風電用高強度緊固件用鋼成分設計及熱處理工藝研究

包石磊，許志軍，劉 鍵，白澈力格爾，劉和家

（1.天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津300352；2.鋼鐵研究總院華東分院江蘇223000）

0 引言

2010年，我國風電裝機總容量突破50 GW，榮升全球風力發電裝機容量第一大國。同時風電向大功率和海上發展趨勢越來越明顯。風電基礎螺栓用的10.9級高強度緊固件材料，主要采用GB/T3077中35CrMoA和42CrMoA牌號鋼（美國牌號ASETM A193標準中B7），一般規格大于Φ50 mm，要求零件整體熱處理后抗拉強度≥1 040 MPa，-40℃沖擊功≥27 J。目前高強度耐低溫緊固件尚未完全實現國產化，因此，利用我國現有工藝裝備研究高強耐低溫沖擊緊固件用鋼，尤其是-40℃以下的低溫沖擊性能，具有非常大的學術意義和市場前景。

本文從現有GB/T3077中42CrMoA鋼的熱處理工藝試驗、合金成分優化、Ti微合金化的對比試驗等進行研究，研究確定了一條工藝性能優異且經濟可行的新材料與熱處理工藝方案，為風電用高強度螺栓材料選用提供一條經濟可行的參考。

1 現有國標材料的熱處理工藝試驗

1.1 試驗材料的生產工藝路線

該鋼種對夾雜物控制要求較高，且要擁有優異的塑韌性指標，因此制定以下生產工藝路線：堿性轉爐/電爐→LF精煉爐→真空爐→連鑄機→全連軋生產線。

1.2 試驗材料化學成分及力學性能

試驗材料選用GB/T3077中42CrMoA為基礎材料[1]，試驗材料化學成分控制范圍及試樣樣品實際成分見表1。為保證材料熱處理過程晶粒尺寸穩定，采用添加Al元素細化晶粒。樣品成分為直讀光譜儀分析測定結果。試驗材料取樣方法、熱處理制度及力學性能見表2。

表1 國標42CrMoA化學成分范圍及樣品成分 wt%

1.3 水冷淬火工藝試驗研究

從表2可以看出，GB/T3077中42CrMoA材料性能測試是由Φ25 mm圓毛坯材料按規定的工藝制度進行熱處理，其沖擊能量測試用樣品為U型試樣常溫下測試結果，無法滿足風電用高強螺栓整體熱處理后材料力學性能達到抗拉強度≥1 040 MPa，-40℃沖擊功≥27 J的要求。

表2 國標材料熱處理制度及力學性能

因此，本試驗決定對材料整體熱處理進行模擬研究。先期試驗采用油冷淬火工藝，強度基本在856～917 MPa之間，-40℃沖擊功在11～28 J之間，離目標值有較大的差距，具體數據本文不予羅列。

1.3.1 水冷淬火工藝試驗數據

經過研究決定采用Φ60 mm樣品1圓鋼（化學成分見表1）整體進行淬火/水冷+回火/水冷工藝試驗，具體熱處理工藝制度與力學性能見表3。

表3 國標材料水冷熱處理主要性能測試結果

1.3.2 水冷淬火試驗結果分析

（1）材料在890℃90 min淬火、550～560℃回火較寬的熱處理工藝下，綜合性能最優，低溫Akv大于27 J，強度介于1 021～1 057 MPa，接近滿足風電用高強螺栓的力學性能要求；

（2）提高回火溫度至600℃時，低溫沖擊功明顯提高至59 J，但強度顯著降低，僅為897 MPa，不能滿足風電用高強螺栓的力學性能要求；

（3）通過水冷淬火試驗結果，可以看出采用水冷淬火以及提高淬火溫度有利于強度增加。

從上述實驗可以看出，采用水冷熱處理工藝方案，材料整體性能相對于油冷有了一定提高，-40℃沖擊功提高至20 J以上，但材料性能離散度較大。采用水冷淬火可以明顯起到提高材料淬透性的效果，但國標材料通過熱處理后還是難以達到風電用緊固件材料的性能要求，必須在材料成分上予以優化改進。

2 優化材料成分及熱處理工藝試驗

2.1 優化改進材料成分設計方案一

2.1.1 方案一的設計成分及試驗數據

通過上述試驗可以看出，GB/T3077標準中大規格42CrMoA鋼的工藝性能難以滿足用戶要求，需要對材料成分和軋制工藝進行優化，以提高強韌性。

眾所周知Mn、Cr元素可以提高鋼的強度和淬透性，但Cr元素在提高強度的同時明顯增加回火脆性，而Mn元素則不明顯降低材料的韌性。資料研究表明，較高Mn和低P、S含量的42CrMo基材料，具有優異的低溫沖擊性能[2]。本試驗擬調整Mn目標值至0.85%，試驗爐優化樣品2的成分見表4。

表4 優化改進材料主要化學成分 wt%

優化樣品2的熱處理工藝采用原擬定的最優熱處理工藝，采用870～890℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷的熱處理，熱處理工藝試驗性能見表5。

表5 成分優化后材料水冷熱處理性能

2.1.2 方案一試驗結果分析

（1）材料870～890℃90 min淬火、550～560℃回火的熱處理工藝下，綜合力學性能穩定，低溫Akv大于25 J，強度大于1 041 MPa，基本滿足風電用高強螺栓的力學性能要求；

（2）樣品成分2熱處理敏感性相較于樣品1明顯降低。

從上述實驗可以看出，材料提高Mn元素含量后，材料整體性能基本滿足風電用螺栓的力學性能，且穩定性相較于樣品1有了明顯提高。

2.2 優化改進材料成分設計方案二

2.2.1 方案二的設計成分及試驗數據

研究資料表明，在鋼種加入微量細化晶粒元素（Ti、V等），可以起到細化奧氏體晶粒的作用[2]。資料表明，隨著晶粒度級別的提高，低溫沖擊功越高[3]。這是由于晶粒越細，晶粒越多，晶界就越多，裂紋擴展的阻力就越大，沖擊功就越高。方案二是在原優化設計方案一基礎上，同時考慮成本最優，選擇Ti微合金化處理，對材料的綜合性能進行了研究，試驗爐目標成分及設計樣品3、4成分見表6。

表6 優化改進材料主要化學成分 wt%

設計樣品3和4的熱處理工藝采用890～910℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷熱處理，微合金設計的成分樣品熱處理后性能見表7。

表7 微合金設計的成分樣品水冷熱處理后性能

2.2.2 方案二試驗結果分析

材料在890～900℃淬火水冷、550～560℃回火水冷的熱處理工藝下，綜合力學性能穩定，低溫Akv大于40 J，強度大于1 100 MPa，滿足風電用高強螺栓的力學性能要求。采用微合金Ti處理的樣品可以適用更高的淬火溫度而不使晶粒長大，可以獲得更高強度、更優的低溫沖擊韌性。

3 結語

（1）通過對GB/T3077中42CrMoA材料熱處理工藝進行研究，890℃淬火、550～560℃回火的熱處理工藝下綜合力學性能最優，低溫Akv介于25～28 J，強度介于1 021～1 057 MPa，但是材料綜合性能無法滿足零件技術要求。

（2）適當提高合金元素Mn含量的優化設計樣品2，通過采用870～890℃淬火/水冷+550～560℃回火/水冷熱處理工藝下，綜合力學性能有所提高，低溫Akv介于25～35 J，強度介于1 046～1 082 MPa，材料綜合性能可以滿足零件技術要求，但是綜合力學性能富余量不大。

（3）采用微合金Ti處理的樣品可以適用于更高的淬火加熱溫度而不使晶粒長大，可以獲得更高強度、更優的低溫沖擊韌性。材料在890～900℃淬火/水冷、550～560℃回火/水冷的熱處理工藝下，綜合力學性能最優，低溫Akv大于40 J，強度大于1 100 MPa，滿足風電用高強螺栓的力學性能要求。