09-84HRC)心 硬度· O 54 HRC壓碎負(fù)荷· 金相組織. ΟΠ66ΚΝ). (1-5 海2%.6 L 5-6258-1058. 1-2.狐-狐S 61.S+57.153 ‘ MS1狐制L7.57.6.I4S6- 2-3-10%.60.2-61.3.5丄+12J6, 34.
最終確定濃度為4-8%的NAC03溶液，在淬火槽中設(shè)置冷卻器、加熱器和循環(huán)裝置，通過改變濃度和溫度瞬間調(diào)整冷特性，即在高溫階段冷卻比水慢、比油快；產(chǎn)品在第二階段快速冷卻，得到淬火馬氏體；當(dāng)冷卻進入第三階段時，隨溫度降低，合成淬火劑會形成凝膠狀薄膜，從而使工件的溫度冷卻變慢，不僅保持了大直徑鋼球鹽浴淬火工藝的物理改性優(yōu)勢更從根本上解決了快速冷卻和心部與表面兩極區(qū)的硬度差的技術(shù)難點。e.熱處理階段完成后進行f.硬磨；我們在硬磨完成之后，增加了一道15(Γ160度的低溫二次回火，回火時間控制在2個小時，主要是消除表面應(yīng)力，細(xì)化組織，提高尺寸穩(wěn)定性和殘余奧氏體。最后再進行g(shù). —次研磨；h.拋光；i.渦流探傷；j.兩次研磨；k.清洗；1.檢驗； m.涂油包裝。這部分工藝步驟具體內(nèi)容均為常規(guī)方法，這里不再贅述。最終成品鋼球必須經(jīng)過100%無損渦流探傷、表面光電檢測，確保使用壽命達(dá)20年以上，可靠度達(dá)99. 9%，該產(chǎn)品必須具有高耐磨損、高精度、高可靠性、長壽命等特點。另外，在上述制造工藝中，還將球坯設(shè)計成無兩極柱及隱形環(huán)帶的圓形球體，在光磨階段磨掉球坯多余留量的環(huán)帶和兩極。在熱擠壓連續(xù)成型、光磨后進行去應(yīng)力退火，(退火溫度為550°C 士30°C / 3 5小時)，目的以消除高速冷鐓球坯成型時的材料形變應(yīng)力和光磨加工的綜合磨削應(yīng)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， 確保熱處理后鋼球表面硬度達(dá)59 64HRC，達(dá)到單粒硬度差0. 8HRC。還采用磨削曲線控制與大進給量表面變質(zhì)層控制技術(shù)；風(fēng)能鋼球在磨削加工中的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在兩個方面；一是可控的切削避免過快的切削或因過慢的切削鈍化產(chǎn)品表面特性，導(dǎo)致喪失產(chǎn)品的尺寸公差，二是相對磨削的總量基本超過了 1mm，從而大接觸面大摩擦阻力的精確磨削并控制到0. 4 μ m以內(nèi)的公差所存在的表面變質(zhì)層控制。最終制得的鋼球具有以下指標(biāo)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1. 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(fù)荷和壓縮比大于國標(biāo)的1. 2倍。
權(quán)利要求
1.一種大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球，其特征在于所述鋼球圓度為0. 4 0. Sum, 硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差為0. 8HRC，批硬度差為1. 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. Sum,鋼球壓碎負(fù)荷和壓縮比大于國標(biāo)的 1.2 倍。
2.一種實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)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、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lOppm，鈦含量不超過30ppm，大顆粒狀夾雜物DS類小于1. 5級；所述成型階段是以封閉中頻快速加熱至 7600C、00° 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；所述光磨階段磨掉球坯多余留量的環(huán)帶和兩極；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(nèi)進行冷卻，冷卻階段完成后，從淬火池內(nèi)吊出擺放到空氣回火爐網(wǎng)帶上，進行低溫回火后再在20(T23(TC下進行保溫4小時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球的制造工藝，其特征在于所述熱擠壓連續(xù)成型、光磨后進行去應(yīng)力退火，退火溫度為550°C 士30°C，時間為 3 5小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)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的水溶性淬火劑，形成液相蒸發(fā)，出現(xiàn)一層薄的蒸汽膜；第二階段通入新鮮的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(dǎo)和對流進行冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實現(xiàn)上述大型海上風(fēng)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(fā)明涉及一種大型海上風(fēng)電機組軸承專用鋼球及其制造工藝，其鋼球圓度為0.4～0.8um，硬度為59-64HRC，單粒硬度粒差為0.8HRC，批硬度差為1.2HRC，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(fù)荷和壓縮比大于國標(biāo)的1.2倍。利用原材料的甄選、球坯成型時采用熱擠壓連續(xù)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(wěn)定回火技術(shù)以及工藝流程中增加渦流無損探傷等多種技術(shù)相結(jié)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(wěn)定性等特點。
文檔編號C21D9/36GK102537069SQ20121006486
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者盧國杰, 周勇, 李薛俊, 王嶸, 蘇銀建, 袁建明, 趙高明, 馬林 申請人:江蘇力星通用鋼球股份有限公司