大功率风电主轴承用GCr15SiMn2轴承钢Φ800 mm锻材试制.pdf

第 44 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.44.No.5October 2023特殊钢SPECIAL STEEL大功率风电主轴承用GCr15SiMn2轴承钢800 mm锻材试制陶士君，肖爱平，李旭，余雷，田浩，刘月云，罗文锦（大冶特殊钢有限公司技术中心，黄石 435001）摘 要：大冶特钢通过70 t电弧炉LFRH精炼20 t模铸钢锭锻造的工艺试制出直径800 mm高碳铬轴承钢GCr15SiMn2大规格锻材，产品用于制作 5 MW 及以上大功率风电机组主轴承。采用控制钢中残余元素 w Ti 0.001 6%、高碱度渣精炼 CaO（48%55%）-SiO2（3%8%）-Al2O3（30%40%）-MgO（4%6%），碱度R6、RH真空处理、保护浇注、合理的浇注工艺（浇注温度和速度）及两镦两拔锻造（综合锻造比4）等措施，钢材的低倍组织级别 1.0 级，钢中 B 细、D 细、DS 类夹杂物均不大于 1.0 级，碳化物带状级别 CZ7.5 级，钢的淬透性 J45 mm 达到61.0HRC，各项性能均满足标准要求。关键词：GCr15SiMn2 模铸锻材；大功率风电主轴承；高碳铬轴承钢；模铸；镦拔工艺DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00015 中图分类号：TF03+3；TG156.2Development of 800 mm Forging Bar for GCr15SiMn2 Bearing Steel Applied for High-power Wind Main BearingsTao Shijun，Xiao Aiping，Li Xu，Yu Lei，Tian Hao，Liu Yueyun，Luo Wenjing（Technology center，Daye Special Steel Co.，Ltd.，Huangshi 435001，China）Abstract：Daye Special Steel trial-produced 800 mm diameter high carbon chromium bearing steel GCr15SiMn2 large specification forging material through the process of 70 t electric arc furnaceLFRH refining20 t die casting ingotforging，the products are used to make 5 MW high power wind turbine main bearings.By means such as controlling the residual elements w Ti 0.001 6%、high basicity slag refining CaO（48%-55%）-SiO2（3%-8%）-Al2O3（30%-40%）-MgO（4%-6%），basicity R6，RH vacuum treatment，protective casting，reasonable pouring process（pouring temperature and speed），two times upsetting and stretching process（comprehensive forging ratio 4）and other measures，it can meet the microstructure level of steel 1.0 class，the rating of inclusions for B fine，D fine and DS in steel were 0.5-1.0 class，carbide banding level CZ7.5，the hardenability J45 mm reach 61.0HRC，all performance meet the standard requirements.Key Words：GCr15SiMn2 Die Casting and Forging；High-power Wind Main Bearings；High Carbon Chromium Bearing Steel；Casting Ingot；Upsetting and Stretching Process近年来，在绿色低碳主旋律的驱动下，国内风电行业发展迅猛，风电机组功率和容量不断增大1。轴承作为风电设备的核心零部件，长期在复杂交变载荷的作用下运行，使用环境恶劣，维修和拆装成本高，因此，要求轴承具有较长的寿命（通常要求20年），使用过程中安全可靠，设备运行稳定，进而对轴承材料的强度、冲击韧性、接触疲劳寿命等性能要求十分严格2。目前随着风电由陆地向海上发展，单座装机容量在 5 MW 以上，主轴承外径达到 3 m以上，由于要求高，大功率风电主轴承用轴承钢主要从国外进口3。为了替代进口，大冶特钢通过试制大功率风电主轴承用GCr15SiMn2高碳铬轴承钢800 mm模铸锻材，经过相关的过程工艺控制，使高碳铬轴承钢GCr15SiMn2 的质量满足 5 MW 及以上大功率风电机组主轴承的技术要求。1工艺流程试 制 的 高 碳 铬 轴 承 钢 GCr15SiMn2 最 大 直径 800 mm锻材的工艺流程为：原料（废钢+热铁水）70 t 高功率电弧炉初炼LF 精炼RH 真空脱气模铸 20 t 钢锭红送钢锭加热60 MN快锻锻造锻棒热装软化退 产品研发 作者简介：陶士君（1973），男，本科，工程师；E-mail:；收稿日期：2023-02-1439第 44 卷 特殊钢火精整、探伤、取样检验入库。2关键工艺过程控制2.1关键控制点和难点（1）有害残余元素Pb、Sn、As、Sb的控制；（2）高洁净度（重点是B细、D细、DS）的控制；（3）制造800 mm大尺寸锻材，钢锭尺寸和形状的选择，以及浇注工艺的控制；（4）镦拔锻造及热处理工艺。2.2电弧炉冶炼工艺钢中残余元素Pb、Sn、As、Sb均为有害元素，其熔点低，在热加工过程中易形成表面缺陷，在轴承使用过程中易引起表面软点而导致硬度不匀。钛元素与氮有极强的亲和力，在钢中易形成硬度高、呈棱角状、不变形的氮化钛和碳氮化钛夹杂物4，这种夹杂物在交变应力的作用下易形成应力集中产生裂纹，因此，提高轴承的疲劳寿命须在生产高洁净度的风电轴承钢时对残余钛元素进行严格控制，减少形成氮化钛的可能性5。GCr15SiMn2钢属高Si、高Mn、高Cr钢，作为大功率风电机组主轴承用钢，要求低残余元素、低Ti、低O含量，其中Ti含量是冶炼过程中控制的难点，主要因为调整 Si、Mn、Cr成分时，合金会带入 Ti元素，由于Si、Mn元素的脱氧作用，钢中O含量很低，Ti易还原进入钢水中而增高。目前电弧炉冶炼工艺：选用优质废钢加上60%以上的热铁水配料，控制钢中Ti、Pb、Sn、As、Sb等有害残余元素；电弧炉前期初炼时，采用泡沫渣冶炼和留钢流渣操作，加强脱磷脱钛，终点 wC0.20%、w P 0.008%、w Ti 0.000 4%；电弧炉出钢温度1 640，采用EBT偏心炉底100%档渣出钢，炉中留钢量控制在8%12%；出钢时随钢流依次加入合金、铝块，加入渣料100 kg，选用各种低钛合金来控制钢中的钛含量。试制 3 炉钢终点 w C 为0.50%0.80%，w P 为 0.005%0.008%，w Ti 为0.000 1%0.000 4%，出钢温度为1 6501 680。2.3精炼工艺轴承钢中主要以Ti类及Ca类夹杂物为主，要满足高洁净度的要求，必须降低钢中Ti、Ca含量，B类夹杂物（氧化物夹杂）随氧含量降低而减少6，因此，精炼过程的主要任务是降低氧含量，降低夹杂物数量和减小夹杂物尺寸，同时降低钢中 H2和 N2气体含量。入精炼炉前扒净钢液面上的渣，喂Al线，并加入精炼渣和石灰造新渣。钢包到精炼工位后，全程通氩气，进行升温、微调成分，采用SiC粉和Al粒多批次渣面脱氧，当 w S 0.005%、LF 精炼时间60 min后，渣白，将钢包转至RH炉真空处理。在真空度67 Pa以下保持时间2535 min，真空精炼完成后对钢水定氢取样，w H 0.000 1%，真空后软吹 3050 min，当温度1 4901 500 时吊包浇注。终了精炼渣系的组成 CaO（48%55%）-SiO2（3%8%）-Al2O3（30%40%）-MgO（4%6%），碱度 R（CaO/SiO2）6。钢中的 w S 0.005%。试制 3炉钢精炼时间6580 min。钢水经过RH真空处理可有效地去除钢中的气体和夹杂物，软吹操作进一步使夹杂物充分上浮，软吹时间要大于20 min7，试制的3炉钢实际软吹时间3035 min。2.4模铸工艺高碳铬轴承钢易形成严重的碳偏析，钢中硅含量升高会加剧碳的偏析，截面越大，偏析越严重8。当浇注工艺不合理，将产生严重的宏观点状偏析，浇注过热度过高或过低对偏析均不利。在浇注温度一定的条件下，浇注速度过慢，将导致整个凝固过程中补缩效果不理想9，由于碳化物偏析，在钢锭热成型过程易产生显微孔隙或内裂纹，因此，浇注工艺的合理性至关重要。试制800 mm大规格锻材，关键要选用合适的钢锭尺寸和形状，以满足锻造变形要求以及成品锻材低倍组织和探伤质量要求，因此，选用 20 t钢锭（上口1 240 mm，下口1 100 mm，高度1 900 mm）。通过试制摸索出最佳浇注温度和注速，每炉浇注两盘，每盘两支20 t钢锭，浇注过程全程采用氩气保 护，防 止 钢 水 二 次 氧 化，吊 包 温 度 1 4901 500，控制过热度 4050，浇注时间：锭身 600800 s，冒口300400 s，浇注完的钢锭凝固10 h后及时脱模红送到锻造厂。2.5镦拔锻造及热处理工艺对大钢锭生产高碳铬轴承钢，由于碳化物偏析严重，故改善碳化物带状组织的分布尤显重要。锻造比是表示变形程度的大小，锻造比的增大可以促进内部孔隙焊合、铸态树枝晶破碎。当锻造比超过一定数值后，由于形成纤维组织，横向力学性能急剧下降，导致锻件出现各向异性。因此，制订锻造规程应综合考虑选择合适的锻造比10。由于钢材在一定时间内脱氢量与直径的平方40第 5 期陶士君等：大功率风电主轴承用GCr15SiMn2轴承钢800 mm锻材试制成反比，因此，大规格钢材存在排氢困难，易出现白点缺陷，锻后钢材内部也因存在残余组织未完全转变而存在组织应力。通过锻后退火，有助于氢扩散析出，避免白点缺陷产生，同时消除组织应力，降低硬度，为锯切下料提供条件。钢锭加热时，控制均热时间以确保在 1 230 左右钢锭温度均匀并进行碳化物均匀化处理，在800 的低温塑性区控制升温速度，防止钢锭内部应力过大造成开裂11。3 炉钢锭实际加热至1 2001 240 高温扩散 3036 h后钢锭拔钳把，先镦再拔长，回炉复温至1 1801 220，第二次镦拔成800 mm大规格钢材，综合锻造比4。锻后红送软化退火。钢材软化退火采用两段式等温退火工艺，让氢充分从钢棒中扩散析出并消除组织应力，在780800 温度下等温4045 h，缓冷至660700 等温4050 h，冷至150 以下出炉空冷。3试制结果与分析GCr15SiMn2钢的熔炼化学成分（质量分数）见表1，从表1中可看出，钢中残余元素Ti、As、Sn、Pb、Sb控制均较低，其中 w Ti 0.001 6%，符合内控要求 范 围。钢 中 wH0.000 1%，钢 材 wO为0.000 44%0.000 6%。随着风电机组的功率增大，主轴承的壁厚相应增加，需提高钢的淬硬层深度，同时为保证钢具有良好的抗冲击能力，对钢中Ni、Mo和Cu进行了控制。GCr15SiMn2钢非金属夹杂物按ISO 4967：2013（E）标准A法检测，3炉钢B细、D细、DS夹杂物级别均不大于 1.0 级，检测结果见表 2，满足标准要求。GCr15SiMn2钢的碳化物带状组织按SEP1520：1998标准检测，晶粒度检验按 ISO 643：2019（E）标准检测，检测结果见表 2，碳化物带状达到 CZ6.0 级和CZ7.5级，碳化物带状组织如图1所示，晶粒度达到9级，如图2所示，满足标准要求。GCr15SiMn2 钢 800 mm 锻材的低倍组织按ASTM E381-20标准检测，并按评级图中系列图谱S（次表面缺陷）、R（任意分布缺陷）、C（中心偏析）评级，其检测结果见表3。从低倍组织看，钢锭经锻造两次镦拔后，3炉钢材头和尾的S、R、C均为1.0级，无宏观偏析，满足标准要求。表1GCr15SiMn2钢的化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of GCr15SiMn2 steel%炉号用户要求控制要求2076942M2077095M2077235MC0.951.050.950.970.960.960.95Si0.500.750.650.750.680.720.66Mn1.401.701.601.651.641.641.64P0.0150.0120.0090.0100.010S0.0150.0050.0020.0030.003Cr1.401.651.581.631.601.611.62Ni0.250.200.100.100.11Mo0.100.080.040.030.04Cu0.250.200.070.100.07Al0.050.0120.0400.0240.0250.025As0.0400.0200.0080.0140.007Sn0.02000.01000.00350.00420.0042Sb0.01500.01000.00050.00080.0006Pb0.00200.00150.00090.00130.0012Ti0.00300.00250.00150.00160.0016Ca0.00100.00050.00030.00020.0002O0.00070.00060.000480.000440.00052H0.000200.000150.000080.000070.00009表2GCr15SiMn2钢非金属夹杂物、碳化物带状和晶粒度级别Table 2Rating of inclusions，Carbide banding and Grain size of GCr15SiMn2 steel级 炉号标准2076942M2077095M2077235M非金属夹杂物级别A（细）2.51.01.01.0A（粗）1.51.00.50.5B（细）1.50.51.00.5B（粗）0.50.50.50C（细）0000C（粗）0000D（细）1.01.00.50.5D（粗）1.00.50.50DS1.50.51.00.5碳化物带状CZ66.36.06.06.0CZ77.57.57.47.5晶粒度8999图1GCr15SiMn2钢的碳化物带状组织，100倍Fig.1Carbide strip structure of GCr15SiMn2 steel，10041第 44 卷 特殊钢GCr15SiMn2 钢的末端淬透性按 ISO 642：1999（E）标准试验检测，淬火温度（8155），末端硬度值见表4，其中45 mm达到61.0HRC，完全满足标准要求。4结论（1）通过降低 GCr15SiMn2钢中残余元素的措施，w Ti 0.001 6%，选用精炼渣碱度（R6）和 RH真空脱气后软吹氩搅拌，可降低非金属夹杂物的级别并减小尺寸，钢中 w H 0.000 1%，w O 最低达到0.000 44%，确保钢中B细、D细、DS类非金属夹杂物均1.0级，其洁净度较高。（2）经过合理的浇注工艺、高温均匀化扩散处理和综合锻造比4，可获得良好的低倍组织和碳化物带状组织，通过合理的软化退火工艺可避免裂纹缺陷的产生，其低倍组织按系列图谱S、R、C评级均不大于1.0级，碳化物带状组织不大于CZ7.5级，晶粒度达到9级，淬透性J45达到61HRC。（3）采用“电弧炉LF 精炼RH 真空脱气模铸镦拔锻造”的流程试制直径 800 mm 高碳铬轴承钢 GCr15SiMn2 锻材，其表面和内部质量均良好，能满足大功率风电机组主轴承的标准要求。参考文献1 谭忠富，鞠立伟.中国风电发展综述：历史、现状、趋势及政策 J.华北电力大学学报：社会科学出版，2013，4（2）：1-7.2 曹文全，俞峰，王存宇，等.高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向 J.特殊钢，2021，42（1）：1-10.3 曲楠楠，我国风电轴承发展现状及展望 J.哈尔滨轴承，2022，43（3）：39-43.4 虞明全，王治政，徐明华，等.超纯轴承钢的精炼工艺 J.钢铁，2006.41（9）：26-29.5 田新中，刘润藻，周春芳，等.轴承钢中TiN夹杂物的控制研究J.北京科技大学学报，2009，31（1）：150-153.6 汪质刚，肖爱平，潘明旭，等.高品质大规格GCr18Mo轴承钢的试制 J.特殊钢，2008，42（3）：55-56.7 黄永建，刘 才，李会林.石钢 GCr15SiMn轴承钢的开发 J.特殊钢，2009，30（4）：55-56.8 俞峰，陈兴品，杜松林，等，圆坯连铸GCr15SiMn的成分偏析和接触疲劳寿命研究 J.特殊钢，2022，43（6）：13-20.9 牛立群，袁旗，王续明，等，锭模斜度及浇注工艺对钢锭质量影响的数值模拟研究 J.大型铸锻件，2016（5）：3-6.10 吕炎.锻造工艺学 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