緊固件用10.9級(jí)32CrB4調(diào)質(zhì)圓鋼的開(kāi)發(fā)

關(guān)鍵詞：緊固件用鋼；熱軋棒材；熱處理工藝；低溫沖擊；32CrB4鋼

0 引言

在國(guó)家持續(xù)推薦雙碳戰(zhàn)略的大背景下，清潔能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷提升，截止2023年底，我國(guó)光伏和風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)到10.5億k W，按照目前在建項(xiàng)目及進(jìn)度完成情況，預(yù)計(jì)到2024年年底，我國(guó)將提前6年完成雙碳戰(zhàn)略中風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘磕繕?biāo)—12億k W。在裝機(jī)總量不斷提升的同時(shí)，風(fēng)電單機(jī)容量也在不斷提升，陸上和海上風(fēng)電單機(jī)容量已分別提升至11 MW和20 MW，按平均單臺(tái)風(fēng)機(jī)15～25 t的緊固件用鋼使用量估算，國(guó)內(nèi)風(fēng)電緊固件用鋼的年需求量已達(dá)到百萬(wàn)噸級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。

在大尺寸緊固件用鋼產(chǎn)品研究方面，孫富采用35VB鋼，試制了M36規(guī)格的10.9級(jí)螺栓，各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果表明完全滿足要求，且不會(huì)發(fā)生延遲斷裂，低溫沖擊不低于35Cr Mo、42Cr Mo等鋼種，適用于風(fēng)電機(jī)組的安裝。李帥軍通過(guò)合理優(yōu)化加熱制度和開(kāi)軋溫度，控制終軋溫度到950℃以下，采用Al、Ti復(fù)合細(xì)化晶粒生產(chǎn)?27 mm規(guī)格緊固件用B7鋼，取得了較好的各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果。王兆英等通過(guò)成分優(yōu)化、冶煉工藝以及熱處理工藝的合理制定，獲得了直徑?200 mm、滿足包括300℃高溫拉伸在內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)要求的高強(qiáng)韌SA-540鋼。

伴隨著風(fēng)力發(fā)電蓬勃發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)電緊固件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨白熱化，亟需找到作為Cr Mo和Cr Ni Mo類鋼種的高性價(jià)比替代產(chǎn)品，采用低合金化成分設(shè)計(jì)，在降低全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)、采購(gòu)、使用成本的同時(shí)，滿足風(fēng)電緊固件對(duì)鋼材性能的要求成為一條可行之路。來(lái)源于歐標(biāo)EN 10263-4-2017的牌號(hào)32Cr B4隨著歐洲風(fēng)電項(xiàng)目被引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，此鋼種對(duì)熱處理工藝具有較高敏感性，在強(qiáng)度等級(jí)滿足10.9級(jí)螺栓性能要求情況下，-40℃低溫沖擊KV2滿足≥27 J技術(shù)要求穩(wěn)定性較差，針對(duì)此鋼種開(kāi)展試制及相關(guān)的熱處理工藝研究，對(duì)緊固件企業(yè)的生產(chǎn)使用具有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)于降低緊固件行業(yè)M40以下規(guī)格的材料成本，更好地參與國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目對(duì)低溫沖擊韌性緊固件提出的屈服強(qiáng)度≥1040 MPa、-40℃沖擊功≥27 J性能要求，鋼種的化學(xué)成分采用低碳多元合金化設(shè)計(jì)，并添加適量的Al、Ti、B微量元素來(lái)細(xì)化晶粒和淬透性，以滿足力學(xué)性能要求，在冶煉過(guò)程中嚴(yán)格控制鋼中有害元素P、S含量，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 冶煉和軋制工藝

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)?38.8 mm規(guī)格的32Cr B4熱軋棒材，其生產(chǎn)工藝流程為：120 t轉(zhuǎn)爐→LF精煉→RH脫氣→連鑄240 mm×240 mm方坯→步進(jìn)式加熱爐加熱→高壓水除鱗→650機(jī)組軋制→冷床收集→精整。

轉(zhuǎn)爐粗煉鐵水廢鋼總裝入量120 t，鐵水熱裝比≥80%，裝入量要求穩(wěn)定，前后爐偏差≤3 t，風(fēng)電緊固件用鋼部分材料要求與風(fēng)機(jī)整機(jī)使用同壽命周期，因此，對(duì)純凈度要求較高，需要鋼材基體中氧含量及夾雜物等級(jí)都比較低，因此，轉(zhuǎn)爐出鋼之后的精煉過(guò)程中的低氧操作非常重要。通過(guò)采用深脫氧精煉工藝及精選流動(dòng)性好的高堿度精煉渣系，使精煉過(guò)程中強(qiáng)化脫氧，擴(kuò)散脫氧快速、充分進(jìn)行，鋼水中的溶解w[O]快速下降到3.0×10-6以下，達(dá)到鋼水精煉低氧操作目的。為了防止鋼水二次氧化，澆注環(huán)節(jié)采用全封閉氬氣保護(hù)裝置，經(jīng)多爐次鋼種澆注檢驗(yàn)鋼水增w[N]≤10×10-6，有效防止鋼水二次氧化。真空脫氣階段，在真空度≤100 Pa的情況下保持時(shí)間不低于30 min，滿足鋼水對(duì)于N、H、O等氣體含量的控制要求。連鑄采用六機(jī)六流弧形連鑄機(jī)生產(chǎn)240 mm×240 mm方坯，連鑄生產(chǎn)過(guò)程鋼包長(zhǎng)水口+中間包覆蓋+浸入式水口全保護(hù)澆注。鋼水精煉低氧操作與全封閉氬氣保護(hù)澆注技術(shù)相結(jié)合，形成一套完整的全流程控氧技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，w[T.O]穩(wěn)定控制在10×10-6以下，夾雜物等級(jí)穩(wěn)定控制細(xì)系1.0級(jí)以下，粗細(xì)0.5級(jí)以下。王利軍等研究發(fā)現(xiàn)，與球化退火狀態(tài)SCM435鋼相比，組織為貝氏體+鐵素體+珠光體的熱軋態(tài)鋼，經(jīng)相同調(diào)質(zhì)處理后，具有更高的硬度和低溫沖擊吸收能量。軋制工藝對(duì)風(fēng)電緊固件用鋼的力學(xué)性能有著顯著影響，與低溫軋制相比，高溫軋制導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，軋態(tài)組織均勻性差，經(jīng)相同調(diào)質(zhì)工藝熱處理后，鋼的低溫沖擊性能偏低，沖擊吸收能量波動(dòng)大。制定軋制工藝如下：鋼坯最高加熱溫度1200～1220℃，采用兩階段低溫軋制工藝，粗軋階段的單道次壓下率設(shè)定為8%～12%，精軋階段的開(kāi)軋溫度≤1100℃，終軋溫度≥800℃，軋制結(jié)束后快速冷卻，入冷床溫度≤750℃。

1.3 熱處理工藝試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)成分計(jì)算Ac3相變點(diǎn)，進(jìn)而確定熱處理工藝，正火溫度860℃，正火保溫2 h，正火后冷卻到室溫再進(jìn)行調(diào)質(zhì)。為了確定最佳的調(diào)質(zhì)工藝，設(shè)計(jì)了880、850、820℃等3個(gè)不同的淬火溫度，淬火保溫時(shí)間45 min，設(shè)計(jì)了490、500、510℃等3個(gè)不同的回火溫度，回火保溫時(shí)間75 min。

正火熱處理爐型號(hào)及工藝溫度為JY1017箱式電阻爐RX3-45-12，500～1 180℃。奧氏體化熱處理爐型號(hào)為JY1024箱式電阻爐SX2-10-12，工藝溫度為720～980℃。淬火設(shè)備為升降淬火自冷卻小車，型號(hào)CH-198/1，冷卻介質(zhì)水或油?；鼗馃崽幚頎t型號(hào)為JY1007箱式電阻爐SX2-4-10，工藝溫度為200～780℃。具體熱處理試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

熱處理試驗(yàn)結(jié)果方案見(jiàn)表3，從每組對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果看，除第二組外，其他9組試驗(yàn)結(jié)果油冷抗拉強(qiáng)度均比水冷高，同時(shí)-40℃低溫沖擊油冷均低于水冷的平均值，觀察比較有代表性的21、22試樣的金相組織，如圖1所示，采用油冷工藝存在明顯的大尺寸貝氏體組織，龔雪婷等研究淬火冷卻方式對(duì)20Cr1Mo1VTi B高溫螺栓鋼低溫沖擊韌性的影響表明，淬火冷卻速度由水冷降至油冷，導(dǎo)致的低溫沖擊韌性惡化主要由三個(gè)因素引起，分別為貝氏體板條寬化、大角度晶界比例下降、粒狀貝氏體組織中M/A分解析出連續(xù)分布的M3C碳化物。M3C碳化物連續(xù)分布，為裂紋擴(kuò)展提供了低能通道，是導(dǎo)致低溫沖擊韌性快速下降的主要原因。

在相同的淬火溫度和冷卻條件下，隨著回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度明顯降低但低溫沖擊韌性并沒(méi)有顯著改善。在回火條件一致的情況下，隨著淬火溫度的降低，低溫沖擊功明顯上升，說(shuō)明32Cr B4鋼對(duì)淬火溫度敏感，過(guò)高的奧氏體化溫度會(huì)顯著降低調(diào)質(zhì)處理后的低溫沖擊韌性。取有代表性的21、41、51試樣觀察金相組織，880℃淬火+500℃回火后的21試樣原馬氏體組織取向清晰但組織明顯粗大，綜合力學(xué)性能最好的51試樣，從晶界看晶粒更細(xì)小，碳化物均勻彌散分布，如圖2所示。

2.2 淬火溫度對(duì)晶粒度的影響

按照880、850、820℃的奧氏體化溫度，奧氏體化保溫時(shí)間1 h檢測(cè)晶粒度，結(jié)果分別為8～5級(jí)、8～7級(jí)和8級(jí)，晶粒度檢測(cè)結(jié)果表明，隨著奧氏體化溫度的升高，整體晶粒尺寸沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的粗化現(xiàn)象，但存在局部個(gè)別晶粒尺寸的長(zhǎng)大，尺寸從20 μm到100 μm，晶粒度的局部粗化可能是沖擊韌性降低的重要原因。當(dāng)鋼材成分和初始晶粒度一定時(shí)，其奧氏體晶粒度的大小與奧氏體化溫度和保溫時(shí)間有關(guān)，本研究中奧氏體化保溫時(shí)間一致，出現(xiàn)局部晶粒粗大的主要原因在于奧氏體化溫度的差異，沒(méi)有出現(xiàn)整體的晶粒粗化，與奧氏體化溫度相對(duì)于奧氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)偏離較小有關(guān)，這也是緊固件生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中需要注意的地方。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)冶煉過(guò)程控制殘余w[P]≤0.015%、w[S]≤0.010%，低氧操作穩(wěn)定控制w[T.O]＜10×10-6，采用兩階段低溫軋制且單道次壓下率控制為8%～12%，成功開(kāi)發(fā)出滿足ISO898-1標(biāo)準(zhǔn)的10.9級(jí)緊固件用32Cr B4鋼，對(duì)于傳統(tǒng)M40規(guī)格以下緊固件用合結(jié)鋼可以起到替代作用。

（2）熱處理工藝試驗(yàn)研究表明，32Cr B4鋼對(duì)淬火溫度和冷卻介質(zhì)敏感，過(guò)高的淬火溫度和緩慢的淬火冷卻速度，對(duì)材料的強(qiáng)韌性匹配有顯著影響，含硼鋼晶粒尺寸隨淬火溫度升高而局部粗化是造成低溫沖擊韌性下降的重要原因，在研究范圍內(nèi)，采用820℃淬火水冷+510℃回火空冷可以取得最優(yōu)的力學(xué)性能，-40℃低溫沖擊功平均值可以達(dá)到53 J。

本文摘自《特殊鋼》2024年第6期