10.9 級風電緊固件用鋼的開發

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、發電成本低、風力發電場建設工期短等優點，風力發電在建設資源節約、環境友好型社會的大環境下得到長足發展。我國有豐富的風能資源，大力發展風力發電無疑是必然趨勢。受國家政策影響，2019 年和2020 年國內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用應力提高，主機尺寸減小，減速箱的輕量化，對螺栓提出了更高的設計應力和減重的要求，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。

目前多數風電緊固件企業采用42CrMo類中碳鉻鉬合金結構鋼制造風電螺栓。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，因此研發一種性能穩定的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

2.1 技術措施

（1）進行成分設計，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，提高調質后的整體拉面縮率。

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→聯合探傷→表面質量和尺寸檢查、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 化學成分設計

針對某螺栓廠的熱處理設備和熱處理工藝，設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。設計5 組化學成分軋制后進行熱處理檢測，規格均為φ65，檢測結果如下：

表3 5 組熔煉成分wt%

表4 不同成分對應的產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，調質后在同一強度范圍內，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，相同規格和相同成分的鋼，比水量不同，研究產品的致密度對力學性能的影響。低倍檢測結果如下，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質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，制作風電緊固件調質處理后，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 形成穩定的MnS，從而減輕S 的有害作用；Mn 在鋼中發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，錳穩定奧氏體結構的能力僅次于鎳，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，適當的含量可以改善鋼件塑性和韌性。

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，從而提高調質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備影響

通過用戶熱處理工藝研究和用戶熱處理設備改進，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 結論

通過一系列的成分設計試驗、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，高端風電緊固件產品進軍了國際市場，解決了高強度風電緊固件容易出現熱處理后面縮率不合格的技術難題。