李詩斌，冷永磊，尹修剛，張 川，姜彩艷，韓常海

隨著國家“十四五”的規(guī)劃及低碳能源的發(fā)展趨勢，風(fēng)能、核能等時髦新興能源的逐步創(chuàng)新與優(yōu)化，風(fēng)電塔由逐漸由陸地轉(zhuǎn)向海洋等領(lǐng)域，努力實行碳中和等指標(biāo)，對制造各類螺栓緊固件材料提出了更高的要求。風(fēng)電螺栓用鋼要求大規(guī)格、高強度、高低溫沖擊性能的同時，同時對成本也提出更嚴(yán)苛的需求。

目前高強度螺栓采購標(biāo)準(zhǔn)主要為國標(biāo)的3098 標(biāo)準(zhǔn)，歐標(biāo)的898 標(biāo)準(zhǔn)。我國風(fēng)電緊固件的基礎(chǔ)要求必須滿足3098 標(biāo)準(zhǔn)，目前很多國內(nèi)廠家主要用鋼有：優(yōu)碳鋼、CrMo 系、CrB 系、Cr 系、CrNiMo 系等。本文以10.9 級螺栓用鋼的材料選擇及控制的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)為研究對象，通過Mo、Ni 等元素合金化、熱軋態(tài)及熱處理態(tài)組織、優(yōu)化熱處理等方面實現(xiàn)了保證高強度的前提下具有良好的低溫性能。

1 風(fēng)電用與鋼結(jié)構(gòu)用緊固件的區(qū)別

風(fēng)電用高強緊固件的制造工藝，從技術(shù)角度涉及多科學(xué)，從生產(chǎn)的角度涉及到多道工序，從管理的角度涉及到多部門、多環(huán)節(jié)，從措施的角度涉及到生產(chǎn)成本。從技術(shù)的角度對鋼結(jié)構(gòu)用與風(fēng)電用緊固件進(jìn)行區(qū)分可以更好的對緊固件的標(biāo)準(zhǔn)引用、 制造工藝、 材料性能和熱處理方式等進(jìn)行闡述。

1.1 采用標(biāo)準(zhǔn)的差異

國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域采用的高強度緊固件標(biāo)準(zhǔn)通常有 9 個標(biāo)準(zhǔn)，而風(fēng)力發(fā)電機組上使用的高強度緊固件國內(nèi)目前常用的標(biāo)準(zhǔn)也是9 個，此外還有一些來圖定制的非標(biāo)緊固件、葉片螺栓、T 型螺母和莫氏墊圈等。

1.2 引用標(biāo)準(zhǔn)的差異

1.2.1 引用 GB/T3098.1-2000 標(biāo)準(zhǔn)的差異

GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能螺栓、 螺釘和螺柱》 中對各個等級的緊固件都有具體的數(shù)據(jù)要求鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓和風(fēng)電高強度螺栓都選用 10.9 級強度標(biāo)準(zhǔn)，但是具體力學(xué)性能卻有差異。

鋼結(jié)構(gòu)和風(fēng)電用高強度螺栓在服役過程中除要求有足夠的強度和塑性外， 還要求有足夠的韌度。韌度的評價往往采用沖擊吸收功KA 值來表征。在 GB/T3098.1-2000 標(biāo)準(zhǔn)中，對沖擊功提出了一定的指標(biāo)。10.9 級高強度螺栓沖擊功為KUA ≥20J。鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓的沖擊功是采用2mm 的U 型缺口試件在常溫下進(jìn)行；而風(fēng)電用高強度螺栓的沖擊功是采用 V 型缺口試件在-40℃低溫檢測。因而，前者沖擊功為KU2A ≥47J，后者沖擊功為KVA (-40℃) ≥27J。

風(fēng)電用高強度緊固件廣泛采用含碳量為 0.25%～0.55%的中碳鋼和中碳合金鋼，這兩種鋼在常溫下有很好的沖擊韌度，但當(dāng)使用溫度低于某一溫度時，其沖擊韌度下降，端口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，斷裂機制由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫硇?。這是由于體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金中，溫度的變化改變了位錯在晶體中運動的摩擦阻力。通過測量沖擊吸收功和對沖擊試樣進(jìn)行斷口分析，可以揭示材料的夾渣、偏析、白點、裂紋以及非金屬夾雜物超標(biāo)等原材料缺陷；檢查過熱、過燒、回火脆性等溫鍛、熱處理等加工缺陷；在低溫條件下評定風(fēng)電用高強度螺栓緊固件的韌脆轉(zhuǎn)變特性，使緊固件不再冷脆狀態(tài)下工作，保證安全服役。由于環(huán)境氣候的影響，對我國寒冷地區(qū)的風(fēng)電設(shè)備，測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40℃， 是從沖擊韌度角度選用高輕度緊固件的重要依據(jù)之一。

1.2.2 其他標(biāo)準(zhǔn)引用的差異

鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓、螺母，表面缺陷分別按GB/T5779.1、GB/T5779.2 的規(guī)定執(zhí)行；風(fēng)電用高強度螺栓、螺母，表面缺陷除滿足上述2 個標(biāo)準(zhǔn)外，針對螺栓還有表面探傷的相關(guān)要求，通常引用的標(biāo)準(zhǔn)有 JB/T4730.3-2005 和 JB/T4730.4-2005。

1.2.3 其他尺寸及形位公差引用時的差異

鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓、螺母、墊圈的其他尺寸及形位公差應(yīng)符合GB/T3103.1-2002 和GB/T3103.3-2000 的 C 級規(guī)定；而風(fēng)電用緊固件引用上述2 個標(biāo)準(zhǔn)的B 級規(guī)定。由于風(fēng)電用高強度緊固件通常采用達(dá)克羅表面處理，故還需要滿足 GB/T5267.2-2002的相關(guān)要求。

1.3 材料選用的差異

1.3.1 材料選用的區(qū)別

一般情況下鋼結(jié)構(gòu)螺栓材料的選用為：φ ≤M24 的產(chǎn)品，材料選用20MnTiB 鋼，M27、M30 螺栓選用35VB 鋼。 而風(fēng)電用高強度螺栓的材料一般選用 42CrMo、B7、42CrNiMo 鋼，少量產(chǎn)品也是用20MnTiB、30CrMoSi、35VB 鋼。

一般情況下鋼結(jié)構(gòu)螺栓螺母選用 45、35 鋼，而風(fēng)電用螺母除使用上述材料外，還可以指定使用35CrMo 鋼。

1.3.2 鋼材牌號的差異

20MnTiB、35VB、45、35 鋼是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)推薦的鋼材牌號；而35CrMo、42CrMo、42CrNiMo、30CrMoSi 是 GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》 中的牌號，B7 鋼則是美國《ASTM 技術(shù)規(guī)范高低溫、高壓用栓接材料緊固件》標(biāo)準(zhǔn)中的牌號，值得注意的是我國多年來自主開發(fā)且應(yīng)用比較成熟的 35VB 鋼卻一直沒有列入國家材料的標(biāo)準(zhǔn)。高強度螺栓經(jīng)過調(diào)制處理，合金元素對力學(xué)性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調(diào)制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應(yīng)嚴(yán)格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調(diào)制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學(xué)成分有關(guān)，也受試樣大小、加熱溫度、冷卻介質(zhì)、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于￠25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結(jié)構(gòu)緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為￠ 25mm；而風(fēng)電用高強度螺栓直徑均大于￠30mm，則必須選用 42CrMo、B7和 42CrNiMo 鋼，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學(xué)成分相當(dāng)于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為￠ 42mm； 42CrNiMo鋼的油淬臨界直徑為￠45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火， 以保證淬硬層深度。

2 生產(chǎn)工藝與研究

2.1 現(xiàn)狀分析

依據(jù)客戶要求生產(chǎn)出的42CrMoA 圓鋼，化學(xué)成分見表1。在標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝（10.9 級螺栓：850℃淬火+560℃回火）條件下，圓鋼的原始組織帶狀較高為2.5 級～3.0 級，采用GB3098 標(biāo)準(zhǔn)加工標(biāo)準(zhǔn)試樣（拉伸區(qū)直徑為3/8D，沖擊試樣為皮下2mm，缺口V 口，-40℃）屈服強度和沖擊吸收能量不能同時滿足標(biāo)準(zhǔn)的下限要求見表2，組織為回火索氏體2 級～3 級，見圖1。

圖1 回火索氏體+少量貝氏體1 級

表1 化學(xué)成分%

表2 力學(xué)性能

2.2 試驗方案

高強度螺栓經(jīng)過調(diào)制處理，合金元素對力學(xué)性能最主要的作用是增加淬透性，使截面較大的螺栓也可淬透。許多合金元素也給高強度螺栓調(diào)制帶來了不利的影響，其中很重要的是回火脆性問題，應(yīng)嚴(yán)格避免，否則會大大降低沖擊功值。

高強度螺栓調(diào)制淬火時，要求整個截面90%以上獲得淬火馬氏體組織，即鋼材必須淬透。淬火深度不僅與鋼材的化學(xué)成分有關(guān)，而且也受試樣大小、加熱工藝、熱軋態(tài)帶狀、冷卻方式等影響。20MnTiB、35VB 和35CrMo 鋼屬于低淬透性合金鋼，油淬臨界直徑一般不大于φ25mm，因此只適宜M24 ～M30 以下鋼結(jié)構(gòu)緊固件制造。30CrMoSi 鋼是推薦用于高強度緊固件的替代鋼種，它有較好的綜合性能，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強度和足夠的韌度，淬透性并不高，油淬臨界直徑為φ25mm；而風(fēng)電用高強度螺栓直徑均大于φ30mm，則必須選用42CrMo、B7 和42CrNiMo 甚至更高級別鋼材，在截面很大是仍有較高的性能。B7 化學(xué)成分相當(dāng)于42CrMo 鋼，42CrMo 鋼油淬直徑為φ42mm；42CrNiMo 鋼的油淬臨界直徑為φ45mm，與其他鋼種相比，具有更好的沖擊韌度和淬透性。對于超過臨界直徑的大截面螺栓必須用水溶液淬火，以保證淬硬層深度。

綜合判斷，42CrMo 系列滿足10.9 級螺栓性能的最經(jīng)濟(jì)的鋼種。

2.2.1 化學(xué)成分配比優(yōu)化

化學(xué)成分是決定鋼材疲勞極限的首要因素。碳是影響疲勞極限的主要元素，它既能間隙固溶強化基體，又可形成彌散強化，提高鋼材的形變抗力，阻止疲勞裂紋的萌生和提高疲勞極限。合金元素在鋼種的作用，主要是通過提高鋼的淬透性和細(xì)化晶粒改善鋼的強韌性來提高壽命。合格的化學(xué)成分是保證中碳鋼和中碳合金鋼鐓鍛性能和熱處理后力學(xué)性能的基礎(chǔ)，對于大于φ30mm 的風(fēng)電用高強度螺栓，淬火后整個截面保證90%以上獲得馬氏體組織；既要保證淬透性，又要達(dá)到一定的淬硬層深度，因此鋼材的化學(xué)成分應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的中上限。且強化C、Cr、Mn、Mo 等平均含量應(yīng)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的中限，同時，Ni 含量的加入可以更有效地提升鋼材的整體性能。Ni 仿佛一條杠桿上的平衡軸加碼，直接解決風(fēng)電螺栓的強度與韌性不能同時達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)的問題。

經(jīng)多次試驗，尋找最優(yōu)成分見表3。

表3 優(yōu)化合金成分

2.2.2 軋制工藝優(yōu)化

熱軋后的圓鋼棒材組織是棒材熱處理后的根本，組織是否均勻、是否平衡是風(fēng)電螺栓用鋼力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)，帶狀是重點指標(biāo)。在不能調(diào)整軋制過程溫度的前提下，優(yōu)化圓鋼加熱爐內(nèi)的工藝成為了唯一方案。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)提高加熱溫度、開軋溫度至一定值后，可顯著降低帶狀級別，帶狀≤2.0 級。注意，溫度并不是越高越好，應(yīng)避免出現(xiàn)鋼中魏氏組織甚至過燒。

2.2.3 淬火設(shè)備優(yōu)化

傳統(tǒng)工業(yè)熱處理試驗采用電箱爐加熱，經(jīng)淬火槽淬火，回火槽冷卻。但淬火介質(zhì)不同，淬火設(shè)備不同，達(dá)到的效果不同。承德建龍手工改良淬火槽設(shè)備，將原有的水槽制作成孔洞較大，更輕便的水槽，經(jīng)手動搖擺，保證試樣在淬火介質(zhì)中不動，隨著介質(zhì)的流動，使試樣充分打破淬火時試樣表面的介質(zhì)保護(hù)膜，保證淬火效果，詳見圖2、圖3。

圖2 改良前

圖3 改良后

2.2.4 熱處理方式優(yōu)化

設(shè)計5 種熱處理工藝，原材料采用現(xiàn)有生產(chǎn)的最大φ64 規(guī)格具體的熱處理工藝見表4，淬火采用箱式爐加熱，改進(jìn)后的淬火槽淬火，水淬，回火在普通回火槽中進(jìn)行。

表4 不同熱處理方案

（1）拉伸試驗結(jié)果。隨著回火溫度的升高，抗拉強度呈降低趨勢，伸長率在540℃～560℃時保持不變，560℃～580℃時呈逐漸升高趨勢。當(dāng)回火溫度為540℃時，材料的抗拉強度達(dá)到1145Mpa，伸長率達(dá)到15%，當(dāng)回火溫度達(dá)到580℃時材料的抗拉強度為1060Mpa，伸長率達(dá)到17%，即處在560℃時，強度與斷后伸長率均在最優(yōu)情況。

（2）低溫沖擊試驗結(jié)果。室溫與-40℃的低溫沖擊功隨回火溫度的升高呈增長趨勢，當(dāng)回火溫度升高至560℃時，-40℃低溫沖擊功分別達(dá)到70J 以上。

（3）微觀組織。微觀組織均為均勻的回火索氏體組織1級～2 級。

3 結(jié)論

通過Ni 元素的微合金化，確定最優(yōu)的元素配比，改良淬火工藝后，性能完全滿足客戶的使用要求。工件既能滿足力學(xué)性能要求，又相對的節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。