一种高力学性能风力发电机轴用钢及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种高力学性能风力发电机轴用钢及其制备工艺。

背景技术

风力发电机轴是风电传动过程中的重要部件，由于性能要求对钢冲击韧性、应力集敏感性、抗拉强度、抗蠕变性等质量要求越来越高。冶炼CrMoA合金钢中硫、磷等杂质元素，存在非金属夹杂物和高度富集的有害元素形成偏析，杂质元素沿晶界析出而导致材料脆化，存在回火脆化倾向，断口上沿晶断口比例较高，抗拉强度较高而抗氢蚀能力和断裂韧性下降，难以满足风力发电机的恶劣工况和长寿命高可靠性的使用要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种高力学性能风力发电机轴用钢及其制备工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高力学性能风力发电机轴用钢，其组成成分按质量百分数计为：C：0.22～0.29％，Mn：0.55～0.85％，Si：0.15～0.35％，Cr：0.65～1％，Ni：2.7～3.2％，Mo：0.21～0.55％，V：0.12～0.18％，S≤0.015％，P≤0.015％，Cu≤0.13％，Al≤0.015％，N：0.008-0.016％，Ti≤0.003％，O≤0.0015％，B≤0.003％，As≤0.04％，Sn≤0.02％，Pb≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述高力学性能风力发电机轴用钢，优选地，组成成分中Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％。

上述高力学性能风力发电机轴用钢，优选地，钢性能：屈服强度为990～1095MPa，抗拉强度为1185-1300MPa，断裂伸长率≥13％，常温冲击功≥100J，组织中心偏析≤1.5级。

上述高力学性能风力发电机轴用钢的组成成分设计依据为：

(1)C含量的确定：随着C含量的增加，屈服点和抗拉强度升高，提高淬透性、硬度、耐磨性，但C含量再高对硬度影响不大，反而容易产生大块碳化物液析、塑性、韧性、耐候性下降，淬火后会得到粗大的马氏体组织，导致脆性增大，本发明C含量的范围确定为0.22～0.29％；

(2)Mn含量的确定：在钢中能溶入铁素体强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量而提高强度和硬度，提高钢的淬透性，但Mn含量再高会增加脆性影响表面质量，增加材料的回火脆性，同时造成成分偏析，本发明Mn含量的范围确定为0.55～0.85％；

(3)Si含量的确定：Si是炼钢过程中不可缺少的脱氧剂，在钢中能溶入铁素体，固溶强化，提高屈服点和抗拉强度，但Si含量再高会降低钢的韧性，本发明Si含量的范围确定为0.15～0.35％。

(4)Cr含量的确定：Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，部分形成多种碳化物，起弥散强化作用，又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，与Mo减缓钢表面和内部的甲烷反应。提高抗氢蚀性能，但Cr含量再高会降低塑性和韧性，成本和生产难度增加，本发明Cr含量的范围确定为0.65～1％；

(5)Ni含量的确定：在钢中强化铁素体并细化珠光体，Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，对钢的淬透性也有一定的提高作用，但Ni再高不能提高铁素体的蠕变抗力，相反会使珠光体体钢热脆性增大，本发明Ni含量的范围确定为2.7～3.2％；

(6)Mo含量的确定：Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，抑制钢由于淬火而引起的脆性，与磷等杂质元素有强的相互作用，可使在晶内产生沉淀相并阻碍磷的晶界偏聚，但Mo再高易脱碳，热加工和热处理温度范围均窄，本发明Mo含量的范围确定为0.21～0.55％；

(7)V含量的确定：V是钢的优良脱氧剂，在高温熔入奥氏体时可增加钢的淬透性，细化组织晶粒，提高强度和韧性，增加合金延展性和抗断裂能力，钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力，但V再高会增大平均自由程，降低抗弯和强度，本发明V含量的范围确定为0.12～0.18％，Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％，强度较高且具有良好的综合性能；

(8)S、P含量的确定：S会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性；P熔于铁素体易形成偏析、夹杂等缺陷，增加回火脆性；Cu，本发明S含量的范围确定为≤0.015％，P含量的范围确定为≤0.015％；

(9)Cu含量的确定：Cu能提高强度和韧性，但Cu再高在热加工时容易产生热脆，本发明Cu含量的范围确定为≤0.20％；

(10)Al、N、Ti含量的确定：Al与N结合形成的AlN、可有效地防止奥氏体晶粒粗化，但Al含量再高易形成Al

(11)O、B、As、Sn、Pb含量的确定：O在钢中主要以Al

上述高力学性能风力发电机轴用钢的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：

S1：钢水冶炼：将炼钢原料经铁水预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法电炉或转炉冶炼得到钢水，铁水预处理KR脱硫的脱硫剂采用CaO和萤石，控制S≤0.005％，控制出钢终点碳含量为0.14～0.22％，终点磷含量≤0.014％，出钢温度控制在1620℃～1730℃，挡渣出钢且出钢过程加Al脱氧，从源头上减少了夹杂物的数量，避免夹杂物成为疲劳裂纹源而降低轴的疲劳寿命，得到钢水；

S2：LF精炼：将步骤S1的钢水采用Al+SiC联合脱氧后VD真空脱气处理，极限真空度≤68Pa，保压时间不小于20min，保证造渣及脱氧去除夹杂物，采用FeSiMn合金进行成分调整，FeSiMn的组成成分按质量百分数计为Si：14～17％，Mn：60-70％，AL≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，软吹氩时间≥40min，使非金属夹杂物充分上浮，利于提高钢的纯净性和轴的使用寿命，得到符合成分要求的精炼钢水；

S3：连铸：将步骤S2的精炼钢水连铸，控制过热度为20-30℃，低过热度浇注控制偏析，钢水浇铸温度为1510-1630℃，末端电磁搅拌提高铸坯截面成分均匀性，降低材料的偏析，减小中心疏松和裂纹缺陷，改善材料组织，得到矩形连铸坯；

S4：连轧：采用大压下轧制工艺加工步骤S3的矩形连铸坯，包括依次进行的加热、高压水除鳞、6道次粗轧、8道次中轧、6道次预精轧、4道次精轧工序；加热工序中预热段温度为500-850℃，加热段温度为990-1180℃，均热段温度为1050～1120℃，总加热时间控制在10～20h，有效地控制细化晶粒及均匀性，防止产生显微孔隙，高压水除鳞工序中水压≥22MPa，除去钢坯表面氧化铁皮确保产品表面质量，开轧温度为950～1000℃，精轧阶段累计变形量≥22％，预精轧前温度为820-945℃，终轧温度790℃～860℃，中轧、精轧前后均采用水冷机组控冷，在奥氏体未再结晶区和低温两相区累积变形轧制控制碳化物网状，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，外形尺寸精度达到φ15～φ32尺寸精度≤±0.1mm，φ32～φ60尺寸精度≤±0.15mm，得到棒材；

S5：控冷：将步骤S4的棒材在倍尺冷床中进行缓冷，冷却速度为冷却速度1-2℃/S，下冷床温度为450-520℃，下冷线后进缓冷罩堆缓冷48-72h，防止冷速过快，防止形成脆性贝氏体和马氏体组织，保证碳在奥氏体中的溶解度，奥氏体晶粒度达到7级以上，得到棒材；

S6：热处理：采用淬火回火工序加工步骤S5的棒材，淬火温度890-915℃，在炉时间系数2～2.8min/mm，淬火后冷却介质为水，冷却速率20～30℃/s，用于提高钢的硬度和强度；回火温度520-690℃，在炉时间系数2.5～4.0min/mm，在200℃以下空冷，用于消除淬火时产生的内应力，避免碳化物析出粗化颗粒、合金沿晶界析出连续或不连续的网状脆性，改善沿晶断裂，得到符合综合力学性能的钢材。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用组成成分和工艺设计，提高屈服点和抗拉强度同时保证钢的淬透性，预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法钢水冶炼，LF精炼控制成分，避免夹杂物成为疲劳裂纹源而降低轴的疲劳寿命，低过热度浇注降低材料偏析，减小中心疏松和裂纹缺陷，大压下轧制和缓冷控冷工艺有效地控制细化晶粒及均匀性，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，淬火回火提高钢的硬度和强度改善沿晶断裂，钢性能：屈服强度为990～1095MPa，抗拉强度为1185-1300MPa，断裂伸长率≥13％，常温冲击功≥100J，组织中心偏析≤1.5级，在保证抗拉强度的同时保持优良的抗氢蚀能力和断裂韧性，钢冲击韧性、应力集敏感性、抗拉强度、抗蠕变性满足风力发电机的恶劣工况和长寿命高可靠性的使用要求。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

为本发明所述高力学性能风力发电机轴用钢的一种较佳实施方式，所述高力学性能风力发电机轴用钢的组成成分按质量百分数计为：C：0.28％，Mn：0.59％，Si：0.25％，Cr：0.8％，Ni：2.9％，Mo：0.32％，V：0.16％，S：0.005％，P：0.006％，Cu：0.1％，Al：0.012％，N：0.01％，Ti：0.002％，O：0.001％，B：0.001％，As：0.02％，Sn：0.01％，Pb：0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质，组成成分中Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％。

上述高力学性能风力发电机轴用钢的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：

S1：钢水冶炼：将炼钢原料经铁水预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法电炉或转炉冶炼得到钢水，铁水预处理KR脱硫的脱硫剂采用CaO和萤石，控制S≤0.005％，控制出钢终点碳含量为0.15～0.18％，终点磷含量≤0.014％，出钢温度控制在1650℃～1700℃，挡渣出钢且出钢过程加Al脱氧，得到钢水；

S2：LF精炼：将步骤S1的钢水采用Al+SiC联合脱氧后VD真空脱气处理，极限真空度≤68Pa，保压时间不小于20min，采用FeSiMn合金进行成分调整，FeSiMn的组成成分按质量百分数计为Si：16％，Mn：65％，AL≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，软吹氩时间≥40min，得到符合成分要求的精炼钢水；

S3：连铸：将步骤S2的精炼钢水连铸，控制过热度为20-25℃，钢水浇铸温度为1520-1610℃，末端电磁搅拌，得到矩形连铸坯；

S4：连轧：采用大压下轧制工艺加工步骤S3的矩形连铸坯，包括依次进行的加热、高压水除鳞、6道次粗轧、8道次中轧、6道次预精轧、4道次精轧工序；加热工序中预热段温度为650-750℃，加热段温度为990-1080℃，均热段温度为1050～1100℃，总加热时间控制在15～18h，高压水除鳞工序中水压≥22MPa，开轧温度为950～1000℃，精轧阶段累计变形量≥22％，预精轧前温度为850-920℃，终轧温度790℃～830℃，中轧、精轧前后均采用水冷机组控冷，在奥氏体未再结晶区和低温两相区累积变形轧制控制碳化物网状，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，外形尺寸精度达到φ30尺寸精度≤±0.1mm，得到棒材；

S5：控冷：将步骤S4的棒材在倍尺冷床中进行缓冷，冷却速度为冷却速度1-2℃/S，下冷床温度为450-500℃，下冷线后进缓冷罩堆缓冷48-68h，防止冷速过快，奥氏体晶粒度达到7级以上，得到棒材；

S6：热处理：采用淬火回火工序加工步骤S5的棒材，淬火温度990-915℃，在炉时间系数2～2.5min/mm，淬火后冷却介质为水，冷却速率25～30℃/s，回火温度550-630℃，在炉时间系数2.5～3.5min/mm，在200℃以下空冷，得到符合综合力学性能的钢材。

实施例2：

为本发明所述高力学性能风力发电机轴用钢的一种较佳实施方式，所述高力学性能风力发电机轴用钢的组成成分按质量百分数计为：C：0.27％，Mn：0.7％，Si：0.32％，Cr：1％，Ni：2.7％，Mo：0.22％，V：0.14％，S：0.008％，P：0.009％，Cu：0.1％，Al：0.008％，N：0.013％，Ti：0.002％，O：0.001％，B：0.002％，As：0.01％，Sn：0.02％，Pb：0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质，组成成分中Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％。

上述高力学性能风力发电机轴用钢的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：

S1：钢水冶炼：将炼钢原料经铁水预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法电炉或转炉冶炼得到钢水，铁水预处理KR脱硫的脱硫剂采用CaO和萤石，控制S≤0.005％，控制出钢终点碳含量为0.15～0.2％，终点磷含量≤0.014％，出钢温度控制在1620℃～1680℃，挡渣出钢且出钢过程加Al脱氧，得到钢水；

S2：LF精炼：将步骤S1的钢水采用Al+SiC联合脱氧后VD真空脱气处理，极限真空度≤68Pa，保压时间不小于20min，采用FeSiMn合金进行成分调整，FeSiMn的组成成分按质量百分数计为Si：16％，Mn：67％，AL≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，软吹氩时间≥40min，得到符合成分要求的精炼钢水；

S3：连铸：将步骤S2的精炼钢水连铸，控制过热度为25-30℃，钢水浇铸温度为1510-1580℃，末端电磁搅拌，得到矩形连铸坯；

S4：连轧：采用大压下轧制工艺加工步骤S3的矩形连铸坯，包括依次进行的加热、高压水除鳞、6道次粗轧、8道次中轧、6道次预精轧、4道次精轧工序；加热工序中预热段温度为730-850℃，加热段温度为995-1170℃，均热段温度为1070～1120℃，总加热时间控制在10～18h，高压水除鳞工序中水压≥22MPa，开轧温度为950～1000℃，精轧阶段累计变形量≥22％，预精轧前温度为830-930℃，终轧温度835℃～860℃，中轧、精轧前后均采用水冷机组控冷，在奥氏体未再结晶区和低温两相区累积变形轧制控制碳化物网状，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，外形尺寸精度达到φ30尺寸精度≤±0.1mm，得到棒材；

S5：控冷：将步骤S4的棒材在倍尺冷床中进行缓冷，冷却速度为冷却速度1-2℃/S，下冷床温度为450-515℃，下冷线后进缓冷罩堆缓冷58-72h，防止冷速过快，奥氏体晶粒度达到7级以上，得到棒材；

S6：热处理：采用淬火回火工序加工步骤S5的棒材，淬火温度895-915℃，在炉时间系数2～2.4min/mm，淬火后冷却介质为水，冷却速率25～30℃/s，回火温度540-680℃，在炉时间系数2.8～4.0min/mm，在200℃以下空冷，得到符合综合力学性能的钢材。

实施例3：

为本发明所述高力学性能风力发电机轴用钢的一种较佳实施方式，所述高力学性能风力发电机轴用钢的组成成分按质量百分数计为：C：0.25％，Mn：0.8％，Si：0.22％，Cr：0.9％，Ni：2.8％，Mo：0.3％，V：0.17％，S：0.006％，P：0.006％，Cu：0.13％，Al：0.012％，N：0.009％，Ti：0.002％，O：0.001％，B：0.002％，As：0.03％，Sn：0.008％，Pb：0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质，组成成分中Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％。

上述高力学性能风力发电机轴用钢的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：

S1：钢水冶炼：将炼钢原料经铁水预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法电炉或转炉冶炼得到钢水，铁水预处理KR脱硫的脱硫剂采用CaO和萤石，控制S≤0.005％，控制出钢终点碳含量为0.14～0.18％，终点磷含量≤0.014％，出钢温度控制在1620℃～1680℃，挡渣出钢且出钢过程加Al脱氧，得到钢水；

S2：LF精炼：将步骤S1的钢水采用Al+SiC联合脱氧后VD真空脱气处理，极限真空度≤68Pa，保压时间不小于20min，采用FeSiMn合金进行成分调整，FeSiMn的组成成分按质量百分数计为Si：17％，Mn：65％，AL≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，软吹氩时间≥40min，得到符合成分要求的精炼钢水；

S3：连铸：将步骤S2的精炼钢水连铸，控制过热度为20-30℃，钢水浇铸温度为1520-1610℃，末端电磁搅拌，得到矩形连铸坯；

S4：连轧：采用大压下轧制工艺加工步骤S3的矩形连铸坯，包括依次进行的加热、高压水除鳞、6道次粗轧、8道次中轧、6道次预精轧、4道次精轧工序；加热工序中预热段温度为500-750℃，加热段温度为990-1140℃，均热段温度为1050～1140℃，总加热时间控制在10～15h，高压水除鳞工序中水压≥22MPa，开轧温度为965～1000℃，精轧阶段累计变形量≥22％，预精轧前温度为820-925℃，终轧温度795℃～850℃，中轧、精轧前后均采用水冷机组控冷，在奥氏体未再结晶区和低温两相区累积变形轧制控制碳化物网状，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，外形尺寸精度达到φ30尺寸精度≤±0.1mm，得到棒材；

S5：控冷：将步骤S4的棒材在倍尺冷床中进行缓冷，冷却速度为冷却速度1-2℃/S，下冷床温度为465-520℃，下冷线后进缓冷罩堆缓冷58-70h，防止冷速过快，奥氏体晶粒度达到7级以上，得到棒材；

S6：热处理：采用淬火回火工序加工步骤S5的棒材，淬火温度890-905℃，在炉时间系数2～2.4min/mm，淬火后冷却介质为水，冷却速率20～28℃/s，回火温度520-680℃，在炉时间系数2.8～4.0min/mm，在200℃以下空冷，得到符合综合力学性能的钢材。

实施例4：

为本发明所述高力学性能风力发电机轴用钢的一种较佳实施方式，所述高力学性能风力发电机轴用钢的组成成分按质量百分数计为：C：0.22％，Mn：0.6％，Si：0.26％，Cr：0.7％，Ni：3.1％，Mo：0.4％，V：0.15％，S：0.009％，P：0.007％，Cu：0.05％，Al：0.008％，N：0.009％，Ti：0.002％，O：0.001％，B：0.002％，As：0.03％，Sn：0.01％，Pb：0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质，组成成分中Cr、Ni、Mo和V的质量百分数总和≤4.6％。

上述高力学性能风力发电机轴用钢的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：

S1：钢水冶炼：将炼钢原料经铁水预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法电炉或转炉冶炼得到钢水，铁水预处理KR脱硫的脱硫剂采用CaO和萤石，控制S≤0.005％，控制出钢终点碳含量为0.14～0.18％，终点磷含量≤0.014％，出钢温度控制在1650℃～1700℃，挡渣出钢且出钢过程加Al脱氧，得到钢水；

S2：LF精炼：将步骤S1的钢水采用Al+SiC联合脱氧后VD真空脱气处理，极限真空度≤68Pa，保压时间不小于20min，采用FeSiMn合金进行成分调整，FeSiMn的组成成分按质量百分数计为Si：15％，Mn：68％，AL≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，软吹氩时间≥40min，得到符合成分要求的精炼钢水；

S3：连铸：将步骤S2的精炼钢水连铸，控制过热度为20-30℃，钢水浇铸温度为1530-1630℃，末端电磁搅拌，得到矩形连铸坯；

S4：连轧：采用大压下轧制工艺加工步骤S3的矩形连铸坯，包括依次进行的加热、高压水除鳞、6道次粗轧、8道次中轧、6道次预精轧、4道次精轧工序；加热工序中预热段温度为700-850℃，加热段温度为990-1160℃，均热段温度为1060～1120℃，总加热时间控制在11～20h，高压水除鳞工序中水压≥22MPa，开轧温度为950～1000℃，精轧阶段累计变形量≥22％，预精轧前温度为825-925℃，终轧温度795℃～840℃，中轧、精轧前后均采用水冷机组控冷，在奥氏体未再结晶区和低温两相区累积变形轧制控制碳化物网状，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，外形尺寸精度达到φ30尺寸精度≤±0.1mm，得到棒材；

S5：控冷：将步骤S4的棒材在倍尺冷床中进行缓冷，冷却速度为冷却速度1-2℃/S，下冷床温度为460-510℃，下冷线后进缓冷罩堆缓冷60-72h，防止冷速过快，奥氏体晶粒度达到7级以上，得到棒材；

S6：热处理：采用淬火回火工序加工步骤S5的棒材，淬火温度895-905℃，在炉时间系数2～2.8min/mm，淬火后冷却介质为水，冷却速率20～30℃/s，回火温度570-690℃，在炉时间系数2.5～4.0min/mm，在200℃以下空冷，得到符合综合力学性能的钢材。

对比例1：CrMoA的组成成分按质量百分数计为：C：0.31％，Mn：0.9％，Si：0.12％，Cr：1.2％，Ni：0.34％，Mo：0.2％，S：0.035％，P：0.03％，Cu：0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例2：CrMoA的组成成分按质量百分数计为：C：0.39％，Mn：0.85％，Si：0.4％，Cr：1.1％，Ni：0.25％，Mo：0.15％，S：0.03％，P：0.035％，Cu：0.18％，余量为Fe及不可避免的杂质。

将实施例1-4与对比例1、2按照GB/T229金属夏比缺口实验方法，按照GB/T231金属布氏硬度试验方法、GB/T2039金属拉伸蠕变及持久试验方法、GB/T10561钢中非金属夹杂物显微评定方法、ASTMA370钢制品的机械性能试验方法和YB/5148金属平均晶粒度测定方法进行检测，结果如下：

由上表可知，钢性能：屈服强度为990～1095MPa，抗拉强度为1185-1300MPa，断裂伸长率≥13％，常温冲击功≥100J，组织中心偏析≤1.5级，D类脆性夹杂物更少，降低应力集中和钢的变形过程中与基体分离产生裂纹扩展，采用组成成分和工艺设计，提高屈服点和抗拉强度同时保证钢的淬透性，预处理KR脱硫、以氧气顶吹和双渣法钢水冶炼，LF精炼控制成分，避免夹杂物成为疲劳裂纹源而降低轴的疲劳寿命，低过热度浇注降低材料偏析，减小中心疏松和裂纹缺陷，大压下轧制和缓冷控冷工艺有效地控制细化晶粒及均匀性，保证细化晶粒及碳化物的弥散析出，淬火回火提高钢的硬度和强度改善沿晶断裂，在保证抗拉强度的同时保持优良的抗氢蚀能力和断裂韧性，钢冲击韧性、应力集敏感性、抗拉强度、抗蠕变性满足风力发电机的恶劣工况和长寿命高可靠性的使用要求。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。