提高Q355鋼樁頂法蘭強(qiáng)韌性能的有效措施

王繼業(yè) 秦紅付 李 雪 李春輝 胡振志 金 明

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471003)

法蘭作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的關(guān)鍵連接件，其服役條件惡劣，長期承受交變載荷，受力較為復(fù)雜，因此，對產(chǎn)品的綜合性能要求嚴(yán)格[1]。隨著海上風(fēng)電裝機(jī)向大功率發(fā)展，法蘭的規(guī)格尺寸也越來越大，樁頂法蘭尺寸≥7000 mm，厚度≥350 mm，要求低碳低合金Q355鋼滿足ReL≥315 MPa和KV2(-50℃)≥50 J，制造工藝需要采取有效的控制措施，以滿足批量生產(chǎn)法蘭鍛件的各項理化檢驗指標(biāo)。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

樁頂法蘭材料牌號Q355NEZ35，Q355指屈服強(qiáng)度，N為正火要求，E為材料級別要求(S≤0.005%)，Z35指縱向斷面收縮率≥35%，化學(xué)成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》或EN10025-3:2004標(biāo)準(zhǔn)S355NL要求，見表1，其中Nb、V、Ti、Al作為細(xì)化晶粒的強(qiáng)化元素選擇添加。另外，在保證力學(xué)性能各項指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)降低碳當(dāng)量，以保證材料焊接性能。

表1 Q355NEZ35鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of Q355NEZ35 steel(mass fraction,%)

1.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

樁頂法蘭尺寸規(guī)格大，外徑≥?7000 mm，壁厚≥350 mm，法蘭取樣位置見圖1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2，ReL和-50℃KV2是兩個關(guān)鍵的驗收指標(biāo)。鍛件晶粒度≥6級，帶狀組織≤2級；A、B、C、D類夾雜物粗系≤1級，細(xì)系≤2級，DS粗系≤1級。超聲檢測應(yīng)滿足NB/T 471013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級要求，單個缺陷當(dāng)量≤?4 mm，密集缺陷當(dāng)量≤?2 mm；磁粉檢測要求精加工表面不允許存在線性缺陷顯示。

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

圖1 取樣圖Figure 1 Sampling diagram

2 制造工藝分析

常規(guī)海上風(fēng)電塔筒連接法蘭尺寸、重量小，可采取連鑄坯鋸切下料，樁頂法蘭尺寸大、重量大，目前連鑄坯直徑尺寸不能滿足樁頂法蘭鍛件下料要求，必須采用鋼錠鍛造，鋼錠冶煉經(jīng)真空脫氣處理，采取真空澆注或惰性氣體保護(hù)澆注工藝，鋼錠切除水冒口、下料→加熱→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔制坯→加熱→軋環(huán)機(jī)軋制成形至法蘭鍛件，鍛件經(jīng)正火或正火(回火)處理，粗加工取樣進(jìn)行力學(xué)性能等各項理化檢測，精加工后進(jìn)行超聲檢測和磁粉檢測。

2.1 熱處理工藝

鍛件鍛后采取正火工藝細(xì)化晶粒和組織，達(dá)到力學(xué)性能各項指標(biāo)要求[2]。針對Q355NEZ35鋼大截面尺寸法蘭，常規(guī)的正火空冷方案難以保證強(qiáng)度和低溫沖擊指標(biāo)要求，需要采取正火加速冷(噴水、浸水等強(qiáng)制冷卻)的方法，以獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體組織，提高強(qiáng)度和低溫韌性指標(biāo)。參考Q345冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖(見圖2)制定正火工藝參數(shù)(見圖3)，Ac3完全奧氏體化溫度應(yīng)≥880℃，珠光體鼻尖溫度約500℃。

圖2 Q345冷卻曲線Figure 2 Q345 cooling curve

圖3 正火工藝曲線Figure 3 Normalizing process curve

2.2 成分的微合金化

Q355NEZ35鋼樁頂法蘭的綜合力學(xué)性能取決于材料的化學(xué)成分。C含量的增加能夠提高強(qiáng)度，但使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，導(dǎo)致韌性下降，應(yīng)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能降低C含量。Mn的作用是固溶強(qiáng)化，提高淬透性，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度。Ni能夠改善鋼的缺口韌性，提高強(qiáng)度和淬透性。Cr可以顯著提高強(qiáng)度和硬度，但對韌性指標(biāo)不利。Mo作為殘余元素，應(yīng)降低含量。Al能夠細(xì)化晶粒，降低冷脆傾向和時效傾向性，提高沖擊韌性，但形成的氧化鋁類夾雜物在熱加工時呈串排列或點鏈狀出現(xiàn)，并且由于流動能力不同，其與鋼基體界面結(jié)合能力差，易形成微裂紋，導(dǎo)致超聲檢測不合格。Nb、V具有細(xì)化晶粒和強(qiáng)化沉淀的作用，并且能夠提高鋼的強(qiáng)韌性，合理控制鈮釩微合金元素非常關(guān)鍵[3-7]。

3 工藝效果

GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》和EN 10025-3:2004要求Nb、V、Ti、Al作為細(xì)化晶粒的強(qiáng)化元素，單獨或組合添加，并給出了最小含量要求，成分制定在滿足性能要求的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮材料成本，盡可能減少合金加入量，同時要考慮合金的多元化添加產(chǎn)生的不利影響，表3給出的一組成分，按標(biāo)準(zhǔn)添加Nb、V、Ti、Al全部強(qiáng)化元素，實際檢測效果并不理想，屈服強(qiáng)度達(dá)不到要求，-50℃低溫沖擊吸收能量甚至低于10 J，而且超聲檢測夾雜物當(dāng)量超標(biāo)。本文設(shè)計了兩種工藝成分，分兩個批次組織生產(chǎn)，分別為A、B批次，每個批次5件產(chǎn)品，具體化學(xué)成分見表4。

表3 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition(mass fraction,%)

表4 兩批次生產(chǎn)化學(xué)成分對照(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Comparison of chemical composition of two batches of production(mass fraction,%)

兩批次生產(chǎn)都選擇添加微量Nb元素細(xì)化晶粒，Nb的成品分析為0.015%～0.03%，A批次提高了Al和V含量；B批次提高了Ni和Cr含量。兩批次法蘭的S、P含量控制得都很低，Cu、Mo、Ti作為殘余元素，不做分析。

圖4是A、B批次法蘭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度實測結(jié)果。由圖可知，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，B批次整體屈服強(qiáng)度偏高，這對法蘭使用是有利的。兩個批次化學(xué)成分的C、Si、Mn元素含量調(diào)控基本一致，且C、Si、Mn元素都有利于強(qiáng)度的提高。A、B批次產(chǎn)品在-50℃低溫下的沖擊吸收能量如圖5所示，檢測結(jié)果均已達(dá)標(biāo)。其中，B批次化學(xué)成分Ni元素為0.17%～0.21%，Ni的添加降低了鋼的低溫脆化轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的疲勞抗力，減小鋼對缺口的敏感性。在Ni、Nb元素的綜合作用下，使B批次的低溫沖擊吸收能量比A批次更加穩(wěn)定。

圖4 兩批次強(qiáng)度值對比Figure 4 Comparison of strength values of two batches

圖5 兩批次沖擊吸收吸收能量對比Figure 5 Comparison of impact absorbed energyvalues of two batches

為了比較A、B批次法蘭的綜合性能，計算各個性能參數(shù)的平均值見表5，B批次的平均綜合性能高于A批次，屈服強(qiáng)度平均值達(dá)到376.6 MPa，抗拉強(qiáng)度535 MPa，縱向沖擊吸收能量達(dá)到215.7 J，其數(shù)值是A批次的1.26倍，橫向沖擊吸收能量也高出20 J，為180.1 J。金相檢驗分析B批次法蘭帶狀組織優(yōu)于A批次，B批次法蘭的晶粒度平均等級也優(yōu)于A批次，達(dá)到8.5級以上，見表6。產(chǎn)品顯微組織如圖6所示，組織狀態(tài)為鐵素體+珠光體。

表5 A、B批次力學(xué)性能結(jié)果平均值比較Table 5 Comparison of average valuesof mechanical properties of batches A and B

表6 A、B批次金相及夾雜物平均值比較Table 6 Comparison of the average valueof metallographic structure and inclusionsin batches A and B

圖6 顯微組織圖Figure 6 Microstructures

4 結(jié)論

采取成分微合金化控制技術(shù)和合理的熱處理工藝措施，提高了Q355鋼大截面尺寸樁頂法蘭鍛件強(qiáng)度和韌性指標(biāo)。兩種成分微合金化法蘭鍛件的檢測對比分析得出，Ni、Cr、Nb元素調(diào)控相對Al、V、Nb元素能獲取更優(yōu)異的使用性能指標(biāo)。屈服強(qiáng)度平均值達(dá)到376.6 MPa，抗拉強(qiáng)度535 MPa，縱向沖擊吸收能達(dá)到215.7 J，橫向沖擊吸收能180.1 J，晶粒度平均等級達(dá)到8.5級以上。