風電拉鉚釘低溫沖擊性能不合格原因分析

文 華,王 霞,李新榮,張 威

(眉山中車緊固件科技有限公司,四川 眉山 620010)

目前我國部分風力發電設備選用拉鉚釘進行緊固連接,拉鉚釘為組合件,包括拉鉚釘和套環,通過鉚接工具軸向拉伸鉚釘,徑向擠壓套環,使套環內側金屬流動到拉鉚釘鎖緊槽中,形成永久性塑性變形連接。由于風電拉鉚釘特殊的服役條件,用戶對拉鉚釘的強度及低溫沖擊韌性提出了較高的要求,風電領域中使用的某種高強度拉鉚釘,其硬度要求為32～39 HRC,-40 ℃沖擊吸收功KV2≥27 J,材料為42CrMo鋼,規格為φ24 mm,制造工藝為下料→溫鐓成型→搓絲→淬火→高溫回火→表面處理→成品。

拉鉚釘在熱處理后進行力學性能檢測,在相同熱處理工藝且硬度范圍為32～39 HRC的條件下,對拉鉚釘進行-40 ℃低溫沖擊試驗,部分批次拉鉚釘低溫沖擊性能不滿足技術要求,與正常值存在較大差異。本文對拉鉚釘低溫沖擊性能不合格的原因進行分析與研究,并提出相應的改進措施,避免類似質量問題發生。

1 檢測分析

1.1 低溫沖擊功

分別取沖擊功合格與不合格批次的拉鉚釘各3件,按照標準GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行檢驗,試樣為10 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口,缺口深度為2 mm,-40 ℃沖擊吸收功檢測結果見表1。

1.2 化學成分分析

分別取沖擊功合格與不合格批次的拉鉚釘各1件,采用電火花直讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表2。結果表明,合格批次與不合格批次試樣原材料的化學成分均符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中對42CrMo鋼化學成分的要求,微量元素P、S的含量低于優質鋼中對P、S元素的標準要求[1]。

表2 試樣化學成分(質量分數,%)Table 2 Chemical composition of samples(mass fraction,%)

1.3 硬度檢測

在沖擊功合格與不合格的拉鉚釘上截取試樣,采用洛氏硬度計按標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求進行芯部硬度檢測,結果見表3。結果表明沖擊功合格與不合格拉鉚釘硬度值均在32～39 HRC范圍內,符合技術要求。

表3 芯部洛氏硬度Table 3 Core Rockwell hardness

1.4 金相組織分析

取垂直于拉鉚釘軸心線的縱向試樣,經粗磨、精磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后,采用電子金相顯微鏡觀察組織形貌,合格與不合格拉鉚釘試樣心部的金相組織如圖1所示。由圖1可知,合格與不合格拉鉚釘試樣的金相組織均為回火索氏體,回火組織均勻,與所用熱處理工藝獲得的該材料正常金相組織一致[2]。

(a)合格試樣;(b)不合格試樣圖1 試樣金相組織 500×(a)qualified sample;(b)unqualified sampleFig.1 Microstructure of samples

1.5 奧氏體晶粒度

取垂直于拉鉚釘軸心線的縱向試樣,經粗磨、精磨、拋光、ET-01PLUS新型晶粒度侵蝕劑腐蝕后,采用電子金相顯微鏡觀察奧氏體晶粒度,合格與不合格拉鉚釘試樣的奧氏體晶粒組織形貌如圖2所示。采用標準GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中截點法對試樣奧氏體晶粒度等級進行評級,合格與不合格試樣的平均晶粒度評級分別為9級、10級,但不合格試樣的奧氏體晶粒組織出現嚴重不均勻、混晶現象,異常長大的晶粒為5～6級。細晶能提高沖擊性能,粗晶、混晶降低鋼的沖擊性能[3]。

(a)合格試樣;(b)不合格試樣圖2 試樣奧氏體晶粒形貌 200×(a)qualified sample;(b)unqualified sampleFig.2 Austenite grain morphology of samples

2 分析與討論

合格批次與不合格批次拉鉚釘試樣的化學成分均符合標準要求,芯部硬度也符合技術要求,金相組織與所使用熱處理工藝獲得的該材料正常金相組織一致。但奧氏體晶粒度檢驗結果表明,不合格批次試樣的奧氏體晶粒存在嚴重不均勻、混晶現象,導致拉鉚釘沖擊性能降低。

結合拉鉚釘的加工工藝流程及原材料狀態進行分析,合格與不合格批次拉鉚釘的加工工藝流程及過程工藝參數完全一致;而原材料狀態存在一定差異,合格批次所用原材料為熱軋棒料,不合格批次所用原材料為冷拉線材。熱軋材料生產工藝流程為：轉爐冶煉→爐外精練→大方坯連鑄→鋼坯檢驗→大方坯加熱→開坯→檢驗→鋼坯加熱→高壓水除磷→控制軋制→控制冷卻→檢驗;冷拉線材為滿足緊固件冷鐓變形要求,必須進行球化退火處理,冷拉線材生產工藝為：熱軋盤條→酸洗磷化→拉拔→球化退火→精拉→成品精線[4]。冷拉線材在冷態拉拔過程中導致原奧氏體晶粒拉長、破碎,后續在球化退火過程中長時間高溫加熱,晶粒重新結晶并聚集長大,導致冷拉線材原材料出現奧氏體晶粒不均勻、混晶現象,粗大的奧氏體晶粒是造成冷拉線材制造拉鉚釘的-40 ℃沖擊吸收功不合格的主要原因。

3 結論與措施

高強度風電拉鉚釘-40 ℃低溫沖擊吸收功不合格的主要原因是冷拉線材原材料奧氏體晶粒不均勻、混晶。因此,可以通過改善原材料奧氏體晶粒均勻性來提高拉鉚釘低溫沖擊性能,具體措施如下：

1)熱軋棒料相較冷鐓線材原材料具有更好的奧氏體晶粒均勻性及熱處理后低溫沖擊性能,可采用42CrMo熱軋棒料作為高強度風電拉鉚釘原材料;

2)正火處理可細化晶粒、均勻組織[5],可對冷鐓線材原材料生產拉鉚釘進行正火預處理后再進行調質處理,以改善拉鉚釘低溫沖擊性能,經過正火預處理后拉鉚釘的-40 ℃沖擊吸收功由原來的22～25 J提高至38～42 J,低溫沖擊性能提升效果顯著。

采取上述改善措施后,重新生產的高強度風電拉鉚釘未再出現過此類質量問題。