10.9 級風電緊固件用鋼的開發(fā)

陳 穎，李英奎

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210000）

目前石油等不可再生能源日益枯竭，風能作為一種綠色能源，具有無污染、發(fā)電成本低、風力發(fā)電場建設(shè)工期短等優(yōu)點，風力發(fā)電在建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會的大環(huán)境下得到長足發(fā)展。我國有豐富的風能資源，大力發(fā)展風力發(fā)電無疑是必然趨勢。受國家政策影響，2019 年和2020 年國內(nèi)新增裝機容量將急劇增長，中國陸上、海上風電將迎來3 年的“搶裝潮”，預(yù)計到2021 年風電用鋼量高達34.7 萬噸[1]。

風電機組由于安裝的自然條件惡劣，交通又不方便，風區(qū)一般在山間、河谷、海灘安裝和維修相對困難，所以對風電緊固件的使用壽命、機械性能、低溫沖擊等要求也越來越高[2]。隨著風電機組的高性能化和材料應(yīng)用應(yīng)力提高，主機尺寸減小，減速箱的輕量化，對螺栓提出了更高的設(shè)計應(yīng)力和減重的要求，而最有效的措施是提高螺栓用鋼的使用強度[3]。目前，風電高強度螺栓大部分選用10.9 級強度。

影響風電緊固件材料的性能最主要的因素包括材料本身的成分、組織、碳偏析及用戶的熱處理條件等因素[4]。為保證風電緊固件能夠被淬透從而得到較高的強度，要求鋼材應(yīng)具有較高的淬透性，在鋼中添加適量的Cr、Mn、Mo、Ni、B 等合金元素可明顯提高鋼的淬透性和強度[5]，通常選用42CrMo、B7 等鋼種制作風電螺栓。

目前多數(shù)風電緊固件企業(yè)采用42CrMo類中碳鉻鉬合金結(jié)構(gòu)鋼制造風電螺栓。但是制作10.9 級風電緊固后淬透性波動較大，容易出現(xiàn)熱處理后斷面收縮率不合格（Z ＜48%）的問題和低溫沖擊功值低，只能采用二次熱處理來挽救，還可能因此整批報廢，鋼廠和用戶的損失均比較大，因此研發(fā)一種性能穩(wěn)定的10.9級風電緊固件用鋼問題勢在必行。

1 10.9級風電緊固件用鋼的技術(shù)要求

（1）10.9 風電緊固件通常選用42CrMo 類材料，化學成分要求見表1。

表1 熔煉成分 wt%

（2）力學性能：10.9 級風電緊固件的力學性能要求見表2。

表2 力學性能要求

2 10.9級風電緊固件用鋼的研發(fā)

2.1 技術(shù)措施

（1）進行成分設(shè)計，研究淬透性的大小對風電螺栓熱處理后斷面收縮率的影響。

（2）研究不同比水量與鑄坯、軋材低倍的關(guān)系，改善軋材低倍對面縮率的影響；

（3）用戶熱處理工藝研究，提高調(diào)質(zhì)后的整體拉面縮率。

2.2 工藝流程

BoF 冶煉→LF 精煉→RH 真空脫氣→連鑄坯連鑄→連鑄坯緩冷→鑄坯檢驗→鑄坯驗收→加熱→軋制→矯直→拋丸→聯(lián)合探傷→表面質(zhì)量和尺寸檢查、檢驗→包裝→標識→稱重→入庫。

3 10.9級風電緊固件研究過程與分析

3.1 化學成分設(shè)計

針對某螺栓廠的熱處理設(shè)備和熱處理工藝，設(shè)計符合該廠熱處理工藝的化學成分。不同化學成分的圓鋼熱處理后性能對比。設(shè)計5 組化學成分軋制后進行熱處理檢測，規(guī)格均為φ65，檢測結(jié)果如下：

表3 5 組熔煉成分wt%

表4 不同成分對應(yīng)的產(chǎn)品淬透性和力學性能

Cr、Mn、Mo 三個元素對淬透性影響比較明顯，淬透性高的圓鋼，調(diào)質(zhì)后在同一強度范圍內(nèi)，淬透性高的圓鋼面縮率較高。

3.2 不同冷卻方式對面縮率的影響

在相同條件下進行熱處理和試驗，相同規(guī)格和相同成分的鋼，比水量不同，研究產(chǎn)品的致密度對力學性能的影響。低倍檢測結(jié)果如下，見圖1。

圖1 不同冷卻方式的鑄坯低倍和軋材低倍

對軋材低倍按GB/T 226 和GB/T 19795 進行評級，見5。

表5 低倍評級

不同比水量的圓鋼調(diào)質(zhì)熱處理后的力學性能，性能見表6。

表6 不同比水量的力學性能

增加連鑄比水量，圓鋼的低倍致密度相比提高，制作風電緊固件調(diào)質(zhì)處理后，面縮率可以提高約5%。

3.3 用戶熱處理工藝影響

對用戶的熱處理工藝進行對比研究，得出以下事實，見表7。

表7 不同熱處理工藝對面縮率的影響

通過研究用戶的熱處理工藝，同一鋼種，同一熱處理溫度，采用不同的冷卻攪拌方式，從表7中可以看出，冷卻攪拌能力強，心部馬氏體轉(zhuǎn)變量多，心部硬度較高，說明材料淬透性好，面縮率合格率高。

4 討論與結(jié)果

4.1 合金元素對淬透性的影響

Mn：鋼中的Mn 主要作為脫氧劑加入，而且Mn 能與鋼中的有害元素S 形成穩(wěn)定的MnS，從而減輕S 的有害作用；Mn 在鋼中發(fā)揮顯著的固溶強化和晶粒細化的作用，能使鋼的強度和韌性顯著提高，它還間接地起到提高珠光體鋼強度的作用，錳穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的能力僅次于鎳，并且還強烈地提高了鋼的淬透性。

Mo：鉬提高鋼的淬透性和熱強性。在某些介質(zhì)中防止回火脆性，提高剩磁和矯頑力以及耐腐蝕性。在淬火和回火鋼中，鉬可以加深和硬化較大截面的部分，提高鋼的回火抗力或回火穩(wěn)定性，使零件在較高溫度下回火，從而更有效地（或減少）殘余應(yīng)力，提高塑性。

Cr：能提高可淬性，改善耐磨性，提高耐腐蝕能力，并有利于高溫下保持強度。

Si：保證鋼件的強度，適當?shù)暮靠梢愿纳其摷苄院晚g性。

Ni：能提高鋼的強度和韌性，提高鋼的淬透性。

所以，在合金元素中適當增加Cr、Mo、Ni、Mn 等元素有利于提高材料的淬透性，從而提高調(diào)質(zhì)處理后的拉伸斷面收縮率。

4.2 圓鋼致密度對熱處理后面縮率的影響

優(yōu)化連鑄冷卻工藝，改善軋材組織，軋材低倍比較致密的材料，整體拉面縮率可以提高5%左右。

4.3 熱處理工藝和熱處理設(shè)備影響

通過用戶熱處理工藝研究和用戶熱處理設(shè)備改進，提高熱處理后整體拉面縮率的合格率，面縮率值可以提高5%左右。

5 結(jié)論

通過一系列的成分設(shè)計試驗、連鑄冷卻對比試驗、用戶的熱處理工藝改進，成功的開發(fā)了10.9 級風電緊固件用鋼，性能均滿足了國標、歐標、美標的要求，高端風電緊固件產(chǎn)品進軍了國際市場，解決了高強度風電緊固件容易出現(xiàn)熱處理后面縮率不合格的技術(shù)難題。