專利名稱：大型海上風(fēng)電機(jī)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(jī)組軸承專用鋼球，還涉及實(shí)現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機(jī)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(lái)受到了世界各個(gè)國(guó)家的高度重視，風(fēng)電行業(yè)形勢(shì)發(fā)張相當(dāng)迅速。我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)約需求風(fēng)電軸承專用鋼球3000萬(wàn)粒，國(guó)際市場(chǎng)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(chǎng)前景。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的鋼球軸承一般有偏航軸承、變槳軸承、發(fā)電機(jī)軸承。如水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須偏航實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)，偏航軸承是偏航系統(tǒng)中的重要部件，其位于機(jī)艙的底部，承載著風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的全部質(zhì)量，并傳 遞氣動(dòng)到塔架，準(zhǔn)確適時(shí)地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)角度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始偏轉(zhuǎn)時(shí)，偏航加速度將產(chǎn)生很大的力矩，同時(shí)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(jī)組軸承的工作特點(diǎn)，該軸承應(yīng)具有高可靠性、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活嚴(yán)防海上鹽霧并且壽命超過20年，對(duì)于機(jī)組變槳軸承一樣，在工作時(shí)也會(huì)承受較大的旋轉(zhuǎn)力矩，易出現(xiàn)提前失效。發(fā)電機(jī)軸承連續(xù)高速工作，因此要求實(shí)施高精度、低振動(dòng)和低噪間。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)要其運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠、壽命長(zhǎng)(一般要求20年)，無(wú)故障運(yùn)行13萬(wàn)小時(shí)以下，可靠度達(dá)到99. 9%，同時(shí)安裝在數(shù)十米高空中，其吊裝和更換極其不便，所以對(duì)于風(fēng)電軸承用的鋼球的要求，(O高接觸疲勞強(qiáng)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(diǎn)。以前風(fēng)電鋼球工藝的缺點(diǎn)在于
I.目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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?yàn)闊彳埑尚凸に嚭凸饽スば?、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(guó)際先進(jìn)的小環(huán)帶錐鼓型自動(dòng)成型冷鐓新工藝，雖然解決了大留量磨削和大進(jìn)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(wú)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(chǎng)上使用的都是一種通過熱軋技術(shù)的鋼球，其弱點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的稀疏現(xiàn)象，會(huì)形成鋼球使用過程中的易疲勞失效區(qū)，同時(shí)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間使用過程中會(huì)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(chǎng)上還沒有能完全符合標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)能設(shè)備專用鋼球及其エ藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供ー種使用壽命長(zhǎng)、高接觸疲勞強(qiáng)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(jī)組軸承專用鋼球，還提供一種制造大型海上風(fēng)電機(jī)組軸承專用鋼球的エ藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為ー種大型海上風(fēng)電機(jī)組軸承專用鋼球，其創(chuàng)新點(diǎn)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(jí)，表面粗糙度大于0. 8um，鋼球壓碎負(fù)荷和壓縮比大于國(guó)標(biāo)的I. 2倍。
一種實(shí)現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機(jī)組軸承專用鋼球的制造エ藝，其創(chuàng)新點(diǎn)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(yàn)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?yuàn)A雜物DS類小于I. 5級(jí)；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(duì)傳動(dòng)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(jìn)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(jìn)行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內(nèi)進(jìn)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(jìn)行低溫回火后再在20(T230°C下進(jìn)行保溫240-270分鐘；所述二次回火溫度150 160度，時(shí)間在120-150分鐘。進(jìn)ー步的，所述冷卻階段分為三個(gè)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)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(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行冷卻。進(jìn)ー步的，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(diǎn)在于利用原材料的甄選、球坯成型時(shí)采用熱擠壓連續(xù)成型、熱處理中采用水溶性淬火劑進(jìn)行多階段淬火、増加二次穩(wěn)定回火技術(shù)以及エ藝流程中增加渦流無(wú)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< 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(jí)；圓度彡0. 8um的大型海上風(fēng)電機(jī)組軸承專用鋼球，使得其具有良好的高接觸疲勞強(qiáng)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(diǎn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中大型海上風(fēng)電機(jī)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(rùn)流探傷；k.兩次研磨；1.清洗；m.檢驗(yàn)；n.涂油包裝。a.原材料選用首先進(jìn)行原料的選定，海上風(fēng)電機(jī)組軸承專用鋼球是軸承的重要部件，鋼球的質(zhì)量對(duì)球軸承的精度、動(dòng)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(yàn)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)量的ー項(xiàng)重要指標(biāo)。它的性能指標(biāo)精度等級(jí)須達(dá)到G40級(jí)，最為重要的是涉及到風(fēng)カ發(fā)電可靠性及安全性，故之所對(duì)風(fēng)カ發(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(shí)對(duì)大顆粒狀的夾雜物DS進(jìn)行了明確規(guī)定即小于I. 5級(jí)(最大直徑小于27um)。b.成型對(duì)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760V 800° C ;切段采用合金開式切刀然后對(duì)傳動(dòng)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(tái)上，壓緊料段，滑塊下行，當(dāng)沖頭壓向凹模時(shí)，將料段壓緊；鐓壓成形沖頭繼續(xù)下壓，在滑塊推動(dòng)下將料段鐓成球坯；推出球坯當(dāng)沖頭隨滑塊返回原來(lái)位置，球坯被推出球窩；冷卻采用先風(fēng)冷再空冷的方法進(jìn)行冷卻來(lái)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(jī)械加工前采用球化退火處理，硬度值降低到22(T250HBW，機(jī)械加工后進(jìn)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(duì)刀具進(jìn)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(diǎn)研究了屬纖維流向的研究，借助了 DEFORM三維有限元設(shè)計(jì)軟件模擬熱鐓過程中探原材料長(zhǎng)徑比對(duì)球坯成型情況、溫度場(chǎng)分布、應(yīng)カ場(chǎng)分布、最大主應(yīng)カ場(chǎng)分布、鐓壓カ五個(gè)指標(biāo)的影響，選擇最佳的壓縮比和模具、切刀的各項(xiàng)參數(shù)，從而實(shí)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、対稱的金屬纖維流向。c.球化退火在熱擠壓連續(xù)成型后進(jìn)行去應(yīng)カ退火，退火溫度為550°C ±30°C，時(shí)間3 5小吋，目的以消除高速冷鐓球坯成型時(shí)的材料形變應(yīng)カ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。d.光磨步驟后進(jìn)入e.熱處理階段。e.熱處理階段進(jìn)行硬度控制熱處理，將鋼球在電爐中以830— 860°C下進(jìn)行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內(nèi)進(jìn)行冷卻，其中，冷卻階段分為三個(gè)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)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(dǎo)和對(duì)流進(jìn)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(jìn)入一次回火階段，進(jìn)行低溫回火后再在20(T230°C下進(jìn)行保溫240-270分鐘。以充分去除鋼球淬火時(shí)和冷處理的熱應(yīng)カ和組織應(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，同批鋼球硬度差彡I. 2HRC。在上述熱處理階段中，有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)加熱與冷卻。在產(chǎn)品冷卻時(shí)所采用的冷卻介質(zhì)及冷卻方式對(duì)熱處理件的性能起著重要作用。為了改善項(xiàng)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(duì)采取不同濃度的介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品硬度、淬透性、變形量及組織的影響進(jìn)行了分析研究使用50. 8mm的鋼球進(jìn)行試驗(yàn)，如下表
權(quán)利要求
1.一種大型海上風(fēng)電機(jī)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(jí)，表面粗糙度彡O. 8um，鋼球壓碎負(fù)荷和壓縮比大于國(guó)標(biāo)的I. 2倍。
2.一種實(shí)現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機(jī)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(yàn)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?yuàn)A雜物DS類小于I. 5級(jí)；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(duì)傳動(dòng)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(jìn)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(jìn)行保溫，使鋼球熱透，再將鋼球一粒粒倒入淬火池內(nèi)進(jìn)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(jìn)行低溫回火后再在20(T230°C下進(jìn)行保溫240-270分鐘；所述二次回火溫度150 160度，時(shí)間在120-150分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機(jī)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(gè)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(fā)，出現(xiàn)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(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)上述大型海上風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jí)，表面粗糙度≤0.8μm，鋼球壓碎負(fù)荷和壓縮比大于國(guó)標(biāo)的1.2倍。利用原材料的甄選、球坯成型時(shí)采用熱擠壓連續(xù)成型、熱處理中采用水溶性淬火劑進(jìn)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(wú)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(qiáng)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(diǎn)。
文檔編號(hào)C21D1/60GK102865301SQ20121034200
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者王嶸, 周勇, 蘇銀建, 趙高明, 馬林, 李薛俊, 盧國(guó)杰 申請(qǐng)人:江蘇力星通用鋼球股份有限公司