高品质轴承钢需求及质量控制

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按照“十二五”规划纲要，我国将建设陆上和海上大型风电基地，新建装机7000万千 瓦以上。这意味着，在“十二五”期间，我国风电新增装机将保持平均每年不低于1400万千 瓦的速度增长。我国风电开发市场潜力极为可观。 风电产业的快速增长，为风电设备的发展提供了强有力的支撑。作为风电设备的关键 零部件之一的轴承，伴随着风电产业的快速增长，必然引来旺盛的市场需求。
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b.风电轴承的现状
在传统能源的相对匮乏、环境压力以及地缘政治的强烈不安全感，使得 各国在发展包括风电在内的可再生能源方面不遗余力。
1996年~2010年全球风电装机容量发展趋势图
GCr15SiMn和GCr15SiMo钢：
（1）提高钢的纯洁度、降低夹杂物含量、改善夹杂物的性质和形态以减轻其对钢的 危害 --由于Si、Mn等元素含量提高，更容易引起铸坯偏析，因此在冶炼中要采用有效
4、高品质轴承钢需求 及质量控制
北京科技大学、材料学院
刘雅政 2011.12
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目录
一、轴承钢现状及高品质轴承钢需求 二、轴承钢产品分类及标准 三、轴承钢质量控制关键技术
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来源于欧洲风能协会(EWEA) 《欧洲风能产业——未来主要发展方向和2010风能数据》
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按照我国能源发展战略，国家将大幅度提高风能、太阳能、生物质能等可再生能 源在整个能源消费中的比例。在这一战略的引导下，近年来我国风电产业发展很快。
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我国轴承行业规定的高铁轴承钢种为GCr15钢和GCr15SiMn钢；
对于壁厚大于12mm或外径≥250mm的轴承套圈及直径大于22mm的滚子，规定必须采 用GCr15SiMn钢，因为这一钢种淬透性好，表层和心部的硬度几乎相等，都可在HRC60 以上。 但是铁路机车上的使用经验表明，这样的硬度分布，对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴 承并不合适，内外套圈和滚子脆性大，冲击韧性低，容易发生裂损。 GCr15钢淬透性差，经适当热处理后，表层硬度可达HRC60-63，而心部较软，这样， 既能保证轴承有足够的疲劳寿命与磨损寿命，又具有承受冲击负荷的优良性能。 研究还表明，在相同的回火温度下，GCr15SiMn钢的残余奥氏体含量比GCr15钢高很 多。GCr15经淬火和普通回火后，残余奥氏体一般为百分之十几，而GCr15SiMn钢热处 理后的残余奥氏体高达百分之二十几。较高的残余奥氏体含量导致轴承尺寸的不稳 定，轴箱轴承常因此产生内孔直径的胀大，使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证， 从而出现透锈和弛缓现象。 采用G20CrNi2MoA渗碳轴承钢制造的轴承，除表面具有高的硬度、耐磨、高的疲 劳强度、良好的尺寸稳定性外，轴承内部还具有高的韧性，用于制造承受冲击较大 铁路机车有优势。
全球风力发电装机容量在2010年增 长约为40GW，总装机容量达到200GW 到2014年将再翻一倍达到400GW
来源于全球风能协会《2010年各国风电装机统计》
未来风电有着很大的发展空间。2010年，欧洲的风电市场发展创下新纪录：有308台海上 风力发电机安装，装机容量比2009年增加了51%。价值26亿英镑的五个风电场总装机容量为883兆瓦 (MW)，发电量可达2964MW。 欧洲计划到2020年实现可再生能源占总发电量的20%，其中风电占到12%。而现在全球风电 占总发电量的比例仅为1.19%。要实现12%的目标，还需要增长近10倍。每年新增风电装机容量将保 持在2000万kW以上。 欧洲风能协会在2011年3月15日在比利时首都布鲁塞尔发表公报表示，欧盟计划今后20年投 资4000亿欧元，以实施风电工业计划。2030年时风能发电将占电力生产的28.5%。
3.纯净度：氢的存在，易在钢中形成白点，这是产生裂纹的潜在根源；氮会增加钢的回火脆性；
氧化物硬度高，而难变形的氧化物等非金属夹杂物氧化铝、氧化铁等则是产生疲劳的起点。
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高铁发展
--运行时速在200公里以上的铁路
装配示意图
风电偏航轴承
风电变浆轴承
风电主轴轴承
风电增速器轴承
目前在全球风电市场占据统治地位，有瑞典SKF、德国FAG、美国TIMKEN和日本NSK等。
我国对风电轴承制造方面起步较晚，在研究开发深度和工程应用经验积累方面远不够。 目前国内风电轴承企业的产能主要集中在技术门槛相对较低的偏航轴承和变浆轴承上， 3MW以下风电设备配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4万 套以上。 主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处 于研制阶段。 开发主轴轴承和增速器轴承，顶替进口。
到2010年底，我国风电装机 容量为4473万千瓦，但不到可开 发风能总量的2‰。 预测2011年我国风电装机容 量有望达5500万千瓦。
2010年全球风电累计装机容量 2010年全球风电新增装机容量
图片来源于全球风能协会 《2010年各国风电装机统计》
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高铁轴承组织与性能特点
1.合理的硬度梯度分布：铁路机车上的使用经验表明，GCr15SiMn钢种淬透性好，表层和心部
的硬度几乎相等，都可在HRC60以上。这样的硬度分布，对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴承并不合 适，内外套圈和滚子脆性大，冲击韧性低，容易发生裂损； GCr15钢淬透性差，经适当热处理后，表层硬度可达HRC60-63，而心部较软，既能保证轴承有足 够的疲劳寿命与磨损寿命，又具有承受冲击负荷的优良性能。
2010年中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组 12904; 装机容量18927.99兆瓦，同比增长73.3%，占全球新增 装机容量46.1%。累计装机容量达44733.29兆瓦，占全球 累计装机容量的21.8% 超过美国（占全球累计装机容量20.7%），居世界第一位
数据来源于中国风能协会《2010年中国风电装机容量统计》 我国2000年~2010年风机装机容量发展趋势
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2010年1-9月
进出口量和价格相差悬殊，出口 中低端产品为主，进口高端产品。
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SKF中国铁路业务部副总经理黄志竟然坦言：“轴承在整个车的配臵中虽然只占很小 一块，但高铁这样的产品项目不容任何闪失。轴承最主要的在于可靠性，安全是第 一的。中国高铁轴承市场因国有产品不足，而给外资厂商留下了较大空间，足以持 续到2020年。” 严重制约了国内高速铁路客车产业的正常发展，影响了高速铁路客车轴承的国产Fra Baidu bibliotek 配套。 未来五年铁路轴承市场营销总额就可达近20亿元。开发高铁轴承填补空白、顶替 进口，刻不容缓。
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一、轴承钢现状及高品质轴承钢需求
1 轴承现状：高端轴承国内不能提供，依赖进口。
轴承是国家重大技术装备的关键零部件，目前轿车、高铁、风电、精密机床、大 型机械主轴配套轴承等重型装备用的高端轴承一直是中国轴承行业的软肋，长期 依靠进口。
a.高铁轴承—我国高速铁路迅猛发展，20072010年不到四年的功夫，运营里程达到了8358公里， 占世界高铁总里程超过30％；高铁时速继380公里 的高速列车下线之后，又开始研发时速500公里的 高速列车系统。 时速超过200公里的高速列车轴承全部进口，被 国外轴承企业垄断：瑞典SKF、德国FAG轴承、INA 轴承、日本NTN、NSK等公司。一个部件破损要整个 轮对进口。 2009年2月6日，日本NSK轴承公司与中国南车集团 合作，成功签下武广高铁30个编组的轴箱轴承订单； 2010年3月，瑞典SKF轴承宣布与中国铁道部在原来 4年合约的基础上再续约4年； 2010年10月，日本NTN轴承在中国境内最大的生产 基地落户南京，一期投资1亿美元，建设用于高速 铁路、地铁及风力发电所用轴承的生产基地。
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b.风电轴承的现状
风电轴承的关键技术主要有：
（1）设计与破损：经验类比设计为主，受力 分析与载荷谱的研究几近空白。难点技术是针 对主轴轴承的要求无故障运转达13×104h以上、 具95%以上可靠度；（齿轮箱故障中约80%左右 是由轴承失效所致）。 （2）防腐蚀与密封：偏航和变桨轴承部分裸 露在外；（3）偏航和变桨轴承的特殊游隙要 求：不定风力冲击载荷等，偏航轴承要求小游 隙；变桨轴承承受的冲击载荷更大，叶片传递 的振动也大，要求为零游隙或者稍负游隙，以 减小滚动工作面的微动磨损。 （4）偏航和变桨轴承滚道的磨削加工； （5）主轴轴承和变速器轴承的高精度加工： 其中最主要是所采用的调心滚子轴承； （6）变速器轴承用保持架的改进设计； （7）检测试验：检测试验包括摩擦力矩测量、 模拟试验机和试验规程等。
国内外风电轴承用钢
（1）偏航和变浆轴承：40CrMo钢；关键提 高低温冲击功等力学性能,环境温度-40～30℃，工作温度在-20℃左右； 热处理工艺：表面感应淬火的淬硬层深度、 表面硬度、软带宽度和表面裂纹（尤其是 齿根部位）的控制。 （2）增速器轴承和主轴轴承依靠进口：瑞 典SKF、德国FAG、美国TIMKEN和日本NSK等。 承受扭矩和转速波动大、负载易突变；安 装平台柔性变形等，与传统的重载工业齿 轮箱的应用环境相去甚远。部件失效造成 风力发电机停机，增速器失效所占20%左右。 齿轮磨损产生的微小金属颗粒在轴承工作 表面形成压痕，形成高的应力集中，成为 疲劳源，导致剥落，缩短轴承使用寿命。
2.残留奥氏体量控制：在相同的回火温度下，GCr15SiMn钢的残余奥氏体含量比GCr15钢高很多。
GCr15经淬火和回火后，残余奥氏体一般为百分之十几，GCr15SiMn钢热处理后的残余奥氏体高 达百分之二十几。较高的残余奥氏体含量导致轴承尺寸的不稳定，轴箱轴承常因此产生内孔直径 的胀大，使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证，从而出现透锈和弛缓现象。
2007年4月18日之前，中国还没有一条可以称为“高速”的铁路 2010年全国铁路营业里程达到了9.1万公里，高铁运营里程达到了8358公里， 占世界高铁总里程超过30％，稳居世界第一； 几年前，中国铁路还以100公里左右时速“匍匐前进” 现在，中国高铁最高运营试验时速达到486.1公里，堪称“陆地飞行” 根据《中长期铁路网规划（2008年调整）》 到2012年我国将建成42条高铁客运专线 总里程将超过1.3万公里 这对动车组将形成800列的新增需求； “十二五”期间，2011年全国铁路计划基 建投资7000亿元人民币 到2020年我国高速铁路里程将达1.8万公里 2010年10月26日，拥有自主知识产权的“和 谐号”CRH308A新一代高速列车动车组最高时 速达416.6公里，创下当时世界运营铁路运行 试验最高速度。但这一“陆上航班”所用轴 承我国均无法生产。
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我国机械行业标准规定：增速器轴承的套圈和滚动体
采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢GCr15SiMn和GCr15SiMo； 按《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》的规定进行热处理。