高品质轴承钢需求及质量控制

,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,1,*,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,1,*,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE,USTB,1,*,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,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,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。,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。,a.,高铁轴承,我国高速铁路迅猛发展，,2007-2010,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。,SKF,中国铁路业务部副总经理黄志竟然坦言：,“轴承在整个车的配置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化配套,。,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。,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。,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。,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。,高铁发展,-,运行时速在,200,公里以上的铁路,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”,“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,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；,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,。,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。,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,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,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%,。,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,。,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,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,。,我国,2000,年,2010,年风机装机容量发展趋势,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,2010,年全球风电累计装机容量,2010,年全球风电新增装机容量,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。,图片来源于全球风能协会,2010,年各国风电装机统计,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。,风电偏航轴承,风电变浆轴承,装配示意图,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,。,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,1310,4,h,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