高強度風(fēng)電螺栓用鋼的材料選擇與性能研究

李詩斌，冷永磊，尹修剛，張 川，姜彩艷，韓常海

隨著國家“十四五”的規(guī)劃及低碳能源的發(fā)展趨勢，風(fēng)能、核能等時髦新興能源的逐步創(chuàng)新與優(yōu)化，風(fēng)電塔由逐漸由陸地轉(zhuǎn)向海洋等領(lǐng)域，努力實行碳中和等指標，對制造各類螺栓緊固件材料提出了更高的要求。風(fēng)電螺栓用鋼要求大規(guī)格、高強度、高低溫沖擊性能的同時，同時對成本也提出更嚴苛的需求。

目前高強度螺栓采購標準主要為國標的3098 標準，歐標的898 標準。我國風(fēng)電緊固件的基礎(chǔ)要求必須滿足3098 標準，目前很多國內(nèi)廠家主要用鋼有：優(yōu)碳鋼、CrMo 系、CrB 系、Cr 系、CrNiMo 系等。本文以10.9 級螺栓用鋼的材料選擇及控制的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)為研究對象，通過Mo、Ni 等元素合金化、熱軋態(tài)及熱處理態(tài)組織、優(yōu)化熱處理等方面實現(xiàn)了保證高強度的前提下具有良好的低溫性能。

1 風(fēng)電用與鋼結(jié)構(gòu)用緊固件的區(qū)別

風(fēng)電用高強緊固件的制造工藝，從技術(shù)角度涉及多科學(xué)，從生產(chǎn)的角度涉及到多道工序，從管理的角度涉及到多部門、多環(huán)節(jié)，從措施的角度涉及到生產(chǎn)成本。從技術(shù)的角度對鋼結(jié)構(gòu)用與風(fēng)電用緊固件進行區(qū)分可以更好的對緊固件的標準引用、 制造工藝、 材料性能和熱處理方式等進行闡述。

1.1 采用標準的差異

國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域采用的高強度緊固件標準通常有 9 個標準，而風(fēng)力發(fā)電機組上使用的高強度緊固件國內(nèi)目前常用的標準也是9 個，此外還有一些來圖定制的非標緊固件、葉片螺栓、T 型螺母和莫氏墊圈等。

1.2 引用標準的差異

1.2.1 引用 GB/T3098.1-2000 標準的差異

GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能螺栓、 螺釘和螺柱》 中對各個等級的緊固件都有具體的數(shù)據(jù)要求鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓和風(fēng)電高強度螺栓都選用 10.9 級強度標準，但是具體力學(xué)性能卻有差異。

鋼結(jié)構(gòu)和風(fēng)電用高強度螺栓在服役過程中除要求有足夠的強度和塑性外， 還要求有足夠的韌度。韌度的評價往往采用沖擊吸收功KA 值來表征。在 GB/T3098.1-2000 標準中，對沖擊功提出了一定的指標。10.9 級高強度螺栓沖擊功為KUA ≥20J。鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓的沖擊功是采用2mm 的U 型缺口試件在常溫下進行；而風(fēng)電用高強度螺栓的沖擊功是采用 V 型缺口試件在-40℃低溫檢測。因而，前者沖擊功為KU2A ≥47J，后者沖擊功為KVA (-40℃) ≥27J。

風(fēng)電用高強度緊固件廣泛采用含碳量為 0.25%～0.55%的中碳鋼和中碳合金鋼，這兩種鋼在常溫下有很好的沖擊韌度，但當(dāng)使用溫度低于某一溫度時，其沖擊韌度下降，端口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，斷裂機制由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇汀＿@是由于體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金中，溫度的變化改變了位錯在晶體中運動的摩擦阻力。通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進行斷口分析，可以揭示材料的夾渣、偏析、白點、裂紋以及非金屬夾雜物超標等原材料缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等溫鍛、熱處理等加工缺陷；在低溫條件下評定風(fēng)電用高強度螺栓緊固件的韌脆轉(zhuǎn)變特性，使緊固件不再冷脆狀態(tài)下工作，保證安全服役。由于環(huán)境氣候的影響，對我國寒冷地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備，測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40℃， 是從沖擊韌度角度選用高輕度緊固件的重要依據(jù)之一。

1.2.2 其他標準引用的差異

鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓、螺母，表面缺陷分別按GB/T5779.1、GB/T5779.2 的規(guī)定執(zhí)行；風(fēng)電用高強度螺栓、螺母，表面缺陷除滿足上述2 個標準外，針對螺栓還有表面探傷的相關(guān)要求，通常引用的標準有 JB/T4730.3-2005 和 JB/T4730.4-2005。

1.2.3 其他尺寸及形位公差引用時的差異

鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓、螺母、墊圈的其他尺寸及形位公差應(yīng)符合GB/T3103.1-2002 和GB/T3103.3-2000 的 C 級規(guī)定；而風(fēng)電用緊固件引用上述2 個標準的B 級規(guī)定。由于風(fēng)電用高強度緊固件通常采用達克羅表面處理，故還需要滿足 GB/T5267.2-2002的相關(guān)要求。

1.3 材料選用的差異

1.3.1 材料選用的區(qū)別

一般情況下鋼結(jié)構(gòu)螺栓材料的選用為：φ ≤M24 的產(chǎn)品，材料選用20MnTiB 鋼，M27、M30 螺栓選用35VB 鋼。 而風(fēng)電用高強度螺栓的材料一般選用 42CrMo、B7、42CrNiMo 鋼，少量產(chǎn)品也是用20MnTiB、30CrMoSi、35VB 鋼。

一般情況下鋼結(jié)構(gòu)螺栓螺母選用 45、35 鋼，而風(fēng)電用螺母除使用上述材料外，還可以指定使用35CrMo 鋼。

1.3.2 鋼材牌號的差異

20MnTiB、35VB、45、35 鋼是傳統(tǒng)標準推薦的鋼材牌號；而35CrMo、42CrMo、42CrNiMo、30CrMoSi 是 GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》 中的牌號，B7 鋼則是美國《ASTM 技術(shù)規(guī)范高低溫、高壓用栓接材料緊固件》標準中的牌號，值得注意的是我國多年來自主開發(fā)且應(yīng)用比較成熟的 35VB 鋼卻一直沒有列入國家材料的標準。高強度螺栓經(jīng)過調(diào)制處理，合金元素對力學(xué)性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調(diào)制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應(yīng)嚴格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調(diào)制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學(xué)成分有關(guān)，也受試樣大小、加熱溫度、冷卻介質(zhì)、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于￠25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結(jié)構(gòu)緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為￠ 25mm；而風(fēng)電用高強度螺栓直徑均大于￠30mm，則必須選用 42CrMo、B7和 42CrNiMo 鋼，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學(xué)成分相當(dāng)于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為￠ 42mm； 42CrNiMo鋼的油淬臨界直徑為￠45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火， 以保證淬硬層深度。

2 生產(chǎn)工藝與研究

2.1 現(xiàn)狀分析

依據(jù)客戶要求生產(chǎn)出的42CrMoA 圓鋼，化學(xué)成分見表1。在標準熱處理工藝（10.9 級螺栓：850℃淬火+560℃回火）條件下，圓鋼的原始組織帶狀較高為2.5 級～3.0 級，采用GB3098 標準加工標準試樣（拉伸區(qū)直徑為3/8D，沖擊試樣為皮下2mm，缺口V 口，-40℃）屈服強度和沖擊吸收能量不能同時滿足標準的下限要求見表2，組織為回火索氏體2 級～3 級，見圖1。

圖1 回火索氏體+少量貝氏體1 級

表1 化學(xué)成分%

表2 力學(xué)性能

2.2 試驗方案

高強度螺栓經(jīng)過調(diào)制處理，合金元素對力學(xué)性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調(diào)制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應(yīng)嚴格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調(diào)制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學(xué)成分有關(guān)，而且也受試樣大小、加熱工藝、熱軋態(tài)帶狀、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于φ25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結(jié)構(gòu)緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為φ25mm；而風(fēng)電用高強度螺栓直徑均大于φ30mm，則必須選用42CrMo、B7 和42CrNiMo 甚至更高級別鋼材，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學(xué)成分相當(dāng)于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為φ42mm；42CrNiMo 鋼的油淬臨界直徑為φ45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火，以保證淬硬層深度。

綜合判斷，42CrMo 系列滿足10.9 級螺栓性能的最經(jīng)濟的鋼種。

2.2.1 化學(xué)成分配比優(yōu)化

化學(xué)成分是決定鋼材疲勞極限的首要因素。碳是影響疲勞極限的主要元素，它既能間隙固溶強化基體，又可形成彌散強化，提高鋼材的形變抗力，阻止疲勞裂紋的萌生和提高疲勞極限。合金元素在鋼種的作用，主要是通過提高鋼的淬透性和細化晶粒改善鋼的強韌性來提高壽命。合格的化學(xué)成分是保證中碳鋼和中碳合金鋼鐓鍛性能和熱處理后力學(xué)性能的基礎(chǔ)，對于大于φ30mm 的風(fēng)電用高強度螺栓，淬火后整個截面保證90%以上獲得馬氏體組織；既要保證淬透性，又要達到一定的淬硬層深度，因此鋼材的化學(xué)成分應(yīng)達到標準的中上限。且強化C、Cr、Mn、Mo 等平均含量應(yīng)高于標準要求的中限，同時，Ni 含量的加入可以更有效地提升鋼材的整體性能。Ni 仿佛一條杠桿上的平衡軸加碼，直接解決風(fēng)電螺栓的強度與韌性不能同時達到的標準的問題。

經(jīng)多次試驗，尋找最優(yōu)成分見表3。

表3 優(yōu)化合金成分

2.2.2 軋制工藝優(yōu)化

熱軋后的圓鋼棒材組織是棒材熱處理后的根本，組織是否均勻、是否平衡是風(fēng)電螺栓用鋼力學(xué)性能是否達標的基礎(chǔ)，帶狀是重點指標。在不能調(diào)整軋制過程溫度的前提下，優(yōu)化圓鋼加熱爐內(nèi)的工藝成為了唯一方案。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)提高加熱溫度、開軋溫度至一定值后，可顯著降低帶狀級別，帶狀≤2.0 級。注意，溫度并不是越高越好，應(yīng)避免出現(xiàn)鋼中魏氏組織甚至過燒。

2.2.3 淬火設(shè)備優(yōu)化

傳統(tǒng)工業(yè)熱處理試驗采用電箱爐加熱，經(jīng)淬火槽淬火，回火槽冷卻。但淬火介質(zhì)不同，淬火設(shè)備不同，達到的效果不同。承德建龍手工改良淬火槽設(shè)備，將原有的水槽制作成孔洞較大，更輕便的水槽，經(jīng)手動搖擺，保證試樣在淬火介質(zhì)中不動，隨著介質(zhì)的流動，使試樣充分打破淬火時試樣表面的介質(zhì)保護膜，保證淬火效果，詳見圖2、圖3。

圖2 改良前

圖3 改良后

2.2.4 熱處理方式優(yōu)化

設(shè)計5 種熱處理工藝，原材料采用現(xiàn)有生產(chǎn)的最大φ64 規(guī)格具體的熱處理工藝見表4，淬火采用箱式爐加熱，改進后的淬火槽淬火，水淬，回火在普通回火槽中進行。

表4 不同熱處理方案

（1）拉伸試驗結(jié)果。隨著回火溫度的升高，抗拉強度呈降低趨勢，伸長率在540℃～560℃時保持不變，560℃～580℃時呈逐漸升高趨勢。當(dāng)回火溫度為540℃時，材料的抗拉強度達到1145Mpa，伸長率達到15%，當(dāng)回火溫度達到580℃時材料的抗拉強度為1060Mpa，伸長率達到17%，即處在560℃時，強度與斷后伸長率均在最優(yōu)情況。

（2）低溫沖擊試驗結(jié)果。室溫與-40℃的低溫沖擊功隨回火溫度的升高呈增長趨勢，當(dāng)回火溫度升高至560℃時，-40℃低溫沖擊功分別達到70J 以上。

（3）微觀組織。微觀組織均為均勻的回火索氏體組織1級～2 級。

3 結(jié)論

通過Ni 元素的微合金化，確定最優(yōu)的元素配比，改良淬火工藝后，性能完全滿足客戶的使用要求。工件既能滿足力學(xué)性能要求，又相對的節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。