風電葉片螺栓用鋼42CrMo（FD）開發生產實踐

張 濤，石維祥，張素梅

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

風電設備用的高強度緊固件由于野外服役環境惡劣，維修條件差，所以要求其綜合力學性能優異，抗低溫沖擊能力突出。山東壽光巨能特鋼試制生產的風電螺栓用鋼42CrMo（FD）規格為Φ37.5～56.5 mm，原材料經車削加工、調質處理、滾絲、表面防腐后用于風電設備，對原材料的各項性能要求非常嚴格。同時為了保證鋼材的使用性能，要求鋼材具有較高的抗-40 ℃低溫沖擊性能，以保證鋼材能夠滿足用戶的使用要求。山東壽光巨能特鋼有限公司在現有生產42CrMoA鋼的基礎上，對化學成分進行調整，保證鋼材的穩定性，同時對冶煉及軋制工藝進行優化，確保鋼材的低倍組織、力學性能及淬透性等指標均能夠達到要求。

2 工藝設計

通過了解用戶使用要求，結合生產42CrMoA鋼熱處理檢驗結果，最終確定材料化學成分控制要求見表1。

表1 42CrMo（FD）鋼化學成分要求及內控標準 %

1）為了保證材料的淬透性，材料的Mn、Cr、Mo合金含量均按協議的中上限進行控制，同時為保證材料的低溫沖擊性能，C、Si 含量按協議的中限控制，加強了P、S及Cu含量的控制。2）內控成分加了部分Ti，可以使奧氏體晶粒細化，并且在熱軋空冷時生成部分TiC，起到沉淀強化的目的。細小的奧氏體晶粒容易在調質時得到細小的回火索氏體組織，而細小的回火索氏體組織是鋼材具有優良綜合力學性能的保證。同時，加Ti可以增加回火穩定性并抑制第二類回火脆性。3）該鋼種經車削加工或冷拔后調質使用，要求鋼材外表面不允許存在完全脫碳層，直徑45 mm 以下規格不完全脫碳層深度≤1%D，直徑45 mm 以上規格不完全脫碳層深度≤0.8%D。軋制過程通過控制爐內氣氛，優化出鋼節奏，以達到減少表面脫碳目的。4）以添加微量合金元素Ti 為基礎，在熱軋過程中對鋼坯加熱溫度、開軋溫度、變形量、終軋溫度及軋后冷卻各工藝參數實現最佳合理控制，以細化奧氏體和鐵素體晶粒，并通過沉淀強化、位錯強化，充分挖掘鋼材內在潛力，提高鋼材力學性能。工藝流程：高爐鐵水熱裝→80 t 頂底復吹轉爐→70 t LF 爐外精煉→VD 爐真空脫氣→R12 m 五機五流連鑄機連鑄生產180 mm×220 mm 連鑄坯→緩冷→分段分散雙蓄熱高溫燃燒加熱爐→高壓水除鱗→短應力連軋機組→熱鋸鋸切→冷床（加保溫罩）收集→入坑緩冷。

3 工藝控制要點及分析

3.1 冶煉工序

P 是對韌性有害的元素，每增加0.01%的P 會使鋼材脆性轉變溫度上升7 ℃，還明顯促進回火脆性，因此本鋼種對夾雜物、低倍組織及P、S 有害殘余元素要求較嚴，生產時要求：1）冶煉時需確認鐵水P 含量，選用P 含量低的鐵水冶煉本鋼種，杜絕下渣，若P 含量超過0.014%直接改為GB/T 3077—2015。2）為了細化晶粒，控制氧含量，生產時必須保證澆注前Al≥0.023%。3）真空處理60 Pa以下保持時間≥15 min。4）喂CaSi 線2 m/t，出鋼后在喂線工位軟吹Ar，時間15 min以上。5）連鑄時確保結晶器液面穩定，不出現波動，目標拉速1.16 m/min，二冷配水按強冷執行，結晶器電攪參數按180 A/3 Hz設定，末端電磁攪拌參數按350 A/5.5 Hz設定。

3.2 軋制工藝

1）為提高鋼材均勻性，加熱時嚴控加熱溫度以及保溫時間：預熱段爐氣溫度≯950 ℃，保溫時間＞40 min；加熱I段爐氣溫度1 120～1 200 ℃，保溫時間≮40 min；加熱II段爐氣溫度1 200～1 240 ℃，保溫時間≮45 min；均熱段爐氣溫度在 1 200～1 240 ℃，保溫時間≮45 min。2）軋機采用大壓縮比的軋制工藝，以提高滲透變形程度，提高鋼材內部質量。3）嚴格控制軋制溫度，通過控軋控冷系統，使塑性變形與固態相變相結合，實現軋制過程溫度降低，起到細化晶粒的效果，使鋼材具有優異的綜合力學性能。4）材料的終軋溫度控制在900 ℃以下，鋼材經冷床收集后及時入坑緩冷，要求上冷床溫度800～850 ℃。軋鋼生產過程中上冷床時要加蓋保溫罩，保證緩冷效果，盡量減少貝氏體含量。

4 產品實物質量檢測分析

4.1 力學性能

對試生產的10 爐42CrMo（FD）鋼進行檢驗分析，鋼材試樣調質處理后（880 ℃保溫75 min水淬+570 ℃保溫90 min 水冷）。機械性能要求及統計結果見表2。數據顯示，材料的抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率均達到協議的要求，表明材料的綜合力學性能良好。

表2 42CrMo（FD）鋼力學性能

根據大量的同類鋼種實際試驗經驗，設置了11組試驗，回火溫度設置了560 ℃和575 ℃兩個組別，回火保溫時間從75～97 min，淬火溫度為880 ℃，保溫時間55～85 min。通過檢測數據顯示，回火溫度升高，低溫沖擊數值越高，強度會相應下降。11組數據每組做3個低溫沖擊試樣，低溫沖擊數據平均值為67，63，62 J。其中爐號0302532M 數據出現低溫沖擊不合，沖擊值為42、40、40 J。經排查原因，確定為該試樣熱處理爐溫度錯誤，換熱處理爐對該爐號試樣重新熱處理后沖擊值為78、80、78 J，數據正常。根據回火溫度生成散點圖來看，575 ℃回火，低溫沖擊性能比560 ℃明顯偏高。通過數據分析，確定最佳熱處理制度為880 ℃保溫75 min 水淬+575 ℃保溫90 min 水冷。當熱處理工藝為880 ℃ 73 min水冷、575 ℃97 min 水冷時沖擊值為76，78，70 J，沖擊值較好，與圖表分析出的熱處理工藝基本吻合。

4.2 鋼材低倍組織

鋼材經熱酸浸蝕后的低倍組織良好，取22 個低倍樣片進行檢驗，評級均為一般疏松0.5級，中心疏松1.0 級，錠型偏析0.5 級。數據聚合性非常好，不存在離散點，表明該批鋼材組織均勻性非常好。

4.3 脫碳層、帶狀及夾雜物

鋼材要求脫碳層＜1%D，實測數據為0.15～0.35 mm，鋼材的帶狀組織11 片，其中9 片試樣為2級，2 片為2.5 級，均符合協議要求。同時鋼材的純凈度較好，見表3。

表3 各類夾雜物的統計 級

4.4 化學成分

實際生產過程中對鋼材進行化學成分檢測，均在內控范圍內。

5 結 語

42CrMo（FD）是在 42CrMoA 基礎上通過對化學成分進行適當調整，通過提高鋼水純凈度、對軋制工藝改進，使材料的低溫沖擊性能得到改善，使其在屈服抗拉性能良好的同時實現低溫沖擊性能的有效提高。自該鋼種試制成功后，批量生產約1 000 t 并交付用戶，全部用于制作風電葉片用螺栓。通過對用戶加工、使用過程進行跟蹤了解到，材料在使用過程中質量穩定，各項指標均能滿足用戶要求，獲得用戶認可。