10.9級M36風電螺栓用鋼的低溫沖擊性能研究現狀

王利軍，孔維濤，阮士朋，王寧濤，張 鵬，王冬晨

(邢臺鋼鐵有限責任公司,河北省線材工程技術創新中心，邢臺 054027)

0 引 言

緊固件作為各行業最基礎的零部件，在工作時除受到軸向預緊拉伸載荷的作用外，還會受到附加的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或由二者復合而成的彎曲載荷的作用[1]。風電螺栓除受到上述載荷作用外，還隨主機一起常年經受酷暑嚴寒、極端溫差、鹽霧腐蝕等作用。因此，風電螺栓除了需具有足夠的強度和塑性外，還應具有足夠的韌性[2-3]。材料存在韌脆轉變溫度，風電螺栓在此溫度以下使用時，將存在斷裂風險，從而造成生命財產損失，因此研究風電螺栓用鋼的低溫沖擊性能顯得十分重要。目前，大規格風電螺栓的低溫沖擊功普遍偏低，尤其是冷鐓成型風電螺栓常出現因低溫沖擊性能不合格而返工的現象。作者以10.9級M36風電螺栓用鋼為研究對象，對該鋼的低溫沖擊性能研究進展進行了綜述，并對由SCM440熱軋盤條經冷鐓工藝生產的10.9級風電螺栓低溫沖擊性能偏低的原因進行了分析。

1 高強度風電螺栓用鋼及技術要求

目前，高強度風電螺栓的強度等級大部分選擇10.9級，少量選擇8.8級，高強度風電螺栓一般采用碳質量分數為0.30%～0.55%的中碳合金結構鋼制造，其中：規格不大于M24的螺栓選用20MnTiB鋼；規格為M27、M30的螺栓選用35VB鋼或35CrMoA鋼；規格不小于M36的螺栓一般選用42CrMo鋼、B7鋼、SCM440鋼、40CrNiMoA鋼，少量允許使用30CrMnSiA鋼。40CrNiMoA鋼具有最優的沖擊韌性和淬透性[4-5]。B7鋼為美國ASTM標準產品，其化學成分標準范圍較寬，涵蓋了美國合金結構鋼體系中的AISI4140、AISI4142、AISI4145、AISI4140H、AISI4142H、AISI4145H等6個牌號，而風電螺栓用B7鋼的化學成分標準范圍與AISI4140合金結構鋼的一致。SCM440鋼為日本JIS標準產品，相當于GB/T 6478-2015中的ML40CrMo鋼或GB/T 3077-2015中的42CrMo鋼。目前，10.9級M36風電螺栓用鋼主要為SCM440鋼、42CrMo鋼和B7鋼，其化學成分標準范圍見表1。

表1 10.9級M36風電螺栓常用鋼的化學成分標準范圍(質量分數)Table 1 Standard range of chemical composition of steel commonly used for 10.9 grade M36 wind power bolts (mass fraction) %

目前，8.8級及以上高強度風電螺栓的制造工藝主要為冷鐓和熱(溫)鍛。由熱軋盤條生產風電螺栓時采用冷鐓工藝，其生產工藝流程為球化退火→酸洗磷化→拉拔→冷鐓成型→加工螺紋→淬火和回火→表面處理；由熱軋棒材生產風電螺栓時采用熱(溫)鍛工藝，其生產工藝流程為酸洗磷化→拉拔→下料→熱(溫)鍛成型→六角整形→淬火和回火→加工螺紋→表面處理。與熱(溫)鍛工藝相比，采用冷鐓工藝生產高強度風電螺栓具有更高的效率和成材率，目前M36及以下規格風電螺栓逐漸改用冷鐓工藝生產。高強度風電螺栓均需要通過860～890 ℃淬火+450～600 ℃高溫回火，即調質處理才能獲得具有良好強韌性的回火索氏體組織。10.9級高強度風電螺栓的硬度為33～39 HRC，抗拉強度不低于1 040 MPa，斷后伸長率不小于9%，斷面收縮率不小于48%，-40～-45 ℃低溫沖擊吸收能量(AKV2)不低于27 J。

2 影響10.9級M36風電螺栓用鋼低溫沖擊性能的因素

2.1 晶體結構

在常見的3種晶體結構中，易發生低溫脆性現象的結構為體心立方和密排六方結構[6]。高強度風電螺栓用SCM440鋼為體心立方結構材料，存在低溫脆化現象。通常，材料的晶體結構越復雜，對稱性越差，位錯阻力越高；若位錯阻力對溫度變化敏感，則對屈服強度的影響更大，冷脆傾向更明顯，低溫沖擊性能更差。張偉強等[7]研究發現，42CrMo調質鋼在-150～700 ℃范圍的屈服強度隨溫度的升高呈降低趨勢，但在0～250 ℃范圍屈服強度存在一個變化平緩的平臺，這是由于此時溶質原子的擴散能力較強，對位錯的釘扎作用較大導致的。

2.2 化學成分

2.2.1 常規合金元素

SCM440鋼為中碳合金鋼，其中碳、硅、錳、鉻、鉬等為主要元素，硫、磷、鎳、銅等為次要元素。碳作為鋼中最主要的元素，可提高鋼的強度，但會降低塑韌性、耐腐蝕性能、冷彎性能、焊接性能，并增大低溫冷脆傾向，因此為保證該鋼良好的低溫沖擊性能，碳含量應控制在標準范圍的下限；硅可提高鋼的強度、淬透性，但其質量分數超過1%時會降低塑韌性、提高韌脆轉變溫度，因此在標準范圍內應適當提高硅含量以彌補由低碳引起的淬透性和強度損失。合金元素錳、鉻、鎳、鉬均能提高鋼的淬透性，同時鉻元素可明顯提高鋼的回火脆性，使韌脆轉變溫度提高，鉬元素則可抑制回火脆性，鎳元素為低溫用鋼的主要合金元素，可提高鋼的常溫塑性和韌性，也可改善鋼的低溫韌性，使韌脆轉變溫度降低。李靜媛等[8]研究發現，隨著硫化錳最大尺寸的增加，42CrMo鋼的沖擊韌性降低。在一定范圍內，提高錳含量可削弱硫對沖擊韌性的不利影響，同時錳可脫氧以清除FeO，從而降低鋼的脆性[9]。王明禮等[10]對比研究了42CrMo鋼韓國鍛件和國產鍛件的低溫沖擊性能，發現在相同調質工藝下，韓國鍛件的-20 ℃沖擊功比國產鍛件的高20 J，-40 ℃沖擊功比國產鍛件的高30 J；進一步對比發現韓國鍛件的硫、磷含量較低，錳含量較高，鉻含量偏低，同時韓國鍛件中的非金屬夾雜物較細小，含量較低且分布均勻。硫在固態下以FeS形式存在于鋼中，會割裂金屬基體的連續性，從而導致鋼的低溫沖擊性能變差[11]。磷在結晶過程中易產生晶內偏析，導致韌脆轉變溫度升高而發生冷脆，因此應盡可能降低磷元素含量。

2.2.2 微合金化元素

SCM440鋼中雖然含有一定量的硅，但實際生產過程中仍然需要用鋁來脫氧，剩余鋁元素會與鋼中氮元素結合形成細小彌散的AlN質點，可以在后續熱處理中起到防止奧氏體晶粒長大的作用。陳先毅[12]研究了鋁含量對42CrMo鋼鍛件沖擊功的影響，發現鋁含量較高鍛件的晶粒尺寸較小，但沖擊功較低，這是因為鋁元素在42CrMo鋼鍛件中形成的AlN、Al2O3顆粒對低溫沖擊功的不利影響超過了其細化晶粒提高沖擊功的作用。對ML40Cr鋼熱軋盤條進行860 ℃×1.5 h水冷熱處理后，發現添加質量分數0.026%鋁的ML40Cr鋼中奧氏體晶粒尺寸為15.8 μm，小于未添加鋁的(28.7 μm)；添加質量分數0.026%鋁和不添加鋁的ML40Cr鋼的室溫到-50 ℃沖擊功變化趨勢一致，且含質量分數0.026%鋁的ML40Cr鋼的沖擊功比不添加鋁的高20 J左右，這主要是由于晶粒細化使得晶界前塞積的位錯減少，有利于降低應力集中，同時可降低磷等雜質元素在晶界的偏聚程度[13]。齊建軍等[14]研究了鋁含量、氮含量和鋁氮質量比對轎車用20MnCr5滲碳鋼晶粒度和混晶的影響，發現：鋁質量分數不低于0.020%時，氮含量偏低是導致其在滲碳溫度產生混晶的主要原因；當鋁質量分數不低于0.025%且鋁氮質量比不小于3時，20MnCr5鋼經930 ℃保溫6 h熱處理后不出現混晶現象。作為調質態下使用的產品，上述研究結果同樣適用于風電螺栓用SCM440鋼，作者對經過轉爐→鋼包精煉爐(LF)精煉→大方坯連鑄工藝生產的SCM440鋼熱軋盤條進行氮含量測試，得到氮平均質量分數為0.004 5%，氮含量相對偏低，此時應適當增加鋁含量，增加鋁氮質量比，以減弱晶粒長大傾向。

微合金化元素鈮、鈦、硼對42CrMo鋼的組織和低溫沖擊性能也會產生一定的影響。吳鎮宇等[15]研究發現：鈮鈦復合微合金化可細化42CrMo鋼奧氏體晶粒，當沖擊試驗溫度較低時，鋼的沖擊吸收能量及纖維斷面率均明顯提高，即鈮鈦復合微合金化可以改善鋼的低溫沖擊性能；但是該鋼較高的強度和較高的硫含量使得這種改善效果有所減弱。鐘浩等[16]研究發現：加入質量分數0.001 5%的硼可以顯著提高SCM440鋼的低溫沖擊韌性，且在相同調質處理條件下該鋼具有更高的硬度，這是由于微量硼在鋼中起到了晶粒細化和晶界強化作用；但是由于硼活性極高，在鋼中極易形成氧化硼、氮化硼等，這些硼的析出相降低了有效硼含量，削弱了有效硼偏聚于晶界而起到的晶界強化作用，同時也降低了AlN細小質點數量，削弱了AlN的細晶強化作用，而該研究中并未對此進行深入分析。斯庭智等[17]研究發現：硼鈦復合微合金化可以細化42CrMo鋼組織，提高鋼的回火穩定性，從而顯著提高鋼的強度與硬度；當鈦質量分數低于0.045%時，42CrMo鋼的強度提高程度不顯著，且其強度的提高主要來自于細晶強化作用；當鈦質量分數為0.045%～0.095%時，強度提高顯著，且其強度的提高主要來自于TiC的沉淀強化作用；硼鈦復合微合金化提高了42CrMo鋼的塑性和韌性，這主要是由于硼在晶界替代磷、硫析出而減輕了磷、硫的有害作用；但是，鈦微合金化會增加鋼中TiN非金屬夾雜物的數量，對鋼的沖擊韌性不利，而上述研究并未對此進行分析。

2.3 原始組織

奧氏體在鋼中的形成方式與奧氏體化前的原始組織密切相關。在鋼的化學成分相同時，原始組織中珠光體越細、滲碳體片間距越小，奧氏體的形成速率越快[18]。對于具有馬氏體組織的碳鋼，在加熱到奧氏體化溫度過程中，奧氏體快速形成，例如將AISI4340鋼薄試樣在鉛浴中快速加熱至790～870 ℃時，只需2 s奧氏體即可形成[19],且由這種奧氏體形成的馬氏體硬度和強度均較高。王利軍等[20]研究發現，與球化退火組織熱軋態SCM435鋼相比，組織為貝氏體+鐵素體+珠光體的熱軋態鋼經相同調質處理后具有更高的硬度和低溫沖擊吸收能量。軋制工藝對風電螺栓用冷鐓鋼熱軋盤條組織和性能有明顯影響。與低溫軋制B7鋼相比，高溫軋制B7鋼的奧氏體晶粒粗大，室溫組織均勻性差，經相同工藝調質處理后，鋼的低溫沖擊性能偏低，沖擊吸收能量波動較大[21]。在生產SCM440鋼風電螺栓時，相比粗大球狀碳化物組織，具有細粒狀碳化物退火態鋼經過后續調質處理后具有更高的沖擊功。上述研究均表明，原始組織會對冷鐓鋼調質處理后的組織產生影響，最終影響產品的低溫沖擊性能。

2.4 調質前加工處理工藝

奧氏體晶粒越細小，經調質處理后鋼的強度越高，塑性和沖擊韌性越好[22]。TAKESHI等[23]研究發現，與冷拔加工熱軋態SCM420鋼相比，冷拔加工球化退火態SCM420鋼在后續淬火時的奧氏體晶粒更容易長大而出現混晶現象，這與不同處理方式影響AlN析出相粒徑和分布狀態有關。因此，可通過熱處理改變AlN析出相的粒徑和分布狀態，從而消除奧氏體混晶現象。與SCM420鋼相比，SCM440鋼除了含有更多的碳外，其他元素含量標準范圍相同，因此推測在上述加工條件下，SCM440鋼經淬火時其奧氏體也會出現與SCM420鋼相同的現象。席志偉等[24]研究發現：采用不同預備熱處理工藝時，亞溫淬火-回火處理后42CrMo鋼的硬度差別很小，但沖擊性能均高于常規調質處理后的；預備熱處理為退火處理時，亞溫處理后殘留的鐵素體粗大，且不均勻分布在回火索氏體之間；預備熱處理為淬火處理和調質處理時，殘留的鐵素體形態細小，且均勻分布在回火索氏體之間，亞溫處理后的沖擊功最大。徐尚呈等[25]研究發現，當滲碳軸承鋼SAE4320出現奧氏體混晶時，經740～760 ℃保溫2 h空冷處理后奧氏體晶粒度可達7.0～8.0級，原奧氏體混晶現象消除。因此，當SCM440鋼組織中出現奧氏體混晶時，可采用合適的熱處理工藝以消除混晶。

2.5 調質處理工藝

2.5.1 淬火溫度

淬火溫度對鋼的組織有重要影響。如果淬火溫度偏低，則冷卻后組織中會保留部分先共析鐵素體，這對提高材料沖擊性能有利[24,26]，但淬火后鋼中會出現淬火軟點，這種組織的不均勻性可能會影響回火后的力學性能。但是淬火溫度過高易引起奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大馬氏體，導致鋼的脆性增大，低溫沖擊性能降低。馬躍新等[27]研究發現：原始非平衡組織的類型基本不會影響30CrMnSiA鋼亞溫淬火的效果；對非平衡組織鋼進行亞溫淬火后，與常規調質處理后的相比，其強度和硬度基本不變，但沖擊功提高一倍左右，塑性也大幅提高；亞溫淬火能夠明顯抑制鋼的可逆回火脆性。王明禮等[28]研究發現，在同一回火溫度(630 ℃)下，當淬火溫度為800～840 ℃時，42CrMo鋼的低溫沖擊功隨著淬火溫度的升高而增加，而當淬火溫度超過840 ℃時，沖擊功降低，這是因為隨著淬火溫度的升高，溶解于奧氏體中的鐵素體增多，淬火后馬氏體增多，回火后得到的回火索氏體增多，未溶鐵素體較少，因此鋼的沖擊功增加，但是當淬火溫度超過840 ℃時，原始組織中的鐵素體已經全部溶解，若再提高淬火溫度，將使奧氏體的晶粒粗大，造成淬火后的馬氏體粗大，致使回火后得到粗大的回火索氏體，最終導致沖擊功降低。

2.5.2 淬火后冷處理

淬火后冷處理可降低鋼中殘余奧氏體的含量，并使鋼中析出細小碳化物，從而提高鋼的硬度、耐磨性并延長其使用壽命。葛凱晨等[29]對經860 ℃奧氏體化后的42CrMo鋼和40CrNiMo鋼進行-70 ℃×1 h冷處理，然后在不同溫度保溫2 h進行回火處理，發現冷處理不能明顯改善鋼的顯微組織或提高鋼的常溫力學性能，但能顯著提高鋼的低溫(-40 ℃)沖擊功，且隨回火溫度的升高，低溫沖擊功提高的幅度增大。張海東等[30]研究發現，相比于常規熱處理，42CrMo鋼經淺冷處理(-80 ℃×12 h)和深冷處理(-196 ℃×12 h)后硬度略微下降，沖擊功有所增大，并且試樣經深冷處理后的沖擊功增大程度高于淺冷處理后的。

2.5.3 回火處理

一般情況下，隨著回火溫度的升高，鋼的強度、硬度降低，塑性、韌性增加。但對于一些結構鋼，隨著回火溫度的升高，鋼的沖擊韌性并非連續提高，而是在某些回火溫度區間出現顯著下降的現象，這種現象稱為鋼的回火脆性。用SCM440鋼生產10.9級風電螺栓時，其回火溫度處于第二類回火脆性溫度范圍，通常采用降低鋼中雜質元素含量、加入適量鉬或鎢抑制雜質元素向晶界偏聚、加入鈮釩鈦等細化奧氏體晶粒元素、回火保溫后采取快速冷卻方式等措施，防止或減輕第二類回火脆性。陳俊丹等[31]研究發現：42CrMo鋼經850 ℃×4 h水淬+500～650 ℃回火水冷后，其-12 ℃沖擊功隨回火溫度的升高先增大后減小，600 ℃回火后的沖擊功最大，為104 J；碳化物的形貌和分布是影響42CrMo鋼低溫沖擊性能的關鍵因素。楊敏等[32]研究發現，42CrMo鋼經淬火及550～650 ℃回火處理后，隨著回火溫度的升高，碳化物形貌由片狀向片粒狀轉變，屈服強度與抗拉強度降低，而沖擊功升高，并未出現文獻[31]中在600 ℃回火溫度下達到峰值后隨著回火溫度升高而降低的現象。

與傳統加熱方式相比，感應加熱方式具有節約能源、加熱速率快、溫度控制準確、生產效率高、表面氧化層少、損耗低等優點。余偉等[33]對比研究了淬火+緩慢加熱回火的傳統調質處理與淬火+感應加熱回火的新調質處理工藝對高強度鋼組織和性能的影響，發現：兩種工藝下鋼的顯微組織均主要為板條寬300～500 nm的馬氏體，但淬火+感應加熱回火調質處理后，板條組織更明顯，且組織中存在尺寸約20 nm的析出物，比傳統調質處理后的細??；淬火+感應加熱至500 ℃回火后試驗鋼的斷后伸長率大于16%，-40 ℃沖擊功達到32 J，優于傳統調質處理后的，這是由淬火+感應加熱回火后組織中存在更多小尺寸析出物和殘余奧氏體導致的。林君泓等[34]也得到相似結論，即：42CrMoA鋼制M36風電螺栓經中頻感應與網帶爐調質后，強度和硬度基本相當；與網帶爐調質處理后的風電螺栓相比，中頻感應調質處理后組織更均勻、細小，塑韌性更好，斷面收縮率、斷后伸長率和低溫(-40 ℃)沖擊功分別提高了24.39%，8.82%及81.22%。

2.5.4 調質處理次數

調質處理的主要目的是調整組織，減少碳化物，獲得索氏體組織或索氏體和均勻分布的粒狀碳化物組織。多次調質處理有利于得到微細的等軸晶粒。42CrMo鋼經過二次調質處理后，殘余奧氏體含量減少，晶粒細化，低溫沖擊功、屈服強度、抗拉強度均明顯提高；經過三次、四次調質處理后，低溫沖擊功、屈服強度、抗拉強度無明顯變化，殘余奧氏體基本消失，晶粒進一步細化[35]。

3 熱軋盤條生產10.9級大規格風電螺栓現狀

隨著盤條生產技術的提升以及冷鐓工藝裝備的發展，越來越多的熱(溫)鍛棒材被熱軋盤條替代，但是在產品替代過程中，發現在同等熱處理條件下，與用熱(溫)鍛棒材生產的螺栓相比，用熱軋盤條生產的風電螺栓的強度、硬度基本不變，但-45 ℃的V型缺口沖擊功降低了5～10 J，且用熱軋盤條生產的螺栓甚至出現低溫沖擊性能不合格現象，需要進行二次調質處理才能滿足低溫沖擊韌性要求，這增加了產品生產成本，降低了產品市場競爭力。

用于生產10.9級風電螺栓的φ30 mm和φ36 mm SCM440鋼熱軋盤條采用加勒特大盤卷方式生產，在生產過程中吐絲后的盤條采用集卷冷卻方式，冷卻速率較低。SCM440鋼中含有較高的碳和合金元素，其熱軋盤條組織為鐵素體、珠光體和貝氏體的混合組織；而在采用集卷冷卻方式時，很難做到盤卷各部位冷卻速率一致，因此盤條組織一致性難以得到保證。采用冷鐓工藝生產風電螺栓前，必須對SCM440鋼熱軋盤條進行球化退火處理，以保證冷鐓原料的塑性變形能力。不同原始組織影響著中碳鋼及中碳合金鋼退火組織的演變過程。馬氏體、貝氏體原始組織經球化處理后可獲得分布均勻的球化物；粗片狀珠光體原始組織的球化速率較慢，且由于原多邊形鐵素體的存在，整體碳化物分散度偏低[36]。原始組織為球化退火組織的鋼經調質處理時，奧氏體首先在碳化物與鐵素體的界面處形成，隨后其形成取決于碳化物溶解時碳通過奧氏體的擴散速率，這造成奧氏體的形成速率較低，從而導致奧氏體成分均勻性較差，經調質處理后不同區域碳化物析出數量、形貌存在差異，最終影響成品的低溫沖擊性能。在螺栓熱(溫)鍛成型時采用的熱(溫)鍛溫度較低，較低的鍛造溫度有利于抑制奧氏體晶粒長大，從而獲得細小組織。經熱(溫)鍛后的SCM440鋼螺栓毛坯采用空冷冷卻方式，相當于在調質處理前對螺栓進行了一次正火處理。正火處理可增加42CrMo鋼調質處理后的組織均勻性，減少心部區域晶粒粗大的鐵素體數量，從而提高平均沖擊功[37]。因此，采用熱(溫)鍛熱軋棒材工藝生產的風電螺栓的低溫沖擊性能優于采用冷鐓熱軋盤條工藝生產的。

4 結束語

廣闊的風力發電市場促進了風電技術和裝備的發展。風電用高強度螺栓作為連接結構中的重要零部件，應具有良好的低溫沖擊性能。影響高強度風電螺栓低溫沖擊性能的因素主要包括晶體結構、化學成分、調質前原始組織、調質前的加工工藝、調質處理工藝等。為提高10.9級M36風電螺栓的低溫沖擊性能，應從以下幾個方面對熱軋盤條及其加工工藝進行嚴格控制。

(1) 降低有害雜質元素含量，硫、磷質量分數一般控制0.015%以下；可采用鈮鈦復合微合金化來提高SCM440鋼的低溫沖擊性能，但會造成生產成本增加；采用轉爐→LF精煉→連鑄工藝生產的SCM440鋼中鋁質量分數應不低于0.015%，以防止淬火時奧氏體晶粒長大，從而提高風電螺栓的低溫沖擊性能。

(2) 應降低SCM440鋼中大顆粒非金屬夾雜物的尺寸及數量，以提高鋼的低溫沖擊性能。

(3) SCM440鋼熱軋盤條組織宜控制為以粒狀貝氏體為主，且組織應具有較好的均勻性。

(4) 應盡可能使SCM440鋼球化退火后獲得細小球狀滲碳體組織，以保證淬火時組織充分奧氏體化以及淬火后組織的一致性。

(5) 在保證奧氏體化前提下，在淬火時應嚴格控制淬火溫度和保溫時間，以防止奧氏體晶粒長大而出現混晶，最終影響鋼的低溫沖擊性能。