陳佳寶，岳杰，張先鳴

1.廣東史特牢緊扣系統(tǒng)有限公司 廣東陽(yáng)江 529568

2.浙江慈溪市匯誠(chéng)金屬制品有限公司 浙江寧波 315336

3.浙江衢州天力緊固件有限公司 浙江衢州 324000

1 序言

在“碳達(dá)峰”“碳中和”的背景下，隨著風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，風(fēng)電塔筒等螺栓標(biāo)準(zhǔn)件的市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)中暴露出的螺栓失效問(wèn)題也日益增多。當(dāng)塔筒螺栓失效后塔架振動(dòng)異常，風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)頻繁報(bào)警振動(dòng)超標(biāo)等故障并停機(jī)，損失發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生塔筒折斷、風(fēng)電機(jī)組倒塔等事故，從而產(chǎn)生高額的質(zhì)量成本。風(fēng)電塔筒螺栓、葉片異形螺栓作為風(fēng)電機(jī)組中重要的緊固件，是保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。因此，提高塔筒等螺栓質(zhì)量，包括設(shè)計(jì)選型、生產(chǎn)工藝控制等，具有重要價(jià)值。

風(fēng)電塔筒、葉片異形螺栓緊固件作為最基礎(chǔ)的零部件，在風(fēng)電機(jī)組工作時(shí)除受到軸向預(yù)緊拉伸載荷的作用外，還會(huì)受到附加的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或由二者復(fù)合而成的彎曲載荷的作用[1]。塔筒、葉片異形螺栓除受到上述載荷作用外，還隨主機(jī)一起常年承受酷暑嚴(yán)寒、極端溫差、鹽霧腐蝕等作用。因此，塔筒等螺栓除了需具有足夠的強(qiáng)度和塑性外，還應(yīng)具有足夠的韌性[2，3]。螺栓用的10.9級(jí)高強(qiáng)度緊固件材料，主要采用GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中35CrMo鋼和42CrMo鋼（美國(guó)牌號(hào)ASETM A193標(biāo)準(zhǔn)中B7），一般規(guī)格大于M30，要求螺栓熱處理后抗拉強(qiáng)度≥1040MPa，－40℃沖擊吸收能量≥27J。由于材料存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度，塔筒、葉片異形螺栓在此溫度以下使用時(shí)，將存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，因此提高風(fēng)電螺栓用鋼的低溫沖擊性能顯得十分重要，本文對(duì)風(fēng)電螺栓熱處理工藝持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展進(jìn)行闡述，拋磚引玉，以供同行借鑒與討論。

2 原材料缺陷造成的淬火開(kāi)裂

大量緊固件淬火開(kāi)裂分析表明，很多淬火開(kāi)裂是由原材料缺陷所致。風(fēng)電螺栓的緊固件規(guī)格一般較大，原材料缺陷的存在不僅破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，造成局部應(yīng)力集中，且有些缺陷還會(huì)使環(huán)境適應(yīng)性顯著降低，引發(fā)晶界腐蝕、應(yīng)力腐蝕等早期失效的發(fā)生。因此，一方面生產(chǎn)廠(chǎng)家應(yīng)對(duì)鋼材的原始冶金缺陷具備有效的檢驗(yàn)控制手段（比如各種無(wú)損檢測(cè)方法）和嚴(yán)格的管理制度；另一方面，熱處理工作者應(yīng)對(duì)這些原材料缺陷的形成、分布、性質(zhì)及其對(duì)產(chǎn)品在服役中的早期失效可能產(chǎn)生的影響有深刻的了解，并在熱處理前將其列為重要的內(nèi)容進(jìn)行檢查分析。

原材料缺陷一般有低倍組織缺陷、非金屬夾雜物缺陷和顯微組織缺陷[4]。

2.1 低倍組織缺陷

低倍組織缺陷為通過(guò)肉眼或20倍以下的放大鏡可以檢測(cè)的宏觀缺陷。這種缺陷尺寸較大，對(duì)緊固件的性能影響較嚴(yán)重。其中，表面低倍組織缺陷包括折疊、發(fā)紋、皮下裂紋等，可采用目視檢查、磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)等方法檢測(cè)；內(nèi)部缺陷包括偏析、白點(diǎn)、氣泡、疏松及縮孔等，可采用低倍檢查、超聲波檢測(cè)或X射線(xiàn)檢測(cè)等方法進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)原材料內(nèi)部缺陷超標(biāo)時(shí)，可借助高倍金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡判斷組織缺陷性質(zhì)，從而對(duì)單件或整批螺栓進(jìn)行報(bào)廢處理。值得注意的是，目前采用超聲波檢測(cè)時(shí)，在表面一定深度存在盲區(qū)，緊固件的棒材直徑太小時(shí)不能有效進(jìn)行，因此應(yīng)根據(jù)超聲波檢測(cè)的能力，對(duì)直徑較大棒材進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

42CrMo鋼坯的低倍組織缺陷——枝晶偏析和皮下裂紋是典型的原材料缺陷。在鋼錠中若存在嚴(yán)重的枝晶偏析，則會(huì)使鋼坯內(nèi)部化學(xué)成分和組織極不均勻，性能?chē)?yán)重惡化。在鋼錠表面若存在皮下裂紋，則在后續(xù)熱處理過(guò)程中可能作為應(yīng)力源容易產(chǎn)生裂紋，因此，熱加工鋼不允許存在該缺陷。42CrMo鋼的皮下裂紋距表面的深度應(yīng)小于加工余量，并可加工去除，俗稱(chēng)磨光料就是此類(lèi)；如果距離表面較深，裂紋殘留在加工后的表面會(huì)降低螺栓的疲勞壽命。

42CrMo鋼鍛坯的低倍組織缺陷——白點(diǎn)（見(jiàn)圖1），會(huì)嚴(yán)重影響鋼的性能。從圖1可看出，鍛坯中存在呈輻射狀分布的細(xì)小條狀或鋸齒狀裂紋，白點(diǎn)（裂紋）有沿晶或穿晶擴(kuò)展兩種形式，在裂紋周邊無(wú)塑性變形和氧化脫碳特征。白點(diǎn)是由鋼中氫和組織應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，氫來(lái)源于鋼的冶煉和澆注過(guò)程中，在縱向斷口上呈圓形或橢圓形銀亮粗晶斑點(diǎn)，白點(diǎn)名稱(chēng)即源于此。白點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重降低鋼的塑性和韌性，往往在未發(fā)生塑性變形的情況下突然發(fā)生脆性斷裂。在熱處理過(guò)程中由于白點(diǎn)的存在，容易導(dǎo)致淬火開(kāi)裂或延遲性斷裂。因此，白點(diǎn)是緊固件原材料中不允許存在的缺陷。當(dāng)拉伸試樣中存在一定量氫，在拉伸應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生的“魚(yú)眼”缺陷是導(dǎo)致拉伸試樣斷面收縮率偏低的主要原因之一。

圖1 白點(diǎn)斷口沿晶穿晶及二次裂紋

2.2 42CrMo鋼顯微組織及非金屬夾雜物

高強(qiáng)度緊固件對(duì)鋼材的質(zhì)量要求很高，42CrMo鋼因而普遍采用爐外精煉和電磁攪拌連鑄工藝。其優(yōu)點(diǎn)是：鋼中的 C、Si、Mn、Cr、Mo 等主要元素可控制在比通常更窄的范圍內(nèi)，鋼材均勻性好，產(chǎn)品性能波動(dòng)范圍減??；能減少 P、S、O、N 等雜質(zhì)含量并對(duì)其進(jìn)行控制，從而減少鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量，使其微細(xì)分散化，以提高鋼的鐓鍛性，改善表面質(zhì)量。對(duì)風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度42CrMo鋼，要求具有高的抗拉強(qiáng)度、足夠低的延遲斷裂敏感性、較高的疲勞抗力和多次沖擊拉伸抗力，因此冶煉工藝流程的選擇對(duì)高強(qiáng)度42CrMo鋼至關(guān)重要。高強(qiáng)度42CrMo鋼冶煉工藝流程如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度42CrMo鋼冶煉工藝流程

經(jīng)870℃淬火、540℃回火后，M42×390mm螺栓金相檢測(cè)其基體組織為回火索氏體，仍保留原來(lái)馬氏體的形態(tài)，碳化物成排在晶內(nèi)和板條邊界析出；取42CrMo鋼M42×390mm螺栓表面、1/2處和心部測(cè)得其顯微硬度分別為340HV10、338HV10和310HV10，奧氏體晶粒度為9級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 42CrMo鋼M42×390mm螺栓力學(xué)性能

在鋼的冶煉過(guò)程中，鋼液中存在大量O、N、S等雜質(zhì)元素，為了防止雜質(zhì)元素的有害作用，往往在冶煉過(guò)程中需進(jìn)行脫氧和脫硫處理，從而生成大量的脫氧和脫硫產(chǎn)物，此脫氧和脫硫產(chǎn)物在鋼液凝固前大部分已上浮，小部分殘留在鋼中形成夾雜物。非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量不同，對(duì)鋼的性能影響也不同。采取爐外精煉技術(shù)，通過(guò)控制冶煉過(guò)程中的反應(yīng)條件，能極大地減少鋼中夾雜，降低非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸。高強(qiáng)度緊固件對(duì)非金屬夾雜物的尺寸和類(lèi)型要求比較高，冶煉過(guò)程要求控制大型夾雜物和脆性?shī)A雜物越少越好。

（1）夾雜物尺寸分布與評(píng)級(jí) 利用 ASPEX 軟件分析鋼中夾雜物大小，優(yōu)質(zhì)42CrMo鋼試樣中共有5248個(gè)夾雜物，按照尺寸大小分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，夾雜物平均直徑4.29μm，最大夾雜物MnS的直徑為28.3μm，所有類(lèi)型夾雜物中的最大夾雜物直徑平均值為10.91μm，夾雜物尺寸一般＜5μm，集中在2～5μm之間，＜5μm的夾雜物占80.55%。尺寸較小的夾雜物可作為凝固過(guò)程的形核中心，降低基體組織晶粒度，從而改善了鋼材性能，增強(qiáng)了疲勞抗力和多次沖擊拉伸抗力。優(yōu)質(zhì)42CrMo鋼非金屬夾雜物評(píng)級(jí)見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)質(zhì)42CrMo鋼非金屬夾雜物評(píng)級(jí) （級(jí)）

優(yōu)質(zhì)42CrMo鋼非金屬夾雜物A、B、C、D 和Ds類(lèi)夾雜物的等級(jí)基本都≤0.5級(jí)，處于較低水平，極大地保證了鋼材的性能。

圖3所示為42CrMo鋼螺栓淬火裂紋，圖4所示為淬火裂紋斷口，圖5所示為螺栓非金屬夾雜物淬火裂紋，裂紋兩側(cè)有非金屬夾雜物。當(dāng)檢測(cè)螺栓淬火裂紋處時(shí)，A、B、C、D 和 Ds類(lèi)非金屬夾雜物的等級(jí)≥2級(jí)。

圖3 螺栓淬火裂紋

圖4 淬火裂紋斷口

圖5 非金屬夾雜物淬火裂紋及非金屬夾雜物

（2）非金屬夾雜物數(shù)量和類(lèi)型分布 利用ASPEX 軟件分析鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和分布情況，結(jié)果表明，個(gè)數(shù)較多、面積較大的前5種夾雜物均與MnS有關(guān)，其中個(gè)數(shù)最多、面積最大的硫化物類(lèi)夾雜物為MnS，其個(gè)數(shù)占夾雜物總數(shù)的40.76%，面積占35.19%；硅酸鹽類(lèi)夾雜物個(gè)數(shù)占比為31.29%，面積占28.61%。其他夾雜物個(gè)數(shù)僅占3.52%，面積占9.96%。MnS類(lèi)夾雜物所占比例最高，其他類(lèi)型的夾雜含量相對(duì)較少，可見(jiàn)爐外精煉相對(duì)地控制了其他類(lèi)型夾雜物，使夾雜種類(lèi)單一，對(duì)有目的地控制非金屬夾雜物產(chǎn)生了積極影響，因此煉鋼過(guò)程需要進(jìn)一步控制鋼中硫含量，從而降低MnS類(lèi)夾雜物的形成，以減少淬火開(kāi)裂的可能性。

3 鋼中帶狀組織對(duì)低溫沖擊性能的影響

資料顯示，42CrMo鋼錠中元素偏析在鍛造過(guò)程中被拉長(zhǎng)，沿軋制方向形成纖維組織。在隨后淬火過(guò)程中，由于纖維組織與基體之間成分差異，導(dǎo)致組織也出現(xiàn)差異。特別是冷卻速度相對(duì)表面較慢的心部區(qū)域，先共析鐵素體會(huì)沿纖維組織與基體之間的界面大量形核長(zhǎng)大，形成沿軋制方向分布有明顯的帶狀組織，對(duì)顯微組織、沖擊性能影響較大。

M48×345mm螺栓熱處理制度為：830～870℃淬火PAG濃度10%～12%；540～550℃回火水冷；按以上熱處理方案進(jìn)行組織和性能的分析，將調(diào)質(zhì)后的鍛件在CDG-10000A 磁粉檢測(cè)機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)，遵循GB/T 4162—2008《鍛軋鋼棒超聲檢測(cè)方法》規(guī)定；室溫拉伸性能AG-IC-100kN 電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，遵循 GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定，得到抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率檢測(cè)值；在P300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，按GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行；在HR-150A 洛氏硬度機(jī)上進(jìn)行硬度測(cè)試，按GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行；高倍試樣采用倒置式金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，遵循 GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗(yàn)》規(guī)定執(zhí)行。

檢測(cè)結(jié)果顯示，組織成分不均勻，鐵素體聚集成塊狀，如圖6所示。鐵素體在晶界處聚集長(zhǎng)大，使得晶粒度增大，裂紋擴(kuò)展阻力減小，沖擊性能降低。鐵素體—珠光體相間分布的帶狀組織，且有一定的方向性，如圖7所示。搜集原材料相關(guān)資料，42CrMo鋼原材料的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 42CrMo鋼原材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖6 鐵素體聚集成塊狀（200×）

圖7 鐵素體＋珠光體相間的帶狀組織（100×）

原材料組織中有明顯的條帶狀，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的顯微組織有大量的塊狀鐵素體，檢測(cè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，沖擊吸收能量為25J、14J、23J，不合格。沖擊吸收能量平均值為21J，比標(biāo)準(zhǔn)值（27J）低約22%；原材料經(jīng)過(guò)鐓拔改鍛后，帶狀組織被揉碎，再經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理前增加正火，可以得到回火索氏體，組織晶粒得以細(xì)化，如圖8所示。從圖8a～c可看出，組織中還有一些塊狀鐵素體。結(jié)合沖擊試驗(yàn)結(jié)果可看出，塊狀鐵素體是導(dǎo)致低溫沖擊韌度低的原因[5]，而形成不同形貌的鐵素體組織與冷卻速度有一定的關(guān)系，冷卻速度慢，塊狀鐵素體是在高溫區(qū)即組織共析區(qū)形成的，先共析鐵素體隨時(shí)間的延長(zhǎng)聚集長(zhǎng)大，這種塊狀鐵素體在淬火過(guò)程中形成軟點(diǎn)，使材料的性能下降，特別是屈服強(qiáng)度和沖擊韌度偏低。

圖8 回火索氏體組織

改進(jìn)措施：增加改鍛工序，通過(guò)一鐓一拔（或兩鐓兩拔）制坯后，條帶組織被揉碎，通過(guò)增加退火（或正火），對(duì)組織的晶粒有一定細(xì)化效果，對(duì)毛坯的低溫沖擊韌度具有明顯的改善作用；通過(guò)調(diào)整淬火冷卻方式，改為水淬，對(duì)提高鍛件的低溫沖擊韌度效果顯著。

4 回火溫度對(duì)42CrMo鋼力學(xué)性能的影響

42CrMo鋼M36×425mm螺栓經(jīng)870℃保溫3h，水溶液淬火后經(jīng)不同溫度回火4h的拉伸試驗(yàn)可見(jiàn)，在500～600℃區(qū)間，隨回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)相同，總體呈下降的趨勢(shì)，其中回火溫度在560～600℃時(shí)強(qiáng)度下降幅度較大?；鼗饻囟壬咧?50℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別下降至885MPa和690MPa，伸長(zhǎng)率隨回火溫度升高總體呈上升趨勢(shì)：經(jīng) 540℃回火后，伸長(zhǎng)率最低，為13%左右，經(jīng)650℃回火后，伸長(zhǎng)率達(dá)到峰值26%。

42CrMo鋼經(jīng)水淬和不同溫度回火處理后的顯微組織如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)500℃、520℃、540℃、560℃、580℃和600℃回火后，顯微組織均為回火索氏體，基體上碳化物的大小、形貌和分布不同。500℃和520℃回火保溫4h后的組織差別不大，滲碳體主要呈片狀，不均勻分布在馬氏體板條邊界，保持原馬氏體位向（見(jiàn)圖9a）；隨回火溫度升高，滲碳體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀彌散分布（見(jiàn)圖9b）；540～560℃回火后的滲碳體呈彌散分布，原馬氏體位向已經(jīng)不明顯（見(jiàn)圖9c）；與540℃回火處理相比，580℃和600℃回火處理后滲碳體顆粒明顯粗化（見(jiàn)圖9d）。

圖9 水淬和不同溫度回火的（SEM）顯微組織

在500～600℃之間回火時(shí)，過(guò)飽和碳從馬氏體中析出，析出相優(yōu)先在界面處形成，馬氏體板條界是滲碳體的優(yōu)先析出位置。隨回火溫度的升高，熱激活能增大，馬氏體板條內(nèi)也開(kāi)始析出滲碳體，直到均勻分布于低碳α相基體上。隨回火溫度升高，片狀滲碳體的長(zhǎng)寬比逐漸縮小，最終形成顆粒狀滲碳體。當(dāng)回火溫度超過(guò)600℃時(shí)，顆粒狀滲碳體發(fā)生粗化。此外，板條狀馬氏體的回火過(guò)程還伴隨著α相中位錯(cuò)胞和胞內(nèi)位錯(cuò)線(xiàn)逐漸消失，使晶體的位錯(cuò)密度減小。500℃以上回火時(shí)，剩余位錯(cuò)發(fā)生多邊化，會(huì)形成亞晶粒，隨回火溫度的升高亞晶粒逐漸長(zhǎng)大，相發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。因此，回火溫度較低時(shí)，能觀察到原馬氏體板條界，回火溫度升高原馬氏體位向消失。

板條馬氏體經(jīng)500～600℃回火后組織均為回火索氏體，由于滲碳體的形貌、大小和分布不同，因此導(dǎo)致了力學(xué)性能的差別。500～600℃回火后，隨回火溫度升高，馬氏體回火逐漸充分，基體逐漸軟化，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)[6]。根據(jù)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的要求，控制硬度在35～36.5HRC之間，一般回火溫度在（540±5）℃。

5 螺栓用鋼成分新設(shè)計(jì)及熱處理

用于生產(chǎn)10.9級(jí)M56～M72風(fēng)電螺栓42CrMoA鋼熱軋盤(pán)條或直料采用大盤(pán)卷方式生產(chǎn)，其熱軋盤(pán)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(shí)，很難做到盤(pán)卷各部位冷卻速率一致，因此盤(pán)條組織一致性難以得到保證。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，不同區(qū)域碳化物析出數(shù)量、形貌存在差異，最終影響成品的低溫沖擊性能。經(jīng)熱（溫）鍛后的42CrMoA鋼螺栓毛坯采用空冷方式冷卻，相當(dāng)于在調(diào)質(zhì)處理前對(duì)螺栓進(jìn)行了一次正火處理。增加正火處理可使42CrMoA鋼調(diào)質(zhì)處理后的組織均勻，減少心部區(qū)域晶粒粗大的鐵素體數(shù)量，從而提高平均沖擊吸收能量。實(shí)踐證明，采用熱（溫）鍛熱軋棒材工藝生產(chǎn)的風(fēng)電螺栓的低溫沖擊性能優(yōu)于采用冷鐓熱軋盤(pán)條工藝生產(chǎn)。

42CrMoA鋼10.9級(jí)M56～M72風(fēng)電螺栓在強(qiáng)度、硬度基本不變的情況下，－45℃的V型缺口沖擊吸收能量降低了5～10J，且用熱軋盤(pán)條生產(chǎn)的螺栓甚至出現(xiàn)低溫沖擊性能不合格現(xiàn)象，需要進(jìn)行二次調(diào)質(zhì)處理才能滿(mǎn)足低溫沖擊韌性要求，這增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

先期試驗(yàn)選用日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G4053—2016《機(jī)械結(jié)構(gòu)用低合金鋼》中的SCM440鋼，采用油冷淬火工藝，樣品φ60mm圓鋼，強(qiáng)度基本在856～917MPa，－40℃沖擊吸收能量為11～28J，離目標(biāo)值有較大的差距，經(jīng)整體淬火，在較寬的熱處理工藝下，綜合性能最優(yōu)，低溫沖擊吸收能量＞27J，強(qiáng)度介于1021～1065MPa。

1）水冷材料在870 ℃下保溫150 min 后淬火、550～560℃回火，試驗(yàn)結(jié)果分析，強(qiáng)度為1067MPa，接近滿(mǎn)足風(fēng)電用高強(qiáng)螺栓的力學(xué)性能要求。

2）提高回火溫度至 580℃時(shí)，低溫沖擊吸收能量提高明顯，達(dá)59J，但強(qiáng)度顯著降低，僅為992MPa，不能滿(mǎn)足風(fēng)電用高強(qiáng)螺栓的力學(xué)性能要求。

3）通過(guò)水冷淬火試驗(yàn)結(jié)果，可以看出采用水冷淬火以及提高淬火溫度有利于強(qiáng)度增加。

用水淬熱處理工藝方案，材料整體性能相對(duì)于油淬有了一定提高，－40℃沖擊吸收能量提高至20J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，但標(biāo)準(zhǔn)材料通過(guò)熱處理后還是難以達(dá)到風(fēng)電用緊固件材料的性能要求，因此必須在材料成分上予以?xún)?yōu)化改進(jìn)[7]。

重新設(shè)計(jì)螺栓用鋼化學(xué)成分，采用SCM440鋼是在日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G4053化學(xué)成分允許的范圍內(nèi)，按中上限控制鋼中的Mn含量，增強(qiáng)鋼的淬透性和珠光體含量，提高抗拉強(qiáng)度；通過(guò)增加Mo元素，Mo與Fe以互溶的形式存在于α相和γ相中，使之強(qiáng)化，并通過(guò)細(xì)化α相晶粒，改善鋼的低溫沖擊韌性；通過(guò)控制鋼中的Al含量，形成AlN釘扎晶界，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒作用；冶煉過(guò)程中控制有害元素P、S含量，使鋼達(dá)到較高的純凈度。

低溫高強(qiáng)度螺栓用SCM440鋼協(xié)議及內(nèi)控要求化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表4 SCM440鋼協(xié)議及內(nèi)控要求化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

化學(xué)成分設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1）為了保證材料的淬透性，Mn、Cr含量均按協(xié)議的中上限進(jìn)行控制，同時(shí)為保證材料的低溫沖擊性能，C、Si含量按協(xié)議的中限控制，加強(qiáng)了P、S及Cu含量的控制。

2）內(nèi)控成分增加了Mo含量上限，可以使奧氏體晶粒細(xì)化，并且在熱軋空冷時(shí)生成部分MoC，起到沉淀強(qiáng)化的目的。細(xì)小的奧氏體晶粒容易在調(diào)質(zhì)時(shí)得到細(xì)小的回火索氏體組織，也是鋼材具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的保證。同時(shí)，添加Ti可以增加回火穩(wěn)定性并抑制第二類(lèi)回火脆性。

3）該鋼種經(jīng)車(chē)削加工或冷拔后調(diào)質(zhì)使用，要求鋼材外表面不允許存在完全脫碳層，直徑45mm以下規(guī)格不完全脫碳層深度≤1%D，直徑45mm以上規(guī)格不完全脫碳層深度≤0.8%D。軋制過(guò)程通過(guò)控制爐內(nèi)氣氛，優(yōu)化出鋼節(jié)奏，以達(dá)到減少表面脫碳目的。

4）以添加微量合金元素Ti為基礎(chǔ)，在熱軋過(guò)程中對(duì)鋼坯加熱溫度、開(kāi)軋溫度、變形量、終軋溫度及軋后冷卻等工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳合理控制，以細(xì)化奧氏體和鐵素體晶粒，并通過(guò)沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化，充分挖掘鋼材內(nèi)在潛力，提高鋼材力學(xué)性能。

由于含Mo鋼在回火時(shí)可以析出細(xì)小的碳化物而具有顯著的二次硬化現(xiàn)象，因此回火抗力明顯提高，同時(shí)Mo元素可以減少雜質(zhì)在晶界偏聚而強(qiáng)化晶界；Mo的添加可在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，顯著提高鋼的耐延遲斷裂性能。一般認(rèn)為，當(dāng)Mo含量超過(guò)0.25%時(shí)，鋼的耐延遲斷裂性能會(huì)逐步提高。M64以上大規(guī)格風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓采用42CrMoA鋼，盡管水冷淬火，但－45℃沖擊吸收能量在30J左右，材料性能離散度較大。水冷淬火雖然明顯起到提高材料淬透性的效果，但國(guó)標(biāo)材料通過(guò)熱處理后還是難以滿(mǎn)足風(fēng)電用緊固件材料的性能要求，因此必須在材料成分上予以?xún)?yōu)化改進(jìn)。SCM440鋼試驗(yàn)調(diào)整Mo含量目標(biāo)值至0.22%～0.30%，而Mo不僅能細(xì)化晶粒，同樣可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，并能改善鋼的淬透性和塑韌性，考慮降成本要求，加上選擇添加Ti含量0.04%～0.05%進(jìn)行微合金化處理，其耐延遲斷裂性能優(yōu)于對(duì)比的42CrMo4鋼，－45℃沖擊吸收能量平均值在70J左右。因此，超高強(qiáng)度螺栓鋼的合金化方式與工藝仍有很大開(kāi)拓空間。

6 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓作為連接結(jié)構(gòu)中的重要零部件，應(yīng)具有良好的低溫沖擊性能。影響高強(qiáng)度風(fēng)電螺栓低溫沖擊性能的因素主要包括晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、調(diào)質(zhì)前原始組織、調(diào)質(zhì)前的加工工藝及調(diào)質(zhì)處理工藝等。為提高風(fēng)電螺栓品質(zhì)及低溫沖擊性能，應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)風(fēng)電螺栓鋼工藝持續(xù)改進(jìn)，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1）對(duì)于32CrB4鋼、35CrMo鋼（≤M36）；42CrMo鋼、B7鋼（≤M64）)；40CrMoV鋼、40CrNiMo鋼和 40CrNi2Mo鋼（≤M100）等風(fēng)電螺栓用鋼，降低有害雜質(zhì)元素含量，wS、wP一般控制0.015%以下；可采用Nb、Ti復(fù)合微合金化來(lái)提高風(fēng)電螺栓用鋼的低溫沖擊性能，但會(huì)造成生產(chǎn)成本增加；采用轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄工藝生產(chǎn)的風(fēng)電螺栓用鋼中wAl＞0.015%，以防止淬火時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，從而提高風(fēng)電螺栓的低溫沖擊性能。

2）應(yīng)降低風(fēng)電螺栓用鋼中大顆粒非金屬夾雜物的尺寸及數(shù)量，以提高鋼的低溫沖擊性能。

3）風(fēng)電螺栓鋼熱軋盤(pán)條組織宜控制為以粒狀貝氏體為主，且組織應(yīng)具有較好的均勻性。

4）應(yīng)盡可能地使風(fēng)電螺栓用鋼球化退火后獲得細(xì)小球狀滲碳體組織，以保證淬火時(shí)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，淬火時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制淬火溫度和保溫時(shí)間，以防止因奧氏體晶粒長(zhǎng)大而出現(xiàn)混晶，最終影響鋼的低溫沖擊性能。